Свинцево-кислотний або літій-іонний акумулятор? Хто переможе?

1. Історія застосування акумуляторних батарей
2. хімічні особливості
3. Свинцево-кислотна батарея
4. зарядка
5. Підрахунок заряду і зв'язок
6. прямі заміни
7. висновки

Споживчий ринок літій-іонних (Li-ion) акумуляторів величезний - близько $ 10 млрд, при цьому він досить стійкий, темп зростання становить всього 2% в рік. А як же електромобілі, запитаєте ви? Дійсно, в найближчі роки, в зв'язку розвитком електромобілів, прогнозується темп щорічного зростання літій-іонних акумуляторів в 10%. На подив, найбільшою областю зростання ринку Li-ion батарей і раніше залишається «все інше», починаючи від мобільних телефонів і закінчуючи вилковими навантажувачами.

«Інші» додатка для літій-іонних акумуляторів, як правило, мають одну спільну рису - це пристрої, які отримують живлення від запечатаних свинцево-кислотних батарей (англ. Sealed lead acid (SLA)). За останні майже 200 років свинцево-кислотні батареї зайняли лідируючу позицію на ринку електроніки, але вони ось уже кілька років витісняються з ринку літій-іонними акумуляторами. Оскільки в багатьох випадках літій-іонні батареї стали замінювати свинцево-кислотні батареї (акумулятори), варто порівняти ці два види накопичувачів енергії, підкресливши основні технічні особливості і економічну доцільність застосування Li-ion замість традиційних SLA пристроїв.

Історія застосування акумуляторних батарей

Свинцево-кислотна батарея - перша батарея, розроблена для комерційного використання в 1850-х роках. Незважаючи на досить пристойний вік в більш ніж 150 років, вони як і раніше активно застосовуються в сучасних пристроях. Більш того, вони активно застосовуються в додатках, де, здавалося б, цілком можливо обійтися сучасними технологіями. Деякі поширені пристрої цілком активно застосовують СКБ, такі як джерела безперебійного живлення (ІБП), гольфкар або вилочні навантажувачі. Дивно, але ринок свинцево-кислотних акумуляторів і раніше росте для певних ніш і проектів.

Перше, досить відчутне нововведення в свинцево-кислотну технологію прийшло в 1970-і роки, коли були винайдені герметичні СКБ або не обслуговуються СКБ. Дана модернізація полягала в появі спеціальних клапанів для стравлювання газів при зарядці / розрядки акумуляторів. Крім того, застосування зволоженого сепаратора уможливило експлуатувати акумулятор в похилому положенні без протікань електроліту.

СКБ, або англ. SLA, часто класифікують за типом або застосування. В даний час найбільш поширеними є два типи: гель, відомий також як свинцево-кислотна батарея з регульованим клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) і абсорбуючий скляний мат (absorbent glass mat AGM). Акумулятори AGM використовуються для невеликих ИБП, аварійного освітлення і інвалідних колясок, в той час як VRLA призначається для додатків більшого формату, таких як резервне живлення для стільникових ретрансляційних щогл, інтернет-центрів і навантажувачів. Свинцево-кислотні акумулятори також можна класифікувати за такими ознаками: автомобільні (стартер або SLI - запуск, освітлення, запалювання); тягові (тяга або глибокий цикл); стаціонарні (джерела безперебійного живлення). Основним недоліком SLA у всіх цих додатках є життєвий цикл - якщо вони багаторазово розряджаються, вони сильно пошкоджуються.

Дивно, але свинцево-кислотні акумулятори були безперечними лідерами ринку акумуляторних батарей протягом багатьох десятиліть, аж до появи літій-іонних батарей в 1980-х роках. Літій-іонна батарея являє собою акумуляторну осередок, в якій іони літію рухаються від негативного електрода до позитивного під час розряду, і навпаки під час заряду. Літій-іонні акумулятори використовують інтеркалірованних літієві з'єднання, але не містять металевого літію, який використовується в одноразових батареях.

Літій-іонний акумулятор вперше був винайдений в 1970-х роках. У 1980-х на ринок була випущена перша комерційна версія батареї з катодом на основі оксиду кобальту. Даний тип пристроїв мав значно більші можливості по вазі і ємності, в порівнянні з системами на нікелевої основі. Нові літій-іонні акумулятори сприяли величезного зростання ринку мобільних телефонів і ноутбуків. Спочатку, з міркувань безпеки, вводилися більш безпечні варіанти, які включали добавки на основі нікелю і марганцю в кобальт-оксидний матеріал катода, на додаток до інновацій в будівництві клітин.

Перші літій-іонні елементи, представлені на ринку, були в жорстких алюмінієвих або сталевих банках, і, як правило, мали тільки кілька форм-факторів циліндричної або призматичної (форма цегли) форми. Однак, з розширенням спектра застосування літій-іонної технології почали змінюватися і їх габаритні розміри.

Наприклад, менш дорогі версії старішої технології застосовуються в ноутбуках і стільникових телефонах. Сучасні тонкі літій-полімерні елементи використовуються в смартфонах, планшетах і носяться пристроях. В даний час літій-іонні акумулятори використовуються в електроінструментах, електричних велосипедах та інших пристроях. Така варіація віщує повну заміну свинцево-кислотних пристроїв в усі нових і нових додатках, спрямованих на поліпшення габаритних і силових показників.

