Команда исследователей из Стэнфордского университета считает, что ей удалось достичь «Святого Грааля» в разработке литиевых батарей: анод из чистого лития, который может увеличить расстояние езды электромобиля на одной зарядке до 480 км.

Литий-ионные батареи на сегодняшний день являются одним из наиболее распространенных типов аккумуляторов на рынке. Но большинство из тех, что используются в основном в устройствах смартфонов и электрических автомобилей, функционируют на основе анода, выполненного из графита и кремния. Литий в литий-ионных аккумуляторах традиционно находится в электролите. Электроны в электролите протекают к аноду во время зарядки, и если бы анод также был сделан из лития, батарея была бы способна создавать гораздо больше энергии при меньшем весе.

До сих пор, однако, литиевые аноды были непригодны для использования. Этот материал расширяется во время зарядки, образуя щели на поверхности, что приводит к освобождению ионов лития и образованию загрязнений, волосовидных наростов под названием «дендриты», которые вызывают короткое замыкание аккумулятора. Литиевые аноды также вступают в химическую реакцию с литиевым электролитом и могут перегреться, воспламениться или даже взорваться.

Проблема пожаров по вине литий-ионных батарей привлекла к себе пристальное внимание после инцидентов с тремя концептами от Tesla Motors, разбившихся и загоревшихся в прошлом году после попадания в аккумулятор дорожного мусора. Исследователи считают, что применение литиевого анода может решить подобные проблемы благодаря защитному слою из мелких углеродных куполов, называемых наносферами, которые образуют гибкий, ячеистый щит над анодом.

Ученые уверены, что благодаря малому весу и высокой плотности энергии литий имеет яркое будущее в качестве анода. Углеродная поверхность наносфер повышает эффективность дальнейшей переработки, а также уменьшает химическую реакцию. Кроме того, новая разработка перспективна в рамках финансовой стороны вопроса. Исследователи утверждают, что новый слой наносфер выгодным образом влияет на соотношение количества лития, извлеченного из батареи во время использования, к количеству возвращенного в процессе зарядки.

Ведущий специалист из группы исследователей сообщает, что в течение ближайших нескольких лет команда надеется усовершенствовать конструкцию батареи, увеличить эффективность и поддерживать ее работу в течение 500-1000 циклов.

Что это может означать для обычных пользователей? По заявлению Нобелевского лауреата Стивена Чу, входящего в состав команды ученых, благодаря разработке в ближайшем будущем мы можем ожидать мобильные телефоны с удвоенной или утроенной продолжительностью работы аккумулятора и электромобили, способные передвигаться на расстояние до 480 км на одном заряде, чья стоимость будет сопоставима с ценами на автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Изначально литий ионные батарейки предназначались для мобильных устройств будь-то телефоны, фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, но в последнее десятилетие выпуск литиевых аккумуляторов налажен и большинством автопроизводителей.

Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:

собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи - неоправданно дорогие;
очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.

Своими руками можно собрать батарею из отдельных элементов, которая будет ограничена лишь энергоплотностью и ценой за ватт-час, в зависимости от типа выбранных элементов:

NiMH - никель металогидридные;
Li-ion - литий ионные;
Li-pol - литий полимерные;
LiFePO4 - литий железо-фосфатные;
Lead-Acid - свинцово-кислотные.

Опасность перезаряда литиевых элементов

С литиевыми элементами нужно обращаться осторожно, поскольку в них сосредоточена большая энергия на малую площадь при полном заряде. Поэтому уже давно в продаже имеются защищенные Li-ion и Li-pol батарейки.

Ещё в 1991 году компания Sony обратила внимание на взрывоопасность Li-ion элементов. В настоящее время все без исключения аккумуляторы наматываются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы исключить риск внутреннего короткого замыкания. Все фирменные батарейки снабжены платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их в следующих случаях:

Аккумулятор чрезмерно разряжен - ниже 2,5 В.
Перезаряжен - свыше 4,2 В.
Подан слишком большой ток заряда - более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
Короткое замыкание.
Превышен ток нагрузки - более 5С.
Неправильная полярность при заряде.

Для дополнительной подстраховки служит термопредохранитель, размыкающий цепь при перегреве литиевого элемента свыше 90 °C.

Как найти батарею с защитой?

