Электрическая батарея: Востребованные электрические батареи отопления и их практичность

Содержание

История возникновения электрических батарей и аккумуляторов

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
Опубликовано 27.02.2016 11:48
Автор: Abramova Olesya


Одним из самых значимых и удивительных достижений человечества за последние 400 лет можно назвать развитие науки об электричестве. Вы можете спросить: «Электричество доступно человечеству целых 400 лет?». Ответ будет — даже больше. Только вот полезные качества этого явления, которые можно применять в повседневной жизни, стали доступны лишь во второй половине 1800-х, да и то в весьма ограниченном виде. Одним из самых ранних событий, привлекшем массовое внимание, было применение электричества для освещения Всемирной Колумбовой выставки 1893 года (использовалось 250 000 электрических ламп) и для иллюминации моста через Сену в течение Всемирной выставки в Париже в 1900 году.

Но история находит свидетельства использования электричества людьми даже еще раньше.

В 1936 году, при строительстве железной дороги, рабочие обнаружили древний артефакт, который оказался доисторической батарейкой, также известной как Багдадская батарея. Объект относится к парфянскому периоду, и его возраст составляет около 2000 лет. Батарея состояла из глиняного сосуда, заполненного уксусным раствором, в который помещался медный цилиндр с железным прутом посередине. Это устройство могло обеспечивать напряжение от 1.1 до 2.0 вольт. На рисунке 1 изображена Багдадская батарея.

Рисунок 1: Багдадская батарея. Глиняный сосуд доисторической батареи содержит железный прут, окруженный медным цилиндром. При заполнении уксусом или раствором электролита сосуд производил напряжение от 1.1 до 2.0 вольт.

Но не все ученые согласны с тем, что Багдадская батарея была источником электроэнергии. Возможно, это устройство использовалось для гальванопокрытия, например, для нанесения слоя золота или другого драгоценного металла на определенную поверхность. Говорят, что египтяне умели наносить слой сурьмы на медь с помощью гальванизации еще 4300 лет назад. Археологические данные также свидетельствуют о том, что еще в Древнем Вавилоне впервые была открыта и применена техника гальванизации для изготовления ювелирных украшений, которая использовала в качестве электролита виноградный сок. Парфяне, которые правили Багдадом (около 250 до н. э.), возможно, могли использовать эти “батареи” для электролиза серебра.

Одни из самых ранних способов генерации электричества в более современное время были электростатические эксперименты. В 1660 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, который, если его потереть или раскрутить, притягивал перья и маленькие кусочки бумаги. Также фон Герике удалось доказать, что полученные в ходе экспериментов искры имеют электрическую природу.

В 1744 году Эвальд Юрген фон Клейст разработал “лейденскую банку”, которая хранила статический заряд в стеклянном сосуде, оклеенном внутри и снаружи металлической фольгой, которая выступала в роли электрода.

По сути “лейденская банка” была прообразом современного конденсатора. В те времена ученые, и в их числе Питер ван Мушенбрук, который независимо от фон Клейста проводил подобные эксперименты, предполагали, что электричество является текучим веществом, и его можно “накопить” в сосуде. Но эти предположения о природе электричества не были верны, и ученым в процессе познания электричества приходилось сталкиваться со многими трудностями.

Первым практическим использованием статического электричества стал “электрический пистолет”, который изобрел Алессандро Вольта (1745-1827). Он думал о разработке системы для дистанционной связи, которая могла бы использовать одно логическое состояние. Предполагалось, что железная проволока, поддерживаемая деревянными опорами, будет протянута от городка Комо к Милану, что в Италии. На принимающей стороне конец проволоки должен был находиться в сосуде с метаном. Чтобы сигнализировать о неком событии, по проволоке посылался электрический разряд, целью которого была детонация газа. Но эта конструкция, к сожалению, так и не была построена. Рисунок 2 демонстрирует карандашное изображение Алессандро Вольта.

Рисунок 2: Алессандро Вольта, изобретатель электрической батареи.

“Открытие Вольта разложения воды электрическим током заложили основы электрохимии. Courtesy of Cadex”

В 1791 году, работая в университете Болоньи, Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются при прикосновении к ним металлического объекта. Это явление стало известно как “животное электричество”. Движимый результатами этих экспериментов, Вольта инициировал новую серию исследований, включив туда цинк, свинец, олово и железо в качестве положительных электродов (катод) и медь, серебро, золото, графит в качестве отрицательных (анод). Интерес к гальваническому электричеству стал широко распространятся.

В 1800 году Вольта обнаружил, что определенные жидкости могут генерировать непрерывный поток электрического тока, когда они используются как среда для погружения электродов. Это открытие привело к изобретению первого гальванического элемента, более известного под названием электрическая батарея. Вольта также обнаружил, что напряжение можно увеличить, если последовательно соединить несколько гальванических элементов. Рисунок 3 демонстрирует такое соединение.

 

Серебро (А) и цинк (Z) погружены в чашки, заполненные электролитом, и соединены последовательно.

Последовательно соединенные электроды из серебра и цинка, разделенные бумагой, пропитанной электролитом.

Рисунок 3: Эксперименты Вольта с электрическими батареями в 1796 году.

 

Металлы в батарее имеют различное сродство к электрону. Вольта заметил, что чем сильнее разнится значение сродства к электрону у металлов, используемых как материал для электрода, тем сильнее становится и потенциал напряжения между ними. Первое значение в нижеследующем списке демонстрирует сродство к привлечению электронов, второе — степень окисления.

  • Цинк = 1.6 / -0.76 V
  • Свинец = 1.9 / -0.13 V
  • Олово = 1.8 / -1.07 V
  • Железо = 1.8 / -0.04 V
  • Медь = 1.9 / 0.159 V
  • Серебро = 1.9 / 1.98 V
  • Золото = 2.4 / 1.83 V
  • Графит = 2.5 / 0.13 V

Металлы определяли напряжение батареи; они были разделены влажной бумагой, смоченной в соленой воде.

В том же году Вольта представил сконструированный им источник непрерывного электрического тока Лондонскому королевскому обществу. Эксперименты в области электричества больше не были ограничены моментальным разрядом источника электростатического тока. Нескончаемый поток электрического тока стал возможен.

