-ѕоиск по дневнику

ѕоиск сообщений в Zino

 -ѕодписка по e-mail

 

 -—татистика

—татистика LiveInternet.ru: показано количество хитов и посетителей
—оздан: 18.08.2009
«аписей: 76
 омментариев: 1
Ќаписано: 76


A123 Li-Fe аккумул€торы

ѕонедельник, 23 Ќо€бр€ 2009 г. 18:36 + в цитатник
A123

—овременна€ электроника предъ€вл€ет все более высокие требовани€ к мощности и емкости источников энергии. ¬ то врем€ как никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумул€торы вплотную приблизились к своему теоретическому пределу, литий-ионные технологии наход€тс€ только в начале пути


Li-Fe (литий фосфатные) аккумул€торы отличаютс€ не только большой емкостью, но и быстротой зар€дки. ¬сего за 15 минут можно полностью зар€дить аккумул€тор.   тому же такие аккумул€торы допускают в 10 раз больше циклов зар€дки-разр€дки, чем обычные модели. »де€ Li-Fe аккумул€тора заключаетс€ в активизации литиево-ионного обмена между электродами. — помощью наночастиц удалось развить обменную поверхность электродов и получить более интенсивный ионный поток. „тобы исключить слишком cильное нагревание и возможный взрыв электродов, авторы разработки применили в катодах вместо лити€/оксида кобальта литий/фосфат железа. Ќедостаточна€ электропроводность нового материала компенсируетс€ введением наночастиц алюмини€, марганца или титана.


ƒл€ зар€да Li-Fe аккумул€торов должно примен€тьс€ специальное зар€дное устройство с маркировкой, на которой написано, что данный тип зар€дного устройства способен работать с Li-Fe аккумул€торами, в противном случае вы погубите аккумул€тор!


ƒостоинства



  • Ѕезопасный прочный корпус, в отличие от оболочек Li-Po аккумул€торов

  • —верхбыстрый зар€д (при токе 7ј полный зар€д за 15 мин !!!)

  • ќчень большой ток отдачи 60ј – рабочий режим; 132ј – кратковременный режим (до 10-ти секунд)

  • —аморазр€д 3% за 3 года

  • –аботают на холоде (до -30 гр. —) без потери рабочих свойств

  • Ќаработка на отказ 1000 циклов (в трое больше, чем у никелевых аккумул€торов)


Ќедостатки



  • “ребуют специального зар€дного устройства (не совместимы с LiPo зар€дниками)

  • “€желее, чем Li-Po




Ќемного истории


Li-ion аккумул€торы вдвое превосход€т NiMH аналоги по емкости и почти в три раза – по удельной мощности. ѕлотность энергии Li-ion втрое выше, чем у NiMH. Li-ion выдерживает очень высокие токи разр€да, которые NiMH батареи не способны держать даже теоретически. “акже NiMH малопригодны дл€ мощных переносных инструментов, дл€ которых характерны высокие импульсные нагрузки, долго зар€жаютс€ и «живут» обычно не более 500 циклов. ’ранение NiMH – еще одна серьезна€ проблема. Ёти аккумул€торы страдают от очень высокого саморазр€да – до 20% в мес€ц, а у Li-ion этот показатель равен всего 2–5%. NiMH аккумул€торы подвержены так называемому эффекту пам€ти, свойственному также NiCd батаре€м.


Ќо и у Li-ion батарей есть свои недостатки. ќни очень дороги, требуют сложной многоуровневой электронной системы управлени€ из-за склонности к необратимой деградации при слишком глубоком разр€де или самовозгоранию при высоких нагрузках. Ётим они об€заны основному электродному материалу – кобальтату лити€ (LiCoO2). ”ченые уже несколько лет бьютс€ над поисками замены дл€ кобальта. ¬ качестве кандидатов на должность главного электродного материала будущего выступают различные соединени€ лити€ – манганаты, титанаты, станнаты, силикаты и другие. Ќо безусловным фаворитом на сегодн€шний день считаетс€ феррофосфат лити€ Li-Fe, полученный впервые еще в 1996 году профессором ƒжоном √уденафом из “ехасского университета. ƒолгое врем€ эта тема пылилась на полке, так как Li-Fe ничем выдающимс€, кроме дешевизны, не отличалс€ и его потенциал оставалс€ неизученным. ¬се изменилось в 2003 году с по€влением компании A123 Systems.