Литиевые аккумуляторы выпускаются в бытовом и технологическом исполнении. Батарейки для бытового использования имеют прочный пластмассовый корпус и встроенную электронную защиту. Технологические элементы, предназначенные для промышленного использования, чаще всего выпускаются в бескорпусном виде и не имеют встроенной защиты.

Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected » в названии, незащищенные - «unprotected ».
Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.

Плюсовой полюс батарейки обязательно соединяется с защитной платой тонкой пластинкой, иначе защита работать не будет.

При последовательном соединении отдельных элементов их напряжения суммируются, а ёмкость остаётся той же. Даже из одной серии батарейки имеют различные характеристики, поэтому заряжаются они с разной скоростью. Например, при заряжании до суммарного напряжения 12,6 В элемент посередине может перезарядиться до 4,4 В, что опасно его перегревом.

Дабы не происходило чрезмерного перезаряда незащищенных элементов, применяются балансировочные шлейфы, подключаемые к специальным зарядным устройствам, например: iMAX B6 и Turnigy Accucel-6.

Каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарейка бытового назначения имеет самую совершенную защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля напряжения, ключа на полевом транзисторе и термопредохранителя.

Балансировка защищённых элементов не требуется, поскольку при возрастании напряжения на каком-то из них до 4,2 В, зарядка гарантированно прервётся.

При сборке батареи из элементов без защиты есть выход из положения - поставить одну плату контроля напряжения на все батарейки, к примеру, соединив их по схеме 4S2P - 4 последовательно, 2 параллельно.

Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.

При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.

О ёмкости литиевых аккумуляторов

Ёмкость - способность аккумулятора отдавать ток, измеряемая в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). К примеру, батарейка ёмкостью в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A один час, или в 1 A два часа. Но эта зависимость тока от времени подключения нагрузки не линейна - в определённой точке графика при увеличении тока вдвое время работы батареи снижается вчетверо. Поэтому производители всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде аккумулятора чрезмерно малым током в 100 мА.

Количество энергии зависит от напряжения аккумулятора, поэтому никель металогидридные элементы при одинаковой ёмкости имеют в 3 раза меньшую энергоёмкость, чем литий ионные:

NiMH - 1,2 В * 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
Li-ion - 3,7 В * 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

При поиске и покупке аккумуляторных батареек отдавайте предпочтение известным фирмам, таким как Samsung, Sony, Sanyo, Panasonic. Батарейки этих производителей имеют ёмкость наиболее соответствующую той, что указана на их корпусе. Надпись 2600 мА на элементах Sanyo не сильно отличается от их настоящей ёмкости в 2500–2550 мА. Подделки китайских производителей с хвалёной ёмкостью в 4200 мА недотягивают и до 1000 мА, зато цена на них в два раза ниже японских оригиналов.

Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:

пайку;
соединительные коробки;
неодимовые магниты;

Пайку при заводской сборке применяют крайне редко, так как литиевый элемент разрушается от нагрева, теряя при этом часть своей ёмкости. С другой стороны, в домашних условиях пайка будет оптимальным способом соединения батареек, поскольку даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах. Пользоваться нужно мощным паяльником на 100 Вт, и прикасаться им к литиевым батареям не более чем на две секунды.

Мощные редкоземельные магниты покрываются слоем никеля или цинка, поэтому их поверхность не окисляется. Эти магниты обеспечивают прекрасный контакт между батарейками. Если захотите припаять проводок к магниту, не забывайте о температуре Кюри, свыше которой любой магнит становится камушком. Ориентировочно допустимая температура для магнитов составляет 300°С.

Если пользоваться коробком для соединения аккумуляторов, то становиться очевидным большой плюс, поскольку так легче будет подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный элемент.

Точечная сварка - наилучший способ соединения литиевых элементов, используемый при сборке батарей для ноутбуков.

Покупать готовый литиевый аккумулятор для машины или мотоцикла невыгодно, когда его можно собрать самому за более низкую цену. Можно сэкономить до 70 долларов, если не покупать новую батарею ноутбука, а самостоятельно заменить в ней элементы.

Об экономии при сборке мощных литиевых батарей для питания электроавтомобилей или систем автономного электроснабжения дома судить тяжело, так как в этих случаях присутствуют дополнительные затраты на оборудование управления и контроля.