Франция стала одной из первых стран, где открытия Алессандро Вольта получили официальное признание. Это было в то время, когда наука во Франции поддерживалась на самом высоком политическом уровне и новые идеи встречались с распростертыми объятиями. Будучи официально приглашенным, Вольта выступил в Институте Франции с серией лекций, на которых присутствовал и Наполеон Бонапарт (смотрите рисунок 4).

Рисунок 4: Эксперименты Вольта в Институте Франции.

Открытия Вольта настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года он был приглашен Французским Национальным Институтом прочитать ряд лекций, на которых присутствовал Наполеон Бонапарт. Наполеон даже выступил в роли помощника при демонстрации таких явлений как искровой разряд, плавление стальной проволоки, разряжение “электрического пистолета” и разложение воды на элементы.

В 1800 году сэр Гемфри Дэви, изобретатель взрывобезопасной шахтной лампы, начал изучать химические эффекты электричества и выяснил, что, проходя через вещество, электрический ток вызывает его разложение. Этот процесс впоследствии был назван электролизом.

Он сделал множество новых открытий с помощью собранной им самой большой и мощной на тот момент электрической батареи, которая хранилась в запасниках Королевского института в Лондоне. Подключение к батарее угольного электрода породило первый в истории электрический свет. Очевидцы сообщали, что его угольная дуговая лампа производила «самую выдающуюся восходящую арку света из когда-либо виденных».

В 1802 году Уильям Крюйкшенк создал электрическую батарею, пригодную для массового производства. Крюйкшенк расположил в длинной прямоугольной коробке спаянные между собой квадратные листы меди и цинка одинакового размера. Прорези в стенках ящика удерживали металлические листы в нужном положении. Затем ящик заполнялся электролитом — морской водой или разбавленной кислотой. Эта конструкция уже была похожа на современную батарею. На рисунке 5 показана мастерская Крюйкшенка по производству батарей.

Рисунок 5: Крюйкшенк и его первая батарея.

Уильям Крюйкшенк, английский химик, сконструировал гальванический элемент путем соединения медных и цинковых пластин в деревянной коробке, заполненной электролитом.

В 1836 году Джон Ф. Даниель, английский химик, разработал усовершенствованную модель батареи, которая генерировала более устойчивый ток, чем ранние устройства. К этому времени все электрические батареи были первичными, то есть их нельзя было зарядить. Но в 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел первую аккумуляторную батарею. Она была основана на свинцово-кислотной системе, которая используется и по сей день.

В 1899 году Вальдмар Юнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd), в котором никель использовался для положительного электрода (катод), и кадмий для отрицательного (анод). Но высокая себестоимость по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором заметно ограничила его использование.

Два года спустя Томас Эдисон разработал альтернативную конструкцию аккумулятора, заменив кадмий железом. Но низкая удельная энергия, слабая производительность при низких температурах и высокие показатели саморазряда ограничили успех никель-железных аккумуляторов. Так было до 1932 года, когда немецкие ученые Шлехт и Аккерман смогли достичь более высокого показателя тока нагрузки, а также заметно увеличили продолжительность срока эксплуатации NiCd аккумулятора, используя технологию прессованния пластин. В 1947 году французскому ученому Нойману удалось сконструировать герметичный NiCd аккумулятор.

В течение многих лет никель-кадмиевые аккумуляторы были единственно возможными аккумуляторами для портативных устройств. В 1990-х экологов стали беспокоить факты загрязнения окружающей среды, вызванные неправильной утилизацией NiCd аккумуляторов; в связи с этим производители стали переходить на более экологически чистые никель-металлгидридные (NiMH) батареи. Вскоре также появилась литий-ионная технология, которая стала теснить никелевые батареи.

Большинство научно-исследовательских усилий сегодня направлены на развитие именно литий-ионной технологии. Эта технология сейчас используется для производства аккумуляторов не только для мобильных телефонов, ноутбуков, фототехники, электроинструмента и медицинского оборудования, но также и для электромобилей и спутников. Литий-ионный аккумулятор имеет ряд преимуществ, таких как высокая удельная энергия, простой процесс заряжания, низкие эксплуатационные расходы и экологическая безопасность.

3. Электричество посредством магнетизма

Идеи о получении электричества с помощью магнетизма пришли сравнительно поздно. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775- 1836) заметил, что провода, по которым протекает электрический ток, порой могут взаимно притягиваться или наоборот — отталкиваться. В 1831 году Майкл Фарадей опытным путем продемонстрировал, что медный диск, если вращать его в сильном магнитном поле, генерирует постоянный поток электрического тока. Фарадею, помогающему Гемфри Дэви в его исследованиях, удалось создать источник электрической силы, который был не иссякаем при обеспечении движения катушки в магните. Это привело к изобретению электрического генератора, а также, соответственно, и электродвигателя, когда процесс направлен в обратную сторону.

Вскоре после этого были разработаны трансформаторы, которые могли изменять показатель напряжения переменного тока. В 1833 году Фарадей заложил основы электродинамики, которые изобразил в виде закона о электромагнитной индукции. Этот закон, названный в честь его автора, описывает явления электромагнетизма в трансформаторах, катушках индуктивности, генераторах и электродвигателях.

После того, как связь электричества и магнетизма стала ясна, были построены большие генераторы для получения постоянного электрического тока. Это способствовало распространению электродвигателей, которые обеспечивали механическое движение, и лампочек Эдисона, которые успешно справлялись с задачей освещения.

Первые электростанции генерировали постоянный ток, который невозможно было доставить более чем на 3 км. В 1880-м году Ниагарская Энергетическая кампания предложила 100 000 $ тому, кто придумает способ передачи электроэнергии на большие расстояния. Приз в конечном итоге достался Николе Тесла (1856-1943), хорватскому эмигранту, который создал систему передачи переменного тока.

Системы для передачи постоянного тока работали на низком напряжении и требовали массивных проводов; напряжение же переменного легко могло быть преобразовано в более высокое для транспортировки по обычным проводам, а затем также легко восстановлено. Старшее поколение ученых поддерживало постоянный ток, тогда как молодые тяготели к переменному. Томас Эдисон был категорически против переменного тока, указывая на опасность последнего при поражении электротоком.

