Литий-ионные аккумуляторы: почему они плохо держат заряд на морозе ( 11 фото )

Не секрет, что батареи не очень хорошо переносят экстремальные температуры – ни жару, ни холод. Но задавались ли вы вопросом: что именно является причиной нестабильного поведения аккумуляторных батарей (поговорим о самой прогрессивной в технологическом смысле массовой продукции – литий-ионных аккумуляторах)? Что приводит к быстрому их разряду, потере емкости и в итоге дискомфортной эксплуатации и невозможности химических процессов?

А ведь проблема насущная и выходит далеко за пределы смартфонов или автомобильной промышленности (гибридных автомобилей и электрокаров с каждым годом становится все больше). Подобные химические элементы, аккумулирующие заряд, используются повсеместно, они есть практически в каждом портативном устройстве – от видеорегистраторов, планшетов и ноутбуков до электровелосипедов и модных сегодня сегвеев и электроскутеров.

Литий-ионные аккумуляторы

«По сравнению с предыдущими типами аккумуляторов литий-ионные заряжаются быстрее, разряжаются дольше, имеют более высокую плотность заряда и меньший вес. Технология перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов самая лучшая из доступных на сегодняшний день», – говорится на сайте apple.com

С одной стороны, звучит очень обнадеживающе. Технологии дошли до такого порога, что можно с уверенностью сказать: мы наконец-то живем в будущем! Но что происходит в реальности? Действительно ли литий-ионные аккумуляторы настолько прогрессивны?


Велосипед с электромотором питающимся литий-ионными аккумуляторами

Возможно, для компактных гаджетов с небольшим потреблением энергии это действительно так. И литий-ионные элементы питания произвели в этой электронной сфере настоящую революцию.

По сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными АКБ, технология которых была разработана еще в XIX веке, аккумуляторы на основе лития дают целую массу преимуществ, а именно:

отсутствие «эффекта памяти»;
более высокий уровень емкости, что позволяет использовать аккумуляторную батарею дольше;
меньшее время заряда;
меньший вес;
значительно большую компактность при одинаковой максимальной емкости.

Для электронных гаджетов крайне важные параметры, позволяющие увеличить удобство использования и потребительские качества прибора. Но для более технологически сложных систем, работающих в более разнообразных и сложных условиях (автомобили, мотоциклы, электровелосипеды), ими эксплуатационные качества не ограничиваются.


Электрический мотоцикл Harley-Davidson

АКБ в условиях морозов, повышенной влажности, жары, а также интенсивной эксплуатации деградируют быстрее, меньше держат заряд, что явно говорит о не максимальном соответствии технологии реальным эксплуатационным реалиям.

Ярким примером может стать поведение Li-ion аккумулятора при отрицательных температурах.


Tesla - один из самых продуктивных электрокаров современности

При снижении температуры окружающей среды в электролите снижается интенсивность движения ионов, замедляются химические реакции. При полностью исправном литиевом АКБ по мере охлаждения электролита проявляется снижение заряда до 20%.

Данное явление временное, достаточно нагреть аккумулятор до плюсовой температуры (в отапливаемом гараже, если это автомобиль, или занести девайс в комнату) – и его функционал будет восстановлен.

Однако при охлаждении ниже 40 градусов Цельсия в аккумуляторе произойдут необратимые повреждения.

Как живой организм, современная батарея может обеспечить 100 процентов своей емкости при умеренных температурах, номинальной точкой отсчета которых будет 20 градусов Цельсия.

Но Li-ion АКБ боится не только низких температур, но и высоких. К примеру, если температура окружающей среды, в которой работает батарея, увеличится до 30 градусов Цельсия, эффективность ее работы снижается примерно на 20 процентов. Если устройство постоянно заряжается при температуре 45 градусов °C и более, потеря производительности может вырасти до колоссальных 50 процентов!

Впрочем, за короткий временной промежуток эти цифры не обязательно отразятся на потере максимального диапазона движения, но при постоянных сложных эксплуатационных условиях неминуемо приведут к закономерному финалу.