’арактеристики Li-Fe аккумул€торов


 ак и все аккумул€торы Li-Fe имеет несколько основных электрических параметров:


Ќапр€жение полностью зар€женного элемента: ” Li-Fe составл€ет пор€дка 3,65¬, ¬ св€зи с особенност€ми данной технологии эти элементы не сильно бо€тс€ перезар€да (по крайней мере он не вызывает возгорание и взрыв как это происходит с элементами на основе кобальтата лити€ Li-Ion, Li-Pol) хот€ производители крайне не рекомендуют зар€д выше 3,9¬ и только несколько зар€дов до 4,2¬ за всЄ врем€ жизни элемента.


Ќапр€жение полностью разр€женного элемента: «десь рекомендации производителей несколько расход€тс€, некоторые рекомендуют разр€жать элементы до 2,5¬, некоторые до 2,0¬. Ќо в любом случае по практике эксплуатации всех типов аккумул€торов установлено что чем меньше глубина разр€да тем больше циклов этот аккумул€тор может пережить, а колличество энергии которое приходитс€ на последние 0,5¬ разр€да (дл€ Li-Fe) составл€ет лишь несколько процентов от его емкости.


Ќапр€жение средней точки: у элементов данной технологии у разных производителей варьируетс€ (за€вл€етс€) от 3,2¬ до 3,3¬. Ќапр€жение средней точки это напр€жение которое вычисл€етс€ на основании кривой разр€да и предназначено дл€ вычислени€ габаритной Ємкости аккумул€тора котора€ выражаетс€ в Wh (ватт часы) дл€ этого напр€жение средней точки умножают на Ємкость по току т.е например у вас имеетс€ элемент имеющий Ємкость 1,1јч и напр€жение средней точки 3,3¬ то его габаритна€ Ємкость равна 3,3*1,1=3,65Wh. (ћногие часто путают напр€жение средней точки с напр€жением полностью зар€женного элемента.)


¬ св€зи с этим хотелось бы обратить внимание на ““’ батарей, а точнее на напр€жение средней точки 36¬ и 48¬ Li-Fe батареи. “ак вот напр€жение в 36¬ и 48¬ указанны условно в прив€зке к более привычной дл€ многих свинцово-кислотной батарее, а точнее к напр€жению средней точки 3 или 4 свинцово-кислотных батарей на 12¬ соединЄнных последовательно. ” Li-Fe батареи на 36¬ последовательно подключены 12 €чеек (элементов) что составл€ет 3.2*12=38,4¬ (дл€ 48¬ батареи 3,2*16=51,2¬) что несколько выше средних точек свинцово-кислотных батарей, т.е при равных Ємкост€х (в јч) Li-Fe батаре€ имеет бќльшую габаритную емкость чем свинцово-кислотна€ батаре€.


Ќа данный момент основной производственной базой по изготовлению Li-Fe элементов €вл€етс€  итай. “ам расположенны заводы как известных фирм (A123System, BMI) так и заводы никому неизвестных компаний. ћногие продавцы готовых батарей (торгующих ими в розницу) за€вл€ют что они €вл€ютс€ и изготовител€ми самих элементов что на поверку оказываетс€ неправдой.  рупные производители элементов производ€щие их тиражами в миллионы штук в год не заинтересованны в работе с розничными клиентами и просто игнорируют вопросы о продаже дес€тков штук элементов, или предлагают сделать закупку в объЄмах от нескольких тыс€ч штук. “ак же есть небольшие предпри€ти€ на которых полукустарным способом изготавливают элементы небольшими парти€ми, но качество подобных элементов крайне низкое, причина тому: отсутствие высококачественных материалов, оборудовани€ и низка€ технологическа€ дисциплина. “акие элементы имеют очень большой разброс по Ємкости и внутреннему сопротивлению  в пределах даже одной партии. “ак же на рынке сборки готовых батарей присутствуют элементы выпущенные крупными производител€ми но в силу того что они не прошли отбраковку по определЄнным параметрам (Ємкость, внутреннее сопротивление, падение напр€жени€ при хранении) они не попадают на рынок и должны пройти утилизацию. ¬от эти элементы и €вл€ютс€ основой дл€ сборки батарей мелкими кустарными предпри€ти€ми. ќсновное отличие подобных элементов от элементов кондиционного качества выпущенного крупными производител€ми – это отсутствие маркировки на каждом элементе. ћаркировка наноситс€ на заводе изготовителе при финальных тестах и служит идентификатором завода изготовлел€, даты и смены изготовлени€. Ёта информаци€ необходима дл€ крупных производителей чтобы в дальнейшем отслеживать качество элементов при эксплуатации и в случае претензий иметь возможность найти причину проблемы.  ак вы сами понимаете дл€ тех кто выпускает элементы в кустарных услови€х смысла в подобной операции нет.
ѕо этим ссылкам можно посмотреть тесты наиболее известных производителей элементов:



 стати что интересно по результатам проверок почти все производители за€вл€ют Ємкость больше, чем она есть в наличии (исключение только у A123 system), а у  Huanyu вообще на четверть ниже за€вленной.


Ќеожиданное открытие


A123 Systems – необычна€ компани€. ¬ разговорах ее сотрудники, от р€дового инженера до президента, частенько повтор€ют одну фразу, которую не часто услышишь в наши дни: «ћы находимс€ только в начале дороги. ѕройд€ по ней до конца, мы перевернем мир!» »стори€ A123 Systems началась в конце 2000 года в лаборатории профессора …ет ћин „анга из ћассачусетсского технологического института (MIT). „анг, долгое врем€ работавший над Li-ion технологи€ми, почти случайно обнаружил потр€сающий феномен. ѕри определенном воздействии на коллоидный раствор электродных материалов структура батареи начинала самовоспроизводитьс€! —илы прит€жени€ и отталкивани€ зависели от множества факторов – размеров, формы и количества самих частиц, свойств электролита, электромагнитного пол€ и температуры. „анг провел детальные исследовани€ физико-химических свойств электродных наноматериалов и определил базовые параметры запуска процесса спонтанной самоорганизации. ѕолученные батареи обладали удельной емкостью, на треть превышающей емкость обычных батарей на основе кобальтата лити€, и выдерживали сотни циклов зар€да-разр€да. ћикроструктура электродов, созданна€ естественным путем, позвол€ла на пор€док увеличить общую площадь активной поверхности и ускорить ионообмен, что в свою очередь повышало емкость и производительность батареи.


—амоорганизаци€ по методу „анга выгл€дит следующим образом: смесь наночастиц оксида кобальта и графита помещаетс€ в корпус будущей батареи, добавл€етс€ электролит и создаютс€ необходимые внешние услови€ – температура, электромагнитное поле и давление. „астицы оксида кобальта прит€гиваютс€ друг к другу, но отталкивают частицы графита. ѕроцесс длитс€ до тех пор, пока силы прит€жени€ и отталкивани€ не достигнут равновеси€. ¬ результате образуетс€ пара анод–катод, полностью разделенна€ интерфазой – электролитом. «а счет одинакового размера наночастиц „ангу в лабораторных услови€х удалось создать образцы батарей с заданными параметрами емкости и производительности. ƒальнейшее изучение этого феномена и разработка технологии производства на его основе сулили фантастические перспективы. ѕо расчетам „анга, емкость аккумул€торов можно было бы удвоить в сравнении с существующими аналогами, а себестоимость – снизить наполовину. ћетод самоорганизации позвол€л создавать батареи любой формы размером меньше спичечной головки, в том числе непосредственно внутри самих потребителей тока.