Переменный ток становился все более популярным и Джордж Вестингауз, американский инженер и промышленник, решил реализовать многофазную систему Тесла на Ниагарской электростанции. Между Вестингаузом и Эдисоном вспыхнула так называемая “война токов”.

Рисунок 6: Никола Тесла (1856-1943)

 

В 1883 году Вестингауз создал систему освещения для Ниагара Фолс, использующую переменный ток, а в 1893 году зажглось электрическое освещение Всемирной Колумбовой выставки в Чикаго, что вызвало неподдельное всеобщее удивление. Затем Вестингауз построил три больших генератора для преобразования энергии Ниагарского водопада в электричество. Трехфазная технология, разработанная Тесла, позволяла передавать электроэнергию на большие расстояния значительно дешевле. Благодаря этому электричество получило широкое распространение, оказывая благотворное влияние на тогдашнее качество жизни.

Рисунок 7: 250 000 электроламп освещают Всемирную Колумбову Выставку в Чикаго, 1893 год.

Успешность электрического освещения привела к необходимости постройки трех больших генераторов на Ниагарском водопаде. Courtesy of the Brooklyn Museum Archives. Goodyear Archival Collection

Стоит отметить важнейшее влияние науки о электричестве на многие процессы, происходившие в тогдашней жизни. Именно электричество вдохнуло жизнь в развитие телеграфа. В середине 1800-х телеграф открыл новый род деятельности для способной молодежи. Персонал, управляющий им, приходил из растущего среднего класса, был далек от фабрик и шахт, чреватых опасным и неблагодарным трудом. Стальной магнат и филантроп Эндрю Карнеги часто вспоминал свои молодые годы, когда он работал телеграфистом, также и Альфред Хичкок перед тем как прославиться в киноиндустрии, был техническим оценщиком состояния электрических проводов и кабелей в телеграфной компании.


Аккумуляторы EverExceed

 

OPzS NI-CD OPzV
20 лет / 1500 циклов 25 лет / 2000 циклов 20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

Изобретение электронных вакуумных трубок в начале 1900-х стало значительным шагом на пути к высоким технологиям. Стало возможным создавать такие устройства как усилитель сигнала или частотный генератор. Это в свою очередь привело к развитию коммерческого радиовещания в 1920-х, и появлению в 1946 году первого цифрового компьютера ENIAC. Изобретение транзистора в 1947 году проложило путь к созданию интегральных схем десятилетием спустя, и появившиеся микропроцессоры дали старт информационной эре, навсегда изменив нашу жизнь.

Человечество стало очень сильно зависеть от электричества. Повышаются и требования к электрическим батареям — необходимы портативные и мобильные источники электроэнергии. С улучшением батарей увеличивается и объем задач, которые решаются с их помощью. 

Узнаем что представляет собой электрическая батарея? Ее особенности, преимущества и особенности выбора

На данный момент отопление все чаще осуществляется при помощи электрических приборов. Если сравнивать с газовыми или топливными устройствами, то использование таких приспособлений будет максимально рациональным решением. При этом электрические батареи считаются не менее эффективными, чем вышеуказанные. Они имеют большое количество преимуществ. Такие батареи можно устанавливать в совершенно различных помещениях.

Что представляет собой изделие?

Данное устройство работает при использовании лучевой энергии. Аппарат нагревает не стену, а предметы, которые находятся вокруг него. За счет такой функциональности можно снизить потребление электроэнергии. Также при помощи таких приборов вполне реально поддерживать оптимальную температуру и непосредственно микроклимат в комнате.

То, какой будет размер у электрической батареи, полностью зависит от ее конструкции. Стандартной считается длина до 1,5 метра, высота до 80 см, а толщина — около 3 см. Однако габариты, как и виды самих приспособлений, могут быть совершенно различными.

Устройство и принцип действия изделия

Аппарат, о котором идет речь, состоит из нескольких частей. В его конструкцию входит сетевой кабель, ТЭН, датчики температуры, которые определяют не только нагрев самого аппарата, но также и окружающей среды, блок управления, а еще теплоотдающий прибор.

Любая электрическая батарея работает максимально просто. ТЭН нагревается, все тепло передается теплоносителю. В качестве него может выступать либо вода, либо антифриз. Так, изделие становится теплее. Перегревание системы невозможно, так как температура полностью контролируется специальным прибором. Зачастую все такие батареи имеют ребристую поверхность. За счет этого приспособления максимально эффективны, площадь излучения становится больше. Изготавливаются они из алюминия. Внутри металл покрывается специальной пленкой. За счет этого теплоноситель не разъедает материал.

Разновидности аппаратов

Приобретая электрические батареи, цена которых составляет от 2 тыс. руб (компактные и не совсем мощные варианты) и может достигать отметки 50 тыс., нужно обратить внимание на тип.

Если устройство выбирается для квартиры или же дачи, то данный нюанс следует учитывать. Существует классификация по месту размещения. Это напольные, настенные и потолочные.

  • Если говорить о напольном, то этот вид будет эффективным для тех людей, кому нужен мобильный прибор. Такой обогреватель устанавливается либо на даче, либо в других помещениях, где жильцы подолгу не живут. Главным преимуществом нужно назвать именно мобильность.
  • Если говорить о настенных электрических батареях, то они используются чаще всего. Данные устройства весят немного. Они хорошо выглядят, а также их можно применять вместе со штатными системами отопления. Зачастую эти аппараты устанавливаются на кронштейнах. Нужно приобрести всего лишь два элемента. Служат такие батареи больше 10 лет. Во время установки жидкий теплоноситель не нужен. Использовать такие устройства можно как в ночное, так и в дневное время, так как приборы бесшумные.
  • Среди потолочных электробатарей для экономного отопления нужно выделить особые преимущества. Эти устройства компактные, они не захламляют пространство. Таким образом, ни стены, ни пол не будут заняты нагревательными элементами. Нередко данные устройства устанавливаются в магазинах, офисах, а еще встречаются в жилых помещениях. Монтируются описываемые батареи максимально просто, их нужно прикрутить к потолку. Следует учитывать, что данное приспособление является довольно экономичным среди всех остальных видов. Тепловые лучи нагревают поверхность, а не воздух. Чтобы установить комфортную температуру, можно использовать терморегулятор.