хімічні особливості

Фундаментальні основи хімічних процесів в осередках надають свинцево-кислотних та літій-іонним пристроям певні властивості і різні ступені функціональних можливостей. Нижче наведені деякі переваги свинцево-кислотних акумуляторів, які зробили його основним протягом десятиліть і недоліки, які тепер призводять до його заміни, а також подібні аспекти для літій-іонних пристроїв.

Свинцево-кислотна батарея

• СКБ проста, надійна і недорога. Її можна використовувати в широкому діапазоні температур.
• Батареї повинні зберігається в постійно зарядженому стані (SoC) і вони не піддаються швидкій зарядці.
• СКБ мають велику вагу. Їх гравіметрична щільність енергії дуже мала.
• Життєвий цикл зазвичай становить від 200 до 300 розрядів / зарядів, що дуже мало.
• Крива заряду / розряду дозволяє вимірювати SOC з простим контролем напруги.

Літій-іонна батарея

• Мають максимальну щільність енергії за розміром і вагою.
• Життєвий цикл зазвичай становить від 300 до 500, але може вимірюватися і тисячами для літій-фосфатних осередків;
• Дуже малий діапазон робочих температур;
• Доступні різні розміри осередків, форми та інші можливості;
• Немає необхідності в технічному обслуговуванні. Рівень саморазряда дуже малий.
• Потрібно реалізація схем з безпеки експлуатації. Складний алгоритм зарядки.
• Вимірювання SoC вимагає непростих рішень через нелінійність кривої напруги.

електроніка

Важливо розуміти різницю між акумуляторною батареєю, вона і акумулятором. Осередок - основний складовий елемент пакета. Крім цього, в пакет ще входить електроніка, роз'єми і корпус. На малюнку вище показані приклади даних пристроїв. Літій-іонна акумуляторна батарея повинна мати, як мінімум, реалізовані схеми захисту і управління осередком, а зарядний пристрій і система вимірювання напруги набагато складніше, ніж в свинцево-кислотних пристроях.

При використанні літій-іонних і свинцево-кислотних акумуляторів, основні відмінності в електроніці будуть полягати в наступному:

зарядка

Зарядка свинцево-кислотного акумулятора досить проста при дотриманні певних порогів напружень. В літій-іонних батареях використовують більш складний алгоритм, за винятком пакетів на основі фосфату заліза. Стандартний метод заряду для таких пристроїв - метод постійного струму / постійної напруги (CC / CV). Він включає в себе двоетапний процес зарядки. На першому етапі відбувається заряд з постійним струмом. Триває це до тих пір, поки напруга на осередку не досягне певного порогу, після чого напруга залишається постійним, а струм знижується за експоненціальним законом, поки не досягне значення відсічення.

Підрахунок заряду і зв'язок

Як згадувалося раніше, заряд СКБ можна вимірювати простими засобами вимірювання напруги. При використанні літій-іонних акумуляторів необхідний контроль рівня заряду осередків, для чого необхідна реалізація складних алгоритмів і циклів навчання.

I2C є найбільш поширеним і економічним протоколом зв'язку, що використовуються в літій-іонних акумуляторах, але він має обмеження щодо завадостійкості, цілісності сигналу на відстані і загальної смуги пропускання. SMBus (шина управління системою), похідна від I2C, дуже поширена в батареях меншого розміру, але в даний час не має будь-якої ефективної підтримки для потужних або більших пакетів. CAN прекрасно підходить для середовищ з високим рівнем шуму або там, де потрібні тривалі прогони, наприклад у багатьох СКБ-додатках, але це коштує досить дорого.

прямі заміни

Слід підкреслити, що нині існує кілька стандартних форматів свинцево-кислотних батарей. Наприклад - U1, стандартний форм-фактор, який використовується в додатках резервного живлення медичного обладнання. Літій-залізо-фосфатний акумулятор виявився цілком гідною заміною свинцево-кислотних. Фосфат заліза володіє чудовим життєвим циклом, хорошою провідністю зарядів, поліпшеною безпекою і низьким опором. Напруження літій-залізо-фосфатних акумуляторів також добре узгоджуються з напругою свинцево-кислотних (12 В і 24 В), що дозволяє використовувати одні і ті ж зарядні пристрої. Програмні пакети для обслуговування і контролю батарей включають в себе інтелектуальні функції, такі як відстежування заряду, лічильник циклів заряду / розряду і інші.

Літій-залізо-фосфатні батареї зберігають 100% ємності при зберіганні, на відміну від СКБ батарей, які втрачають ємність протягом декількох місяців зберігання. На малюнку вище порівнюються два продукти і типи досягнень, досягнутих під час переходу від СКБ до Li-ion.

висновки

Дуже мало існує батарей, які здатні зберігати стільки ж енергії, як свинцево-кислотні, що робить даний вид акумуляторів економічно вигідним для багатьох потужних пристроїв. Літій-іонні акумулятори постійно знижується в ціні, а також постійні вдосконалення їх хімічних структур і систем безпеки робить їх гідним конкурентом свинцево-кислотної технології. Пристрої для їх застосування можуть бути найрізноманітніші, починаючи від пристроїв безперебійного живлення, до електромобілів і безпілотників.