Вам также может быть интересно

1. 1. 1. 1. А теперь по делу:
        Касательно емкости. Я понимаю так что если мотор не тянет, например, на горку, то он выдает ток короткого замыкания. Мотор не сгорит потому что в нем намотаны толстые провода.
        А вот как узнать какой он выдает максимальный ток? И как длительно его намотка внутри выдержит этот ток?
        Судя по Вашему письму Вы Человек высокообразованный, во всяком случае в физических науках, а вот я школе и институте отличник сейчас не помню элементарных азов. Отнеситесь к этому факту с пониманием- склероз старческий. Хотя считаю себя умным!!!
        Поставленные выше вопросы направлены на то чтобы ответить на главный вопрос – как будет правильно (без риска спалить АК) эксплуатировать мотор и батарею при езде по любой местности (имею в виду подъемы большие и малые)
        Понимаю так: если я своевременно буду тумблером отключать АК, и на горку вести вело вручную. то ни чего не случится.! Как узнать этот момент?
        Возможно есть специальный прибор, сигнализирующий большой ток, или тепловое реле четко, подчеркиваю четко, отключающее АК?

Сегодня мы сами сделаем этот эксперимент и вытащим столь ценный для нас металл – литий.

Нам понадобятся:
Батарейки ЛИТИЕВЫЕ

energizer. Ни алкалиновые, ни никель кадмиевые, ни какие либо другие нам не подойдут! Продаются на любом радио-рынке или хоз магазине по 80-150р за штуку.

Керосин. Дело в том, что литий – активный металл. На открытом воздухе он быстро окисляется. Поэтому его хранят в керосине. Мне кажется, уайт-спирит тоже подойдет..

Отвертки, плоскогубцы, шило, ножовка по металлу.

Обязательно наденьте резиновые перчатки перед вскрытием батарейки!

Начнем.
Сначала снимаем тонкую оболочку:

После того как отпилили кусок, отрываем его плоскогубцами и пытаемся снять оставшуюся оболочку кусачками.

После разгерметизации оболочки пошла сильная вонь по комнате. Так что старайтесь много не дышать этим и по возможности открыть окна.

Вот этот белый цилиндр разматываем и вытаскиваем литий (длинная серая пластинка, мягкая и сильно воняет)

Наливаем керосин в небольшую баночку и кидаем туда литий. Желательно делать это быстро, чтобы металл не успел потемнеть.

Вот все, что осталось от батарейки =)

Повторяю, запах очень сильный, так что работайте с открытыми окнами!
Собственно все. Отложим баночку в темное и прохладное место. Он нам еще понадобится для интересных опытов, которые я постараюсь выложить на днях.

P.S. Не удивляйтесь, что литий всплывает в керосине.. Плотность лития (0,534 г/см 3) меньше плотности керосина (0,805 г/см 3). Лишь поэтому я положил на него монетку, чтобы он не всплывал и не контактировал с воздухом.

В этом видео мы будем работать с батарейкой Varta Profeshional, из которой собираемся достать металлический литий. Обычные батарейки не содержат литий, так что они не подойдут. Обязательно будьте в перчатках и не снимайте их до конца процедуры, так как химикаты в батарейках не совсем полезны.

Первая задача – убрать этикетку. Мы проводим этот эксперимент в подвале, так как в ядре содержатся все химикаты. Эта маленькая штучка построена как крепость. Смотрите внимательно, чтобы корпус не прикасался к ядру, так как может произойти короткое замыкание. Теперь плоскогубцами или кусачками вскрываем стальной корпус. Будьте уверены, что придется потрудиться. Используйте кусачки, чтобы сжать и вырвать внутренний колпачок.

Соблюдайте эти меры предосторожности при разборе литиевой батарейки. Работайте в защитных перчатках.

Вся внешняя оболочка – это негативный заряд, а внутренний колпачок – положительный заряд. Два заряда разделены внутренней подкладкой из пластмассы. Легко случайно спровоцировать короткое замыкание в батарейке, так что будьте осторожны. Если вдруг любая часть батарейки резко нагреется, значит, произошло короткое замыкание, быстро выбросьте батарейку, прежде чем она начнет вентилировать свои электролиты. Ничего не делайте с ней, пока она не остынет.

Теперь мы освободили внутреннее ядро батарейки. Продолжаем убирать стенки корпуса, чтобы добраться до верхней части. Наконец-то, мы убрали весь внешний корпус. Теперь просто вытащите ядро. А вот и оно. Теперь разматывайте его, как ролл. Сначала, внешняя защита. Сейчас разматываем само ядро. Мертвые батарейки и замкнутые будут иметь литий более низкого качества, чем тот, что в новых. Так что лучше избежать и тех, и других.