Ўаг в большой бизнес


¬ то врем€ инженер-электрохимик Ѕарт –айли работал в компании American Semiconduct or, выпускавшей широкую номенклатуру полупроводников. — „ангом его св€зывали давнее знакомство и общие научные интересы.  огда „анг рассказал –айли о своей неожиданной находке, иде€ создани€ бизнеса на основе феномена самоорганизации родилась практически сразу. Ќо ни тот, ни другой не имели пон€ти€, как создаютс€ компании. “ретьим основателем ј123 Systems стал –ик ‘улап, предприниматель, умеющий превращать хорошие идеи в большие деньги.   своим 26 годам ‘улап успел создать с нул€ и запустить на просторы большого бизнеса уже п€ть компаний. ќднажды в научном журнале MIT ‘улап наткнулс€ на статью профессора „анга, посв€щенную литий-ионным технологи€м. Ќе пон€в ничего из прочитанного, –ик набрал телефонный номер профессора. ¬ ответ на предложение зан€тьс€ бизнесом по производству углеродных нановолокон „анг ответил, что у него есть иде€ получше, и ‘улап не смог уснуть до утра.


ѕервым делом компаньоны сумели получить лицензию от MIT на промышленное использование методики самоорганизации батарей и выкупить права на полученный в лаборатории „анга катодный материал – литийфосфат железа. ќн не имел никакого отношени€ к феномену самоорганизации, но ‘улап решил, что права на Li-Fe не помешают. Ќе пропадать же добру!   тому же „анг получил специальный грант дл€ продолжени€ исследований по Li-Fe. ¬ сент€бре 2001 года –ик ‘улап уже моталс€ по венчурным фондам в поисках подъемных средств. ≈му удалось создать конкуренцию среди инвесторов, подогрева€ ее все новыми и новыми сообщени€ми в прессе о фантастических рыночных перспективах Li-ion батарей.


”же в декабре 2001 года на счета компании поступили первые $8 млн. „ерез четыре мес€ца после начала работы над проектом, в апреле 2002 года, в дело вошли лидеры рынка мобильной электроники Motorola и Qualcomm, увидевшие в новой технологии громадный потенциал. Ѕарт –айли с улыбкой вспоминает, как на какой-то конференции ‘улап подскочил к ѕолу ƒжекобсу, вице-президенту Qualcomm. ¬ течение минуты, чуть ли не держа ƒжекобса за лацкан пиджака, –ик сумел доходчиво объ€снить тому преимущества технологии A123 перед конкурентами, а еще через несколько секунд поставил вопрос ребром – инвестируйте сегодн€, завтра будет поздно! » через пару дней ƒжекобс прин€л верное решение. ¬скоре в числе инвесторов A123 оказались: знаменита€ компани€ Sequoia Capital, на деньги которой в свое врем€ были созданы Google и Yahoo, General Electric, Procter & Gamble и многие другие крупные компании.


«апасной парашют


  началу 2003 года работа зашла в тупик. ќказалось, что многообещающа€ технологи€ работает только отчасти – процесс самоорганизации оказалс€ неустойчивым. ¬озникли серьезные сложности с технологией получени€ однородных по размеру и свойствам частиц электродных наноматериалов.  ак следствие, рабочие характеристики продукта «плавали» в диапазоне от выдающихс€ до никуда не годных. —рок службы полученных батарей значительно уступал имеющимс€ аналогам из-за слабости кристаллической решетки электродов. ќна попросту разрушалась за несколько циклов разр€да. „анг пон€л, что до создани€ промышленной технологии идеальных аккумул€торов еще очень далеко. ѕроект затрещал по швам…


  тому времени работа над феррофосфатом лити€ дала неожиданные результаты. ѕоначалу электрические свойства фосфата железа выгл€дели весьма скромно. ѕреимуществами Li-Fe над LiCoO2 были его нетоксичность, дешевизна и меньша€ чувствительность к нагреву. ¬ остальном же феррофосфат значительно уступал кобальтату – на 20% по энергоемкости, на 30% по производительности и по количеству рабочих циклов. ј значит, батаре€ с катодом из первичного Li-Fe не годилась дл€ мобильной электроники, где емкость имеет первостепенное значение. ‘еррофосфат требовал глубокой модификации. „анг начал экспериментировать с добавлением ниоби€ и других металлов в структуру электрода и уменьшением размеров отдельных частиц Li-Fe до ста нанометров. » материал буквально преобразилс€! Ѕлагодар€ возросшей в тыс€чи раз площади активной поверхности и улучшению электропроводности за счет введенных золота и меди батареи с катодом из наноструктурированного Li-Fe превосходили обычные кобальтовые по токам разр€да в дес€ть раз.  ристаллическа€ структура электродов со временем практически не изнашивалась. ƒобавки металлов усиливали ее, как арматура усиливает бетон, поэтому количество рабочих циклов батареи возросло более чем в дес€ть раз – до 7000! ‘актически така€ батаре€ способна пережить несколько поколений приборов, которые она питает.  роме того, ничего нового в технологии производства создавать под Li-Fe не пришлось. Ёто означало, что продукт, который сделали –айли, „анг и ‘улап, готов к немедленному массовому производству.


