Руководство по современным технологиям аккумуляторов

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.