Эта фольга, покрытая черным дисульфидом железа, служит катодом и так как она нам не нужна, то просто выбрасываем ее. Теперь освобождаем металлический литий. Он сразу начнет вступать в реакцию с воздухом, так что работайте быстро. И вот он у нас – металлический литий. Вы уже можете наблюдать за тем, как литий реагирует на воздух.

Металлический литий из батарейки

Первый тест – просто поджигаем литий. Через несколько секунд вы все увидите. Чтобы поджечь его, нужно воспользоваться зажигалкой с пьезой и любой металлической подложкой. В жизни свет был таким насыщенным, что нельзя было смотреть прямо на него, будто бы смотрели на солнце. Маленький кусочек светился так ярко, что освещал все помещение. Второй тест с литием – бросаем маленький кусочек в воду. Как вы видите, происходит мощная реакция и выделяется газ.

Я решил что свой первый пост посвящу чему-то более интересному, чем то как я докатился до такой жизни))

Мотик Suzuki SV400S "98 купленный мной прошлой осенью практически сразу захотел новый аккумулятор - тот что был моментально разряжался, не всегда включал 35-ваттную ксенонку, а стартер крутил как-то вяло и нехотя. После очередного позорного старта «с толкача» я полез по сайтам в поисках нового аккумулятора. И практически сразу закручинился - новый аккумулятор для моей Сузы от любого приличного производителя выходил не меньше 3 т.р. И это за доисторические свинцовые аккумуляторы, малоемкие, тяжелые, с низкой токоотдачей! Многим известно что у большинства свинцовых аккумуляторов есть такая малоприятная «фича» - при заявленной емкости в 12 Ач безопасно можно использовать только половину емкости, т.е. около 6 Ач. Дальнейший разряд ведет к ускоренной деградации аккумулятора и скорой его замене. Исключение составляют аккумуляторы серий «Deep Cycle» - но часто ли вы видели такую надпись?)))
Еще немного покопавшись в просторах инета я нашел более интересный вариант - аккумуляторы собранные из элементов LiFePo4.

Осторожно! Много непонятных буковок и картинок

Литий-железная химия вполне безопасна, элементы емкие и легче свинца. Многие производители также говорят про 3-4 кратное увеличение времени жизни таких батарей при условии правильной эксплуатации. И емкость элементов - честная, хорошие элементы можно разряжать почти полностью без ущерба для них и без падения токоотдачи по мере разряда! К тому же еще и более морозоустойчивые чем свинец. Нашел подходяший по размерам и параметрам вариант - Shorai LFX12A1-BS12

Цена в 5200р на тот момент не показалась завышенной - емкость даже больше заявленной для свинцового аккумулятора, размеры и вес меньше свинцового, проживет дольше. Казалось бы, щастье - вот оно! Ан нет, наметанный глаз заметил одну непонятность в описании - и вся радость куда-то делась. Я даже картинку вставил для наглядности, из официального каталога.

Итак, что мы имеем? Емкость проставлена в «свинцовом эквиваленте», т.е. читаем 12 Ач - имеем в наличии все те же 6 Ач! За такие деньги - я не согласен. Быстрый перебор информации от остальных производителей аналогичных аккумуляторов тоже не порадовал - везде небольшая емкость, где честно проставленная, а где и опять располовиненная «PB EQ».

Скажете засада?!? Не для самодельщика))
Дальше будет много терминологии понятной моделистам, электрикам и собратьям-самоделкиным. Если что - спрашивайте в комментах меня или мучайте гугля.
Два года назад я всерьез заинтересовался возможностью сборки электровелика «с нуля», таки собрал его, и вот уже года полтора использую его по назначению. Тяговая батарея собиралась из большого количества элементов и электроники для контроля ее состояния. Вот так она выглядит без чехла:

Количество проводов меня тоже пугает, да)
Навыки и информация полученная в процессе очень помогли в сборке новой батареи.