Дополнительная классификация

Следует сказать о теплоносителях. По этому признаку данные устройства тоже классифицируются. Бывают жидкостные и безжидкостные. Что касаемо второго вида, то здесь не используется теплоноситель. За счет этого батарея нагревается очень быстро. Однако она так же моментально и остывает. Жидкостные же работают с антифризом или дистиллированной водой. Нередко такие электрические батареи отопления устанавливают в тех помещениях, где подолгу люди не живут.

В зависимости от габаритов различают два типа плинтусных устройств. Они бывают узкие или внутрипольные.

Если говорить о материале изготовления, то существуют варианты из керамики, стекла и металла.

Критерии выбора

Чтобы приобрести электробатарею для экономного отопления, необходимо обратить внимание на некоторые характеристики. При покупке нужно отметить наличие заземления, есть ли система, автоматически защищающая от перегрева, а также скачков напряжения в сети, какой установлен термостат, имеется ли гарантия и лицензия на устройство, на площадь и объем помещения, на которые рассчитан прибор, а также как нужно при монтаже теплоизолировать стены, потолки и пол.

Электрическая батарея для электрического транспортного средства

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к электрической батарее для электрических транспортных средств, используемых, в частности для электрических велосипедов со вспомогательными педалями, или аналогичных транспортных средств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно использование и все более широкое распространение транспортных средств, приводимых в движение электрическим способом.

Имеет место, в частности, все более широкое использование электрических велосипедов со вспомогательными педалями, т.е. велосипедов, в которых к тяге, создаваемой пользователем, добавляется тяга, создаваемая электрическим двигателем.

Известно, что такие электрические велосипеды имеют специальную электрическую батарею, расположенную, как правило, на раме, в соответствии с вертикальной опорой седла или нижней трубой.

Электрическая батарея соединена с электрическим двигателем, который обычно выполнен на оси одного из двух колес или размещен соосно с педалями.

Кроме того, из документа WO 2011/083361 А1 известна электрическая батарея для транспортных средств, содержащая накапливающую электрический заряд аккумуляторную батарею и электронные средства обработки данных, подходящие для управления и контроля за использованием и состоянием самой электрической батареи.

В соответствии с этим документом указанная электрическая батарея имеет одиночный контейнер, вмещающий аккумуляторную батарею и электронные средства обработки данных, и может быть использована для управления свободной сдачей электрической батареи внаем или для обнаружения несоответствующих норме ситуаций, таких как угон или несанкционированное использование.

Известные батареи, однако, допускают дальнейшее совершенствование.

Таким образом, ощущается необходимость в более эффективных средствах, способных ограничить или, во всяком случае, обнаружить несоответствующие норме ситуации, такие как угон или несанкционированное использование электрического транспортного средства или только самой электрической батареи.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной целью настоящего изобретения является создание электрической батареи для электрических транспортных средств, выполненной с возможностью ограничения или обнаружения несоответствующих норме ситуаций, таких как угон или несанкционированное использование электрического транспортного средства или только самой электрической батареи.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание электрической батареи для электрических транспортных средств для преодоления указанных недостатков уровня техники путем создания простого рационального, легкого и эффективного в использовании, а также низкого по стоимости решения.

Вышеуказанные цели достигаются с помощью электрической батареи для электрических транспортных средств по п. 1.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из описания предпочтительного, но не единственного, варианта реализации электрической батареи для электрических транспортных средств, который исключительно в качестве примера и без ограничения объема охраны показан на прилагаемых чертежах, на которых:

на фиг. 1 показана общая схема, на которой показан рабочий режим электрической батареи в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 показана блок-схема в соответствии с настоящим изобретением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На указанных чертежах электрическая батарея для электрических транспортных средств везде обозначена позицией 1.

В примере на фиг. 1 схематично показано, что электрическая батарея 1 используется в предпочтительном варианте реализации для электрических транспортных средств типа электрического велосипеда А со вспомогательными педалями.

Однако использование электрической батареи 1 для других типов электрических транспортных средств не может быть исключено.

Электрическая батарея 1 содержит средства аккумулирования электрического заряда, схематично показанные на фиг. 2 и везде обозначенные позицией 2, образованные по меньшей мере одной аккумуляторной батарей обычного типа.

Аккумуляторная батарея 2 может быть соединена с электрическим двигателем В электрического велосипеда А посредством обычной линии питания самого велосипеда.

Предпочтительно, электрическая батарея 1 содержит электронные средства обработки данных, на чертежах везде обозначенные позицией 3, подходящие для управления и контроля самой электрической батареи или электрического велосипеда А.

Электронные средства 3 обработки данных, в частности, подходят для ограничения или, во всяком случае, обнаружения несоответствующих норме ситуаций, таких как угон или несанкционированное использование электрического велосипеда, а также самой электрической батареи 1.

Электронные средства 3 обработки данных содержат блок управления и контроля, выполненный, например, из микропроцессора или аналогичного устройства и в целом обозначенный позицией 4 на Фиг. 1.

Кроме того, электрическая батарея 1 содержит корпус 5 контейнера, который подходит для размещения как аккумуляторной батареи 2, так и электронных средств 3 обработки данных, и который может быть прикреплен, например, к вертикальной опоре С седла или к нижней трубе D рамы электрического велосипеда А.

Преимущественно, электронные средства 3 обработки данных содержат блок 6 хранения, подходящий для хранения по меньшей мере одного идентификационного кода, прослеживаемый однозначным образом до электрической батареи 1 и/или электрического велосипеда А.

Предпочтительно, блок 6 хранения подходит для хранения публичного идентификационного кода электрического велосипеда А, который также целесообразно нанести по меньшей мере на соответствующей части велосипеда, например на раме.