«≈сли у вас небольша€ компани€ и ограниченное финансирование, обычно вы фокусируетесь на чем-нибудь одном, – говорит –айли. – Ќо оказалось, что у нас в кармане целых две идеи! »нвесторы требовали продолжать работу над первоначальной темой проекта, а нанофосфат оставить до лучших времен. Ќо мы поступили по-своему. Ќа новое направление мы бросили небольшую команду инженеров. ѕеред ними была поставлена конкретна€ цель – разработка технологии промышленного производства катодного наноматериала».  ак оказалось впоследствии, это упр€мое решение спасло весь проект от краха. ѕосле первых очевидных успехов по нанофосфату дальнейшие работы по самоорганизации были отложены в долгий €щик, но не забыты. ¬едь истори€ когда-нибудь может повторитьс€ с точностью до наоборот.


»ндустриальный гигант


Ѕуквально через мес€ц после этого A123 заключила судьбоносный контракт со знаменитой компанией Black & Decker. ќказалось, что Black & Decker уже несколько лет вела разработку нового поколени€ строительного электроинструмента – мобильных и мощных переносных устройств. Ќо внедрение новинки задерживалось из-за отсутстви€ подход€щего источника тока. NiMH и NiCd батареи не подходили компании по весу, размеру и рабочим характеристикам. ќбычные Li-ion аккумул€торы были достаточно емкими, но не обеспечивали высокий ток нагрузки и при быстром разр€де так нагревались, что могли загоретьс€.  роме того, врем€, нужное дл€ их зар€да, было слишком велико, а переносной инструмент должен быть всегда наготове. јккумул€торы ј123 идеально подходили дл€ этих целей. ќни были очень компактны, мощны и абсолютно безопасны. ¬рем€ зар€да до 80% емкости составл€ло всего 12 минут, а при пиковых нагрузках Li-Fe батареи развивали мощность, превышающую мощность сетевых инструментов! ќдним словом, Black & Decker нашел именно то, что искал.


  тому времени у ј123 был только опытный образец батареи размером с дес€тицентовую монету, а Black & Decker нуждалс€ в миллионах реальных аккумул€торов. ‘улап и –айли провели гигантскую работу по созданию собственных производственных мощностей и уже через год после подписани€ контракта начали серийный выпуск товарной продукции в  итае. Ёнерги€ и напор ‘улапа в сделке с Black & Decker позволили A123 в кратчайшие сроки войти в большую индустриальную обойму. «а неполные шесть лет компани€ из ћассачусетса выросла из чистой идеи до крупного научно-производственного комплекса с шестью заводами и штатом из 900 сотрудников. —егодн€ A123 Systems €вл€етс€ обладателем 120 патентов и патентных за€вок в области электрохимии, а ее исследовательский центр по литий-ионным технологи€м считаетс€ самым лучшим в —еверной јмерике.


Ќо компани€ не останавливаетс€ на достигнутом. «а последние полтора года были радикально улучшены свойства исходного нанофосфата и разработаны новые виды электролитов. —озданы более совершенные и надежные электронные системы управлени€ зар€дом. –азработаны несколько видов дизайна пакетов батарей дл€ применени€ в различных област€х техники. Ќо главный шаг вперед – это, конечно же, разработка аккумул€тора дл€ будущего гибридного автомобил€ Chevrolet Volt.


ѕо материалам статьи ¬ладимира —анникова


ƒополнительные материалы







 

ƒобавить комментарий:
“екст комментари€: смайлики

ѕроверка орфографии: (найти ошибки)

ѕрикрепить картинку:

 ѕереводить URL в ссылку
 ѕодписатьс€ на комментарии
 ѕодписать картинку