Терморегуляция Li-ion аккумуляторов

Как известно, любой автомобиль (если рассматривать его с технической точки зрения), съезжающий с заводского конвейера, выпускается не просто так, а с учетом будущих условий эксплуатации. Поэтому некоторые автопроизводители интегрируют системы управления температурой на своих электрокарах. Даже несмотря на то, что эти системы «прожорливы» и поглощают достаточно большое количество собственной энергии:


на непрогретом автомобиле в мороз нагреватель батарей может потреблять до 6 кВт энергии, что эквивалентно по расходу заряда движению на автомобиле со скоростью в 40 км/ч;

но даже эти затраты не являются критическими, ведь они помогают урегулировать температуру батареи для оптимизации их долгосрочной емкости, с одновременным поддержанием краткосрочной производительности.

Диаметрально противоположные действия предпринимают автопроизводители, когда за бортом жара, охлаждая батареи при необходимости с помощью системы кондиционирования во время подзарядки или при интенсивном использовании.

Кстати, совсем недавно выяснилось, что даже такой передовой электрокар, как Tesla Model S, в котором применяются самые технологичные аккумуляторные батареи в мире, по причине перегрева блока АКБ не может использоваться в качестве спортивного снаряда.

Подготовленный к гонкам электромобиль Tesla Electric GT Championship смог сделать лишь полтора круга по трассе Формулы 1 на полной мощности, после чего раз за разом происходил перегрев аккумуляторной батареи и критическое падение мощности.

Как видим, при экстремальных температурах никакие датчики, системы нагрева и охлаждения аккумуляторов не способны справиться с поставленной задачей – защитой батарей и сохранением более-менее номинальных показателей электрокара. Пока не способны справиться.

Отсюда можно сделать вывод, который состоит в том, что практически все компании, предлагающие сегодня автомобили с питанием от батарей, отстают в технологиях сохранения электроэнергии, необходимой для движения. Ведь, даже несмотря на серьезный скачок вперед Li-ion аккумуляторов, технология все еще базируется на разработках практически 200-летней давности, упираясь в работы выдающегося итальянского физика и химика Алессандро Вольта. И речь здесь идет более чем о преемственности!

И вновь повторим, что литий-ионные АКБ на сегодняшний день являются наилучшим вариантом для использования не только во всевозможных портативных электронных гаджетах, но и для электрокаров. Такой тип батарей действительно намного лучше, чем старые свинцово-кислотные или NiMh батареи.

«Магия» химии нам в помощь

Поскольку большинство современных гибридов, так называемых подключаемых плагин-гибридов, и полностью электрических автомобилей перешли на литий-ионные батареи, давайте продолжим их рассмотрение для понимания принципов работы.


Рассматривать принципы других использующихся аккумуляторов мы не будем, поскольку остальные технологии откровенно устаревшие.

Итак, давайте посмотрим, по какому принципу работают современные батареи и почему именно Li-ion

Производители техники выбрали их не случайно, главным образом потому, что аккумуляторы обладают плотностью энергии, превышающей любые другие химические батареи примерно в два с половиной раза. Современные литий-ионные батареи могут вместить порядка 150 Вт⋅ч на килограмм веса. Это означает, что они могут быть компактнее и легче, чем конкурирующие продукты, что является одной из их главных положительных особенностей.

Технически аккумуляторы данного типа содержат в своей основе графитовый анод, литий-кобальтовый оксидный катод, который может быть заменен никелем или марганцем, и жидкий карбонатный электролит с растворенными в них солями лития.


Впервые подобный тип аккумуляторов был изобретен японским ученым-химиком Акира Ёсино в 1991 году. В том же году подобные типы аккумуляторов начала выпускать корпорация Sony.

Краткий принцип работы любого литий-ионного аккумулятора следующий:

Когда батарея отдает электроэнергию, ионы лития (положительно заряженные ионы лития являются переносчиком заряда) перемещаются от графитового анода к катоду в так называемом процессе интеркаляции (обратимого включения молекулы или группы между другими молекулами или группами), который подразумевает движение электронов в одном направлении при использовании внешней цепи.

В процессе зарядки ионы лития с катода диффундируют обратно на графитовый анод.


Принцип работы Li-ion аккумулятора

Это электрохимическая реакция, которая нуждается в постоянном количестве переменных для бесперебойной эффективной работы. В противном случае она может замедлиться, прерваться или может произойти даже электрическое короткое замыкание в одном из элементов батареи.

Кратко суть работы Li-ion АКБ заключается в обеспечении оптимальных условий для перемещения ионов металла внутри системы между разнозаряженными электродами.

При этом отрицательные пластины могут производиться из различных металлов, которые позволяют настроить работу аккумуляторов под те или иные условия или необходимые параметры.

К примеру, использование оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. А вот распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью, говорится в материале о данном типе батарей на Википедии.


При низких температурах производительность значительно падает из-за замедления химической реакции в электролите. Наиболее заметным этот недуг становится не при работе АКБ (отдаче заряда), а при ее зарядке. В некоторых случаях при очень сильных отрицательных температурах заряд может остановиться практически полностью. Плюс в том случае, если аккумуляторная батарея слишком сильно охладилась, система защиты автомобиля, скорее всего, просто не позволит произвести зарядку, так как это может привести к повреждению элемента.

Технологии будущего, когда они придут, и чем заменять литий-ионные аккумуляторы?

Разработок и теоретических выкладок в этом направлении сегодня существует достаточное количество. Однако вариантов применения прорывных технологий на практике за те же 25 лет по факту не происходило. Улучшения и оттачивание технологии были, но эволюционных, и тем более революционных скачков развития – нет.

Возможно, время настало! Эксперты, изучающие пути развития технологий, уверяют, что вторым локомотивом развития автомобильной электрической автономности за последнее десятилетие после Tesla может стать Porsche. Вернее, по всей видимости, уже стал.

Porsche стал первым автопроизводителем в мире, построившим электромобиль на основе 800-вольтовой архитектуры. Тяговая электросистема имеет номинальное напряжение в 723 В, что для красоты было округлено до 800 вольт. Суть при этом не меняется: значительно более высокое напряжение, по существу, означает возможность использования более тонкой проводки, что приводит к сокращению времени зарядки, уменьшению веса и уменьшению занимаемого пространства внутри автомобиля компонентов и в конечном счете к более продуктивной работе.

Впрочем, сам источник энергии остается из прошлого века и в полу Porsche Taycan – литий-ионный.

Так чем его планируют заменить?

К числу наиболее перспективных в ближайшие десятилетия технологий все еще относят аккумуляторы, содержащие ионные жидкости, которые, по существу, являются обычными солями, растворенными при низких и умеренных температурах. Их популярность обусловлена наименее вредоносной для природы утилизацией.


Также, в отличие от других электролитов, они негорючие и обладают термической стабильностью при гораздо более высоких температурах. Поэтому в последующие 10-15 лет нового ждать вряд ли придется.

Более отдаленные исследования альтернатив АКБ рассматривают конструкцию «Li-air», которая использует атмосферный кислород в качестве окислителя, что сможет сделать ее намного легче современных литий-ионных батарей. Кроме того, удельная мощность такого варианта АКБ сравнима с энергией, выделяемой бензином в ДВС, что делает их идеальными для будущих электрокаров.

Еще более высокую удельную отдачу энергии прочат литий-серные батареи. Вероятно, они станут лучшим выбором для действительно революционных электробатарей будущего. Правда, их разработка все еще находится на ранней стадии, и сколько потребуется на ее реализацию, никто точно не знает. 10-20 или даже 30 лет?


Вот и получается, что везде стоит технология 30-летней давности, которая достаточно скоро устареет настолько, что ее использование окажется нерентабельным, а замены ей нет. Так что дело здесь не только в неустойчивости к морозам или боязни Li-ion аккумуляторов жары. Дело – в возможностях создания технологий будущего, с которыми в мире есть значительные проблемы.

Материал взят: Тут