Преимущественно нанесенный на электрическом велосипеде А публичный идентификационный код выполнен с возможностью, однозначного определения соответствия каждого электрического велосипеда А и соответствующей электрической батареей 1.

Это является, таким образом, дополнительным фактором, удерживающим от угона электрического велосипеда А или от кражи электрической батареи 1, или и того и другого.

Блок 6 хранения функционально соединен с блоком 4 управления и контроля.

Преимущественно, электронные средства 3 обработки данных содержат блок 7 связи, подходящий для связи по меньшей мере с одним устройством Е управления, внешним по отношению к электрической батарее 1.

В частности, устройство Е управления подходит для передачи идентификационного кода с целью запуска и/или остановки электрической батареи 1 или электрического велосипеда.

В одном частном варианте реализации электрической батареи 1, блок 7 связи содержит радиочастотный приемник, который подходит для приема радиочастотного сигнала, содержащего указанный идентификационный код, а устройство Е управления состоит из устройства радиочастотной идентификации.

Например, устройство Е управления может состоять из соответствующего транспондера, способного отправить идентификационный код.

В этом случае, пользователь, располагающий таким устройством Е управления, просто подойдя на близкое расстояние, может отключить все предусмотренные противоугонные устройства и, тем самым, получить возможность использования электрического велосипеда А.

Электронные средства 3 обработки данных также содержат средства 8 проверки, подходящие для проверки на соответствие идентификационного кода, переданного устройством Е управления и принятого блоком 7 связи, идентификационному коду, сохраненному в блоке 6 хранения.

Средства 8 проверки, например, могут быть выполнены с применением соответствующего программного обеспечения, управляемого блоком 4 управления и контроля.

Электронные средства 3 обработки данных содержат схематически показанные на Фиг. 1 и везде обозначенные позицией 9 средства активации/деактивации, которые подходят для активации электрической батареи 1 и/или электрического велосипеда А в случае, если переданный устройством Е управления и принятый блоком 7 связи идентификационный код соответствует идентификационному коду, сохраненному в блоке 6 хранения.

Предпочтительно, средства 9 активации/деактивации могут быть выполнены с применением соответствующего аппаратного и программного обеспечения, встроенного в электрическую батарею 1.

Кроме того, средства 9 активации/деактивации могут быть функционально соединены с тормозными средствами F электрического двигателя В.

Предпочтительно, тормозные средства F, как правило, активны для того, чтобы электрический велосипед стал непригодным для использования.

В том случае, если пользователь, используя устройство Е управления, посылает сигнал, содержащий идентификационный код, в блок 7 связи, то:

— блок 4 управления и контроля проверяет принятый идентификационный код на соответствие идентификационному коду, сохраненному в блоке 6 хранения;

— в случае соответствия идентификационного кода блок 4 управления и контроля направляет средствам 9 активации/деактивации команду на деактивацию тормозных средств F, что делает возможным снятие блокировки с электрического двигателя В и, таким образом, использование электрического велосипеда А.

Более того, средства 9 активации/деактивации могут быть функционально объединены со средствами G блокирования коробки Н скоростей электрического велосипеда А. Кроме того, со средствами G блокирования коробки Н скоростей, или вместо них, средства 9 активации/деактивации могут быть функционально соединены с системой блокирования подножки электрического велосипеда А.

Предпочтительно, средства G блокирования коробки Н скоростей, как правило, активны для того, чтобы затруднить использование электрического велосипеда А.

В том случае, если пользователь, используя устройство Е управления, посылает сигнал, содержащий идентификационный код, в блок 7 связи, то:

— блок 4 управления и контроля проверяет принятый идентификационный код на соответствие идентификационному коду, сохраненному в блоке 6 хранения;

— если имеет место соответствие идентификационного кода, тогда блок 4 управления и контроля направляет средствам 9 активации/деактивации команду на деактивацию средств G блокирования, что делает возможным снятие блокировки с коробки Н скоростей и, следовательно, использование электрического велосипеда А.

Преимущественно, электрическая батарея 1 содержит средства 10 соединения, подходящие для соединения аккумуляторной батареи 2 с линией электроснабжения другого транспортного средства, например транспортного средства I, с целью перезарядки самой аккумуляторной батареи.

Предпочтительно, средства 10 соединения могут быть подключены непосредственно к обычным гнездам прикуривателя транспортного средства I.

Кроме того, дополнительно устройство Е управления может состоять из электронного устройства, установленного на транспортном средстве I, которое обеспечивает связь с блоком 7 связи.

Например, устройство Е управления может быть встроено в ключ зажигания транспортного средства I.

В этом случае, средства 9 активации/деактивации могут быть функционально соединены со средствами 11 отсоединения, подходящими для отсоединения средств 10 соединения от аккумуляторной батареи 2.

Предпочтительно, средства 11 отсоединения, как правило, активны для того, чтобы предотвратить электрическое соединение аккумуляторной батареи 2 с другим транспортным средством.

В том случае, если пользователь, используя устройство Е управления, которое установлено на транспортном средстве I или встроено в ключ зажигания транспортного средства I, посылает идентификационный код в блок 7 связи, то:

— блок 4 управления и контроля проверяет принятый идентификационный код на соответствие идентификационному коду, сохраненному в блоке 6 хранения;

— если имеет место соответствие идентификационного кода, тогда блок 4 управления и контроля направляет средствам 9 активации/деактивации команду на деактивацию средств 11 отсоединения, тем самым, обеспечивая возможность соединения аккумуляторной батареи 2 с линией электроснабжения транспортного средства I и, следовательно, обеспечивая возможность заряда самой аккумуляторной батареи.

Преимущественно, электронные средства 3 обработки данных содержат дополнительный блок 12 связи, подходящий для связи по меньшей мере с одним удаленным блоком L обработки данных.

Дополнительный блок 12 связи содержит один или больше передатчиков и/или приемников, работающих с протоколами, обычно используемыми в сфере мобильных телефонов, такими как, например, GSM, GPRS, UMTS или аналогичными.

Дополнительный блок 12 связи также содержит по меньшей мере антенну для передачи/приема сигналов к/от удаленного блока L обработки данных.