Итак, вводные: Элементы LiFePo4, максимальная емкость в пределах габаритов свинцовой батареи, максимальная токоотдача, система контроля для долгой счастливой жизни, минимальная цена.
Перекопав еще раз дебри сети нашел несколько подходящих вариантов, а финалистами стали два из них:
A123 ANR26650M1A

номинальное напряжение 3,3в
номинальная емкость 2,3 Ач
номинальный разрядный ток 30С (69А с элемента)
максимальный разрядный ток до 60С (до 138А с элемента)
номинальный зарядный ток 10С (до 23А на элемент)
размеры 26мм х 66,5мм
вес 70гр.

И ZIPPY Flightmax 3600mAh 2S2P 30C LiFePo4 Pack

номинальное напряжение 6,6в (3,3в на каждую пару элементов)
номинальная емкость 3,6 Ач (1,8 Ач на каждый элемент)
номинальный разрядный ток 30С (54А с элемента)
максимальный разрядный ток до 40С (до 72А с элемента)
номинальный зарядный ток 2С (до 3,6А на элемент)
размеры 139мм х 21мм х 45мм
вес 262гр.

В доступный нам обьем влезает 24 элемента А123 (схема 4S6P, емкость 13,8 Ач, зарядный ток до 138А, разрядный ток 414А/828А, вес 1680гр) или 8 батарей Zippy (схема 4S8P, емкость 14,4 Ач, зарядный ток до 28,8А, разрядный ток 432А/576А, вес 2100гр).
Все здорово и радостно, но теперь начинает влиять такой важный фактор как стоимость. 24 элемента А123 обойдутся примерно в 6000р., 8 батарей Zippy в 5600р, это все с доставкой. Дофига? Вот и я так подумал.
Поэтому несколько умерил свои аппетиты и заказал 6 батарей Zippy что обошлось мне в 4200р. Параметры конечно получились поскромнее, но все еще радующие глаз - схема 4S6P, емкость 10,8 Ач, зарядный ток до 21,6А, разрядный ток 324А/432А, вес 1570гр.
А в довесок, благо все в одном магазине, взял еще вот такую мелкую шнягу, которая называемся в миру Battery Checker & Balancer

Эта мелкая приблуда будет заниматься здоровьем батарейки, иначе говоря она будет выравнивать напряжение элементов батареи относительно друг друга. Единственное «но» - тестер расчитан в первую очередь для батарей LiPo, а не LiFePo4, поэтому заряд батареи в % показываться будет неверно. Балансировке элементов это не мешает. Поэтому левый уголок экрана с указателем заряда батареи я просто заклеил - нефик сбивать с толку)
Ну и мелочевка - балансировочные кабели для тестера и защитные колпачки. Пригодицца! ©

Затем при помощи Почты России был небольшой перерыв - первая посылка ехала примерно 1,5 месяца, вторая 2,5 месяца.

Наконец все приехало, и я отбалансировал все батареи по отдельности на модельном заряднике. Это чтобы не получить небольшой «бадабум» при соединении батарей между собой. Заодно проверил емкость, стабильность напряжения на элементах при разрядке ну и вообще…

Следующий этап - пайка и сборка:
1) Спаял параллельно 2 группы по 3 батареи в каждой (2S6P + 2S6P)

с другого ракурса

Попутно все зафиксировал армированным скотчем - так надежнее и меньше шансов повредить тонкие полиэтиленовые оболочки элементов.
2) Так выглядит собранная вместе начинка батареи

Два толстых провода с разьемами нужны для последовательного соединения частей батареи между собой. Также видны балансировочные выводы 2S от каждой части.
3) Распиленый на части пластиковый воздуховод послужит жестким корпусом батареи

4) Примерка

5) Стянул все армированным скотчем до полного удовлетворения, и сделал контакты «колечками» из самих выводов (подходящих контактных колечек под рукой не оказалось)

6) Поставил балансироваться, разбег между элементами минимальный

Через пару минут все сводится к общему знаменателю

И засыпает чтобы не жрать зазря мою новую батарейку

Собсно всё, дальше батарейка была установлена в надлежащее место, и работает как ей и полагается.
Т.е. ксенон включается быстро и без противного моргания, стартер крутит как заведенный, а фары можно оставить на час-два без того чтобы они разрядили батарею до нуля. Когда поставлю противоугонку - можно также оставлять ее включенной намного дольше по времени. А еще я люблю хороший свет, поэтому в скором времени буду ставить на место 35вт ксенонки что-то получше - 55/75вт или вообще диоды. Батарея позволяет)

В следующей статье я расскажу как сделал из мощных диодов габарит/стопсигнал заменивший галогеновые лампочки.

Online-сервисы