Недавний анонс компании «Тесла» о ее новом литий-ионном (Li-Ion) аккумуляторе, предназначенном для домашних систем энергоснабжения, вызвал настоящий фурор. Эти батареи можно заряжать от солнечных источников, а затем использовать полученную энергию в хозяйственных целях. Тем не менее, литий-ионный накопитель - не единственный предлагаемый компанией "Тесла" вариант. Каждая из различных аккумуляторных технологий имеет свои сильные и слабые стороны, а некоторые, возможно, даже превосходят ее в части применимости в домашних условиях. Ниже приведен краткий обзор современных батарей. Некоторые из них пока находятся в стадии разработки.
Общие сведения: что такое аккумулятор
Все аккумуляторные батареи состоят из двух электродов, помещенных в электролитическую среду. При работе на электродах происходят обратимые химические реакции. Во время зарядки заряженные молекулы (например, ионы лития для литий-ионных аккумуляторов) скапливаются на аноде. Во время разряда они движутся к катоду. В результате химической реакции возникает разница потенциалов, которую можно использовать для питания нагрузки.
Об аккумуляторной технологии обычно судят по ряду критериев, таких как:
- Количество циклов зарядки-разрядки.
- Плотность энергии на единицу массы, измеряется в ватт-часах на килограмм (Вт · ч / кг).
- Удельная плотность энергии на единицу объема, измеряется в ватт-часах на литр (Вт · ч/л).
Различные технологии оптимально подходят для конкретного использования. Все зависит от технических требований. Итак, аккумуляторы бывают:
Свинцово-кислотные
Аккумулятор содержит концентрированную серную кислоту (H₂SO₄) в качестве электролита, свинец (Pb) и диоксид свинца (PbO₂) на аноде и катоде. Оба превращается в сульфат свинца во время зарядки и разрядки.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи используются в автомобилях и некоторых других электрических схемах. Они служат долго. Нормальным режимом для свинцово-кислотного аккумулятора является полная зарядка, - как это происходит в автомобилях. Наоборот, редкая смена цикла заряда и разряда значительно снижает долговечность батареи.
Литий-ионный аккумулятор Тесла PowerWall производится в 7 и 10 киловатт-часовой версиях. Чтобы сравнить размеры батареи, необходимой для питания энергетических нужд семьи, состоящей из 4 человек, следует посчитать массу и объем свинцово-кислотного аналога.
При плотности от 30 до 40 Вт · ч/кг получится, что система на 20 кВт· ч будет весить 450-600 кг и занимает 0,28 до 0,33 кубических метров пространства (без размера щита и другого оборудования). Такие размеры и масса в принципе приемлемы для большинства семей, но батарея будет стационарной.
Литий-ионные
Принцип основан на движении ионов лития (Li) между пористым анодом из углерода и катодом из оксида лития. Состав катода оказывает большое влияние на производительность и стабильность батареи.
Литий-кобальт-оксидные батареи демонстрируют превосходную способность к заряду. Тем не менее, они восприимчивей к старению, чем альтернативные варианты.
Одной из распространенных причин неисправностей становится осыпание катода, что может привести к воспламенению. Вероятность поломки может быть снижена путем ограничения скорости заряда/разряда, но, к сожалению, случаи взрывов ноутбуков или телефонов нередки.
Срок службы батареи также сильно зависит от состава анода, катода и электролита. Как правило, время жизни литий-ионных аккумуляторов больше, чем свинцово-кислотных. Она по данным фирмы "Тесла" составляет 15 лет (5000 ежедневных циклов).
Аккумулятор "Тесла" PowerWall 10kWh весит 100 кг и имеет размеры 1,3 х 0,86 х 0,18м. Таким образом, дом для средней семьи из четырех человек потребует два устройства, подключенных последовательно. Это составит 200 кг и 1,3 х 1,72 х 0,18 м или 0,4 кубических метров, что легче свинцово-кислотного аккумулятора, но занимает больше места.
Перспективы улучшения литиевых батарей
Прогрессивные технологии могут в скором времени улучшить приведенные выше цифры. Исследовательские лаборатории по всему миру работают над усовершенствованием в плане повышения удельной энергии, долговечности и безопасности литиевых батарей.
Основные направления исследований предусматривают изменение состава катода и применение новых композиций (литий-железо-фосфата или марганца-кобальта), различные соотношения или химические структуры которых могут существенно повлиять на производительность.
Изменение состава электролита, например использование органических или ионных жидкостей, может повысить удельную энергию, хотя они могут вызвать также и недопустимое увеличение производственных издержек и большей тщательности при изготовлении (особые требования к чистоте и технологической дисциплине и пр.)
Нанотехнологии
Применение наноматериалов в виде наноразмерных углеродных аналогов (графена и углеродных нанотрубок или наночастиц), может улучшить катод и анод.
Точный состав анодов и катодов в настоящее время являются коммерческой тайной, но возрастающее производство углеродных нанотрубок наводит на мысль о том, что большинство батарей для ноутбуков и телефонов в настоящее время производится с их использованием в качестве электродов.
Лабораторные батареи на их основе показали невероятно емкость, в частности для удельной энергии. Но, к сожалению, эти материалы довольно дороги, либо процесс трудно поддается массовому технологическому внедрению. Нет никаких сомнений в том, что при дальнейшем сокращении стоимости материалов и упрощении производства применение наноматериалов будет способствовать увеличению емкости, срока службы и безопасности батарей, основанных на литии.
Проточные батареи
Такая батарея состоит из двух резервуаров, заполненных электролитом и разделенных мембраной протонного обмена, которая позволяет проходить потоку электронов и ионов водорода, но ограничивает перемешивание электролита. Проточные ванадиевые аккумуляторы очень долговечны и сохраняют при этом высокую стабильность в течение всего срока эксплуатации. Конструктивно они требуют постоянной работы насоса, обеспечивающего прокачку электролита, что увеличивает их габариты.
Ванадиевые проточные батареи характеризуются плотностью энергии 10-20 Вт · ч/кг и удельной плотностью энергии 15-25 Вт · ч/л. Это означает, что для того, чтобы обеспечить хозяйство с нагрузкой в 20 кВт · ч потребуется аккумулятор с массой 900-1800 Кг, который займет объем от 0.8 до 1.33 м³.
Высокая надежность при большой массе – эта характеристика делает ванадиевые проточные батареи более подходящими для использования на крупных объектах (к примеру, на небольших электростанциях), чем в жилых домах.