Кроме того, дополнительный блок 12 связи может быть соединен с одной или большим количеством внешних антенн, установленных на электрические велосипеды А.

Кроме того, удаленный блок L обработки данных может быть обеспечен соответствующей программой, подходящей для управления информацией от дополнительного блока 12 связи и использования такой информации, например, для обнаружения несоответствующих норме ситуаций, таких как угон или несанкционированное использование электрической батареи 1 или электрического велосипеда А, или для проката электрической батареи 1 или электрического велосипеда А.

Кроме того, электронные средства 3 обработки данных могут содержать устройство локализации для определения положения транспортного средства; указанное устройство в целом на фиг. 1 обозначено позицией 13.

Устройство 13 локализации функционально соединено с блоком 4 управления и контроля.

Устройство 13 локализации, в частности, включает по меньшей мере приемник спутникового сигнала, посланного спутниками М, которые принадлежат к типу, используемому в Глобальной системе позиционирования (GPS), глобальной спутниковой навигационной системе Galileo или тому подобным.

Кроме того, устройство 13 локализации может быть использовано для определения положения электрической батареи 1 в случае кражи.

Внутри электрической батареи 1 электронные средства 3 обработки данных также содержат устройство измерения мгновенного ускорения/замедления транспортного средства; в целом обозначеннного на фиг. 1 позицией 14.

Предпочтительно, устройство 14 измерения мгновенного ускорения/замедления состоит из трехосного акселерометра.

Акселерометр 14 может быть использован, например, для обнаружения изменений в наклоне электрической батареи 1 или электрического велосипеда А в случае каких-либо попыток кражи или угона.

На практике было установлено, как описанное изобретение достигает предложенных целей.

В частности, существенен тот факт, что электрическая батарея, в соответствии с изобретением, обеспечивает возможность ограничения или, во всяком случае, обнаружения несоответствующих норме ситуаций, таких как угон или несанкционированное использование электрического велосипеда, а также самой электрической батареи.




Аккумуляторы для гибридных автомобилей и электромобилей

В большинстве подключаемых к электросети гибридов и полностью электрических транспортных средств используются подобные литий-ионные батареи.

Системы накопления энергии, обычно аккумуляторы, необходимы для гибридных электромобилей (HEV), подключаемых гибридных электромобилей (PHEV) и полностью электрических транспортных средств (EV).

Типы систем хранения энергии

Следующие системы накопления энергии используются в автомобилях HEV, PHEV и электромобилях.

Литий-ионные батареи

Литий-ионные батареи в настоящее время используются в большинстве портативных бытовых электронных устройств, таких как сотовые телефоны и ноутбуки, из-за их высокой энергии на единицу массы по сравнению с другими системами хранения электроэнергии.Они также обладают высоким удельным весом, высокой энергоэффективностью, хорошими высокотемпературными характеристиками и низким саморазрядом. Большинство компонентов литий-ионных аккумуляторов можно переработать, но стоимость рекуперации материалов остается проблемой для отрасли. Министерство энергетики США также поддерживает премию за переработку литий-ионных аккумуляторов, чтобы найти решения для сбора, сортировки, хранения и транспортировки использованных и выброшенных литий-ионных аккумуляторов для последующей переработки и восстановления материалов.В большинстве современных PHEV и электромобилей используются литий-ионные батареи, хотя точный химический состав часто отличается от химического состава батарей для бытовой электроники. Продолжаются исследования и разработки для снижения их относительно высокой стоимости, увеличения срока их полезного использования и решения проблем безопасности в отношении перегрева.

Никель-металлогидридные батареи

Никель-металлогидридные батареи, обычно используемые в компьютерном и медицинском оборудовании, предлагают разумную удельную энергию и удельные мощности.Никель-металлогидридные батареи имеют гораздо более длительный срок службы, чем свинцово-кислотные, и безопасны и устойчивы к неправильному обращению. Эти батареи широко используются в HEV. Основными проблемами никель-металлгидридных батарей являются их высокая стоимость, высокий саморазряд и тепловыделение при высоких температурах, а также необходимость контролировать потери водорода.

Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторы

могут быть разработаны с учетом высокой мощности, при этом они недороги, безопасны и надежны. Однако низкая удельная энергия, плохие характеристики при низких температурах, а также короткий календарный и циклический срок службы препятствуют их использованию.В настоящее время разрабатываются современные высокомощные свинцово-кислотные батареи, но эти батареи используются только в коммерчески доступных транспортных средствах с электрическим приводом для вспомогательных нагрузок.

Суперконденсаторы

Ультраконденсаторы хранят энергию в поляризованной жидкости между электродом и электролитом. Емкость накопления энергии увеличивается по мере увеличения площади поверхности жидкости. Ультраконденсаторы могут обеспечить транспортным средствам дополнительную мощность во время разгона и подъема на холм, а также помочь восстановить энергию торможения.Они также могут быть полезны в качестве вторичных накопителей энергии в транспортных средствах с электрическим приводом, поскольку помогают электрохимическим аккумуляторам выравнивать мощность нагрузки.

Утилизация аккумуляторов

Транспортные средства с электрическим приводом являются относительно новыми для автомобильного рынка США, поэтому лишь небольшое количество из них подошло к концу своего срока службы. В результате доступно немного бывших в употреблении аккумуляторов для электромобилей, что ограничивает масштабы инфраструктуры по переработке аккумуляторов. Поскольку электромобили становятся все более распространенными, рынок утилизации аккумуляторов может расшириться.

Широко распространенная переработка аккумуляторов предотвратит попадание опасных материалов в поток отходов как в конце срока службы аккумулятора, так и во время его производства. В настоящее время ведется работа по разработке процессов утилизации аккумуляторов, которые минимизируют воздействие на жизненный цикл литий-ионных и других типов аккумуляторов в транспортных средствах. Но не все процессы переработки одинаковы:

  • Плавка : В процессе плавки восстанавливаются основные элементы или соли. Эти процессы в настоящее время используются в больших масштабах и могут работать с различными типами батарей, включая литий-ионные и никель-металлгидридные.Плавка происходит при высоких температурах, и органические материалы, включая электролит и угольные аноды, сжигаются в качестве топлива или восстановителя. Ценные металлы извлекаются и отправляются на аффинаж, чтобы продукт был пригоден для любого использования. Остальные материалы, в том числе литий, содержатся в шлаке, который теперь используется в качестве добавки в бетон.
  • Прямое восстановление : С другой стороны, некоторые процессы переработки напрямую восстанавливают материалы, пригодные для аккумуляторов. Компоненты разделяются различными физическими и химическими процессами, и все активные материалы и металлы могут быть восстановлены.Прямое восстановление — это низкотемпературный процесс с минимальными энергозатратами.
  • Промежуточные процессы : Третий тип процесса находится между двумя крайностями. В таких процессах можно использовать несколько типов батарей, в отличие от прямого восстановления, но извлекать материалы дальше по производственной цепочке, чем при плавке.

Разделение различных материалов аккумуляторных батарей часто является камнем преткновения при извлечении ценных материалов. Таким образом, конструкция аккумуляторной батареи, учитывающая разборку и переработку, важна для успеха электромобилей с точки зрения устойчивости.Стандартизация батарей, материалов и конструкции элементов также упростит переработку и сделает ее более рентабельной.

См. Отчет: «Технико-экономическая целесообразность использования отработанных аккумуляторов электромобилей в стационарных установках».

Дополнительная информация

Узнайте больше о исследованиях и разработках аккумуляторов на страницах Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, посвященных хранению энергии, и на странице Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США.

как мир будет производить достаточно?

Эра электромобилей приближается.Ранее в этом году американский автомобильный гигант General Motors объявил, что он намерен прекратить продажу бензиновых и дизельных моделей к 2035 году. Audi, базирующаяся в Германии, планирует прекратить производство таких автомобилей к 2033 году. Многие другие автомобильные транснациональные корпорации выпустили аналогичные дорожные карты. . Внезапно усилия крупных автопроизводителей по электрификации своих автопарков превращаются в спешку к выходу.

Электрификация личной мобильности набирает обороты, о чем несколько лет назад не могли и мечтать даже самые ярые ее сторонники.Во многих странах постановление правительства ускорит изменения. Но даже без новой политики или правил половина мировых продаж легковых автомобилей в 2035 году будет приходиться на электроэнергию, по данным консалтинговой компании BloombergNEF (BNEF) в Лондоне.

Это масштабное промышленное преобразование знаменует собой «переход от топливоемкой к материалоемкой энергетической системе», как заявило Международное энергетическое агентство (МЭА) в мае. 1 . В ближайшие десятилетия сотни миллионов транспортных средств выйдут на дороги с массивными батареями внутри (см. «Переход на электричество»).И каждая из этих батарей будет содержать десятки килограммов материалов, которые еще предстоит добыть.

Источник: исх. 2

Предвидя мир, в котором будут преобладать электромобили, материаловеды работают над двумя большими проблемами. Один из них — как сократить количество металлов в батареях, которые являются дефицитными, дорогими или проблематичными, поскольку их добыча сопряжена с серьезными экологическими и социальными издержками. Другой — улучшить переработку аккумуляторов, чтобы ценные металлы в отработанных автомобильных аккумуляторах можно было эффективно повторно использовать.«Вторичная переработка будет играть ключевую роль в этом процессе», — говорит Кваси Ампофо, горный инженер, ведущий аналитик BNEF по металлургии и добыче полезных ископаемых.

Производители аккумуляторов и автомобилей уже тратят миллиарды долларов на снижение затрат на производство и переработку аккумуляторов электромобилей (EV) — отчасти благодаря государственным стимулам и ожиданию предстоящих нормативных актов. Национальные спонсоры исследований также основали центры по изучению более эффективных способов производства и переработки батарей. Поскольку добыча металлов в большинстве случаев все еще обходится дешевле, чем их переработка, ключевая цель состоит в разработке процессов извлечения ценных металлов с достаточно низкой стоимостью, чтобы конкурировать с только что добытыми металлами.«Больше всего говорят о деньгах», — говорит Джеффри Спангенбергер, инженер-химик из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который руководит финансируемой США инициативой по переработке литий-ионных аккумуляторов под названием ReCell.

Литиевое будущее

Первой задачей исследователей является сокращение количества металлов, которые необходимо добывать для аккумуляторов электромобилей. Количество различается в зависимости от типа аккумулятора и модели автомобиля, но один автомобильный литий-ионный аккумулятор (типа, известного как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальт, согласно данным Аргоннской национальной лаборатории.

Аналитики не ожидают в ближайшее время отказа от литий-ионных батарей: их стоимость упала настолько резко, что они, вероятно, станут доминирующей технологией в обозримом будущем. Сейчас они в 30 раз дешевле, чем тогда, когда они впервые вышли на рынок в качестве небольших портативных батарей в начале 1990-х годов, даже несмотря на то, что их производительность улучшилась. BNEF прогнозирует, что стоимость литий-ионных аккумуляторных батарей для электромобилей к 2023 году упадет ниже 100 долларов США за киловатт-час, что примерно на 20% ниже, чем сегодня (см. «Резкое снижение стоимости аккумуляторов»).В результате электромобили, которые по-прежнему дороже обычных, должны достичь паритета цен к середине 2020-х годов. (По некоторым оценкам, электромобили уже дешевле, чем автомобили с бензиновым двигателем на протяжении всего срока их службы, благодаря меньшей стоимости питания и обслуживания.)

Для производства электричества литий-ионные батареи перемещают ионы лития из одного слоя, называемого анодом, в другой, катод. Они разделены еще одним слоем — электролитом. Катоды — это главный ограничивающий фактор в характеристиках аккумуляторов, и именно в них находятся самые ценные металлы.

Катод типичного литий-ионного аккумуляторного элемента представляет собой тонкий слой слизи, содержащей микрокристаллы, которые часто похожи по структуре на минералы, встречающиеся в естественной коре или мантии Земли, такие как оливины или шпинели. Кристаллы соединяют отрицательно заряженный кислород с положительно заряженным литием и различными другими металлами — в большинстве электромобилей это смесь никеля, марганца и кобальта. Перезарядка батареи вырывает ионы лития из этих кристаллов оксида и притягивает ионы к аноду на основе графита, где они хранятся, зажатые между слоями атомов углерода (см. «Электрическое сердце»).

Источник: адаптировано из G. Harper et al. Natur e 575 , 75–86 (2019) и G. Offer et al. Природа 582 , 485–487 (2020).

Литий сам по себе не в дефиците. В июньском отчете BNEF 2 подсчитано, что текущие запасы этого металла — 21 миллион тонн, по данным Геологической службы США — достаточны для перехода на электромобили до середины века. А запасы — это податливая концепция, потому что они представляют собой количество ресурса, который может быть экономически выгодно извлечен при текущих ценах и с учетом текущих технологий и нормативных требований.Для большинства материалов, если спрос возрастет, в конечном итоге тоже появятся запасы.

По словам Ампофо, по мере того, как автомобили электрифицируются, проблема заключается в увеличении производства лития для удовлетворения спроса. «В период с 2020 по 2030 год он вырастет примерно в семь раз».

Это может привести к временному дефициту и резким колебаниям цен, говорит он. Но икота на рынке не изменит картину в долгосрочной перспективе. «По мере наращивания производственных мощностей этот дефицит, вероятно, исчезнет сам», — говорит Хареш Камат, специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто, Калифорния.

Солевые месторождения на заводе по производству лития на солончаках Уюни в Потоси, Боливия Фото: Карлос Бесерра / Bloomberg / Getty

Увеличение добычи лития несет в себе собственные проблемы для окружающей среды: существующие формы добычи требуют большого количества энергии (для лития, извлекаемого из породы) или воды (для извлечения из рассолов). Но более современные методы извлечения лития из геотермальной воды с использованием геотермальной энергии для управления процессом считаются более безопасными.И, несмотря на этот ущерб окружающей среде, добыча лития поможет заменить разрушительную добычу ископаемого топлива.

Исследователей больше беспокоит кобальт, который является наиболее ценным ингредиентом современных аккумуляторов электромобилей. Две трети мировых запасов добываются в Демократической Республике Конго. Активисты-правозащитники выразили обеспокоенность по поводу условий там, в частности по поводу детского труда и вреда для здоровья рабочих; как и другие тяжелые металлы, кобальт токсичен при неправильном обращении.Можно использовать альтернативные источники, такие как богатые металлами «конкреции», обнаруженные на морском дне, но они представляют свою собственную опасность для окружающей среды. Никель, еще один важный компонент аккумуляторов электромобилей, также может столкнуться с нехваткой 3 .

Управление металлами

Чтобы решить проблемы с сырьем, ряд лабораторий экспериментировали с катодами с низким содержанием кобальта или без кобальта. Но материалы катода должны быть тщательно спроектированы так, чтобы их кристаллические структуры не разрушались, даже если более половины ионов лития удаляется во время зарядки.А отказ от кобальта часто снижает удельную энергию батареи, говорит ученый-материаловед Арумугам Мантирам из Техасского университета в Остине, потому что он изменяет кристаллическую структуру катода и то, насколько прочно он может связывать литий.

Мантирам принадлежит к числу исследователей, которые решили эту проблему — по крайней мере, в лаборатории — показав, что кобальт можно удалить с катодов без ущерба для рабочих характеристик. 4 . «Материал, не содержащий кобальта, о котором мы сообщаем, имеет ту же кристаллическую структуру, что и оксид лития-кобальта, и, следовательно, такую ​​же плотность энергии» или даже лучше, — говорит Мантирам.Его команда добилась этого, отрегулировав способ производства катодов и добавив небольшие количества других металлов, сохранив при этом кристаллическую структуру оксида кобальта катода. Мантирам говорит, что внедрение этого процесса на существующих заводах должно быть несложным, и основал новую фирму под названием TexPower, чтобы попытаться вывести ее на рынок в течение следующих двух лет. Другие лаборатории по всему миру работают над безкобальтовыми батареями: в частности, новаторский производитель электромобилей Tesla из Пало-Альто, Калифорния, заявил, что планирует исключить металл из своих аккумуляторов в ближайшие несколько лет.

Сунь Ян-Кук из Университета Ханян в Сеуле, Южная Корея, — еще один ученый-материаловед, добившийся аналогичных показателей в работе с бескобальтовыми катодами. Sun говорит, что при создании новых катодов могут остаться некоторые технические проблемы, потому что процесс основан на переработке богатых никелем руд, для чего может потребоваться дорогая атмосфера чистого кислорода. Но многие исследователи теперь считают проблему кобальта по существу решенной. Мантирам и Сан «показали, что можно делать действительно хорошие материалы без кобальта, и [они] работают очень хорошо», — говорит Джефф Дан, химик из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада.

Рабочие добывают кобальт возле шахты между Лубумбаши и Колвези в Демократической Республике Конго Фото: Федерико Скоппа / AFP / Getty

Никель, хотя и не такой дорогой, как кобальт, тоже не дешев. Исследователи тоже хотят удалить его. «Мы решили проблему нехватки кобальта, но из-за того, что мы так быстро масштабируемся, мы идем прямо к проблеме никеля», — говорит Гербранд Седер, ученый-материаловед из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния.Но удаление как кобальта, так и никеля потребует перехода на совершенно другие кристаллические структуры катодных материалов.

Один из подходов — использовать материалы, называемые неупорядоченными каменными солями. Они получили свое название из-за своей кубической кристаллической структуры, которая похожа на структуру хлорида натрия, где кислород играет роль хлора, а смесь тяжелых металлов заменяет натрий. За последнее десятилетие команда Седера и другие группы показали, что определенные богатые литием каменные соли позволяют литию легко входить и выходить, что является важным свойством для повторной зарядки. 5 .Но, в отличие от обычных катодных материалов, неупорядоченные каменные соли не требуют, чтобы кобальт или никель оставались стабильными во время этого процесса. В частности, они могут быть сделаны из марганца, который дешев и в большом количестве, говорит Седер.

Утилизация лучше

Если батареи будут производиться без кобальта, исследователи столкнутся с непредвиденными последствиями. Металл является основным фактором, который делает