Поскольку мир все больше внимания уделяет решениям по хранению энергии, понимание базовой технологии, лежащей в основе этих систем — аккумуляторов — имеет решающее значение. В RICHYE мы составили подробное и простое в использовании руководство, призванное помочь вам понять основы аккумуляторов и их применения. К концу этого ресурса у вас будет прочная основа в области аккумуляторных технологий, и вы будете на пути к получению знаний об этой важной отрасли. Наслаждайтесь своим учебным путешествием!
1. Батарейный ландшафт
Типы аккумуляторов и их характеристики
Первичные батареи (одноразовые)
- Угольно-цинковые батареи: Эти базовые батарейки обычно встречаются в повседневных вещах, таких как пульты дистанционного управления и настенные часы. Хотя они доступны по цене, у них короткий срок службы и более низкая плотность энергии.
Вторичные батареи (перезаряжаемые)
- Свинцово-кислотные аккумуляторы: Широко используемые в транспортных средствах и небольших электромобилях свинцово-кислотные аккумуляторы являются экономичными и надежными. Однако они относительно тяжелые и предлагают меньшую плотность энергии по сравнению с более новыми технологиями.
- Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы: Никель-кадмиевые аккумуляторы, некогда популярные в ранних мобильных телефонах, сегодня во многом устарели из-за их воздействия на окружающую среду и эффекта памяти, который со временем снижает их эффективность.
- Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы: Эти батареи используются в приложениях, требующих высоких токов разряда, таких как медицинское оборудование и гибридные автомобили. Они более экологичны и обеспечивают лучшую плотность энергии, чем NiCd батареи.
- Литий-ионные аккумуляторы: Литий-ионные аккумуляторы, широко используемые в современной электронике, включая смартфоны и ноутбуки, а также электромобили, обеспечивают высокую плотность энергии и длительный срок службы без эффекта памяти, наблюдаемого у никель-кадмиевых аккумуляторов.
Новые технологии
- Проточные батареи: Идеально подходящие для крупномасштабного хранения энергии благодаря своей масштабируемой природе, проточные батареи используют жидкие электролиты, разделенные мембраной. Они все еще находятся в стадии разработки для мобильных приложений.
Каждый тип батареи имеет свои сильные и слабые стороны, что делает их подходящими для различных применений в различных отраслях. С развитием технологий ожидается, что новые типы батарей, такие как твердотельные и усовершенствованные литиевые батареи, еще больше повысят производительность и безопасность.
Примечание: Термин "литиевая батарея” изначально относилось к первичным литий-металлическим батареям, которые сейчас устарели из-за проблем с безопасностью. Сегодня «литиевые батареи» обычно относятся к литий-ионным батареям. Примерами служат сухие элементы AA и AAA, используемые ежедневно, ранние мобильные телефоны с NiMH-батареями и литий-ионные батареи, распространенные в современных смартфонах, ноутбуках и электромобилях.
2. Основная терминология аккумуляторов
SOX: Состояние X
- З (Здоровье): Показывает общее состояние аккумулятора.
- С (Вместимость): Относится к общей способности аккумулятора хранить энергию.
- P (Мощность): Обозначает способность аккумулятора быстро выдавать энергию.
- Э (Энергия): Представляет собой энергетическую ценность батареи.
SOC (состояние заряда): Этот термин описывает, сколько заряда удерживает аккумулятор в любой момент времени: от 0 (полностью разряжен) до 1 (полностью заряжен), аналогично измерению уровня воды в ведре.
DOD (глубина разряда): Указывает долю емкости батареи, которая была использована. Полностью заряженная батарея имеет DOD 0, а полностью разряженная батарея имеет DOD 1. Связь между DOD и SOC выражается как: DOD + SOC = 1.
3. Литий-ионный аккумулятор Классификации
По производительности:
- Тип питания: Разработан для обеспечения высокой выходной мощности в течение коротких периодов времени.
- Тип энергии: Оптимизирован для долгосрочного хранения энергии.
По физической форме:
- Цилиндрический: Стандартная цилиндрическая форма.
- Призматический (корпус из стали/алюминия): Прямоугольной или квадратной формы с металлическим корпусом.
- Пакет (алюминиевая пластиковая пленка): Гибкая и легкая пленочная оболочка.
По материалу электролита:
- Жидкостная литий-ионная батарея (LIB): Использует жидкие электролиты для энергетических целей.
- Полимерный литий-ионный аккумулятор (PLB): Использует твердые или гелеобразные полимерные электролиты.
По материалу катода:
- Литий-железо-фосфат (LFP): Известен своей безопасностью и долговечностью.
- Оксид лития-кобальта (LCO): Обеспечивает высокую плотность энергии, но более короткий срок службы.
- Оксид лития и марганца (LMO): Баланс мощности и производительности.
- Бинарные и тернарные батареи: Включает такие вариации, как LiNiMnO2, LiNiCoO2, NCM и NCA.
По материалу анода:
- Титанат лития (LTO): Отличается быстрой зарядкой и высокой циклической стабильностью.
- Батареи из графена и наноуглеродного волокна: Используйте современные материалы для улучшения проводимости и емкости.
Аккумулятор 18650: 18650 — это стандартизированная модель литий-ионного аккумулятора, где «18» обозначает диаметр 18 мм, а «65» — длину 65 мм. Обычно он поставляется в литий-ионном и литий-железо-фосфатном (LiFePO4) вариантах с различной емкостью и напряжением. Его стандартизация обеспечивает надежность и безопасность, а с течением времени улучшения предотвращают потенциальные опасности.
4. Литий-ионный аккумулятор Напряжение и емкость
Напряжение литий-ионного аккумулятора зависит от тока разряда, температуры и материалов электродов. Напряжение меняется во время зарядки и разрядки, но обычно используется среднее напряжение 3,7 В. Достижения в области материалов привели к изменениям номинальных напряжений и емкостей, оптимизируя производительность для различных приложений.
5. Почему стоит выбрать литий-ионные аккумуляторы?
Легкий: Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии (200–260 Вт·ч/кг) по сравнению со свинцово-кислотными и никель-металлгидридными аккумуляторами, что делает их значительно легче при той же емкости.
Быстрая зарядка: Литий-ионные аккумуляторы можно полностью зарядить примерно за 3 часа, что намного быстрее, чем никель-металлгидридные аккумуляторы.
Отсутствие эффекта памяти: В отличие от NiMH-аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы не подвержены эффекту памяти и сохраняют свою емкость без необходимости длительных циклов заряда-разряда.
Экологичность: По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами литиевые аккумуляторы меньше загрязняют окружающую среду и имеют лучшие возможности переработки.
6. Меры безопасности для Литиевые батареи
Несмотря на свои преимущества, литиевые батареи представляют собой риски безопасности из-за высокореактивной природы лития. Такие проблемы, как тепловой разгон, вызванный перезарядкой, перегревом или физическим повреждением, могут привести к опасным реакциям. Улучшенные конструкции и протоколы безопасности имеют решающее значение для снижения этих рисков.
Тепловой разгон: Может быть вызвано механическим, электрическим или термическим воздействием, что приводит к чрезмерному нагреву и потенциальной угрозе безопасности.
7. Приложения и перспективы на будущее
Приложения:
- Электромобили (ЭМ): Литий-ионные аккумуляторы имеют решающее значение для питания электромобилей, обеспечивая высокую плотность энергии и долговечность.
- Хранение возобновляемой энергии: Используется для хранения энергии из непостоянных источников, таких как солнечная и ветровая энергия.
- Бытовая электроника: Незаменим для таких устройств, как смартфоны, ноутбуки и планшеты.
- Аэрокосмическая промышленность и оборона: Обеспечивать энергией спутники, космические корабли и военную технику.
- Медицинские приборы: Питание критически важных устройств, таких как кардиостимуляторы и портативные диагностические приборы.
Достижения:
- Твердотельные батареи: Обеспечьте повышенную безопасность и плотность энергии благодаря твердым электролитам.
- Литий-серные батареи: Стремитесь к более высокой плотности энергии, продолжая исследования по устранению текущих ограничений.
- Технологии переработки: Повышение эффективности извлечения ценных материалов из использованных батарей.
Будущие направления:
- Хранилище коммунального масштаба: Растет использование сетевых накопителей по мере снижения затрат.
- Улучшенные функции безопасности: Постоянные инновации для снижения рисков, связанных с литиевыми батареями.
- Улучшения глобальной цепочки поставок: Усилия по обеспечению стабильных и устойчивых поставок критически важных материалов.
Цель этого руководства — предоставить полное понимание технологий аккумуляторов и их развивающегося ландшафта. В RICHYE мы стремимся помочь вам ориентироваться и использовать достижения в области технологий аккумуляторов для более устойчивого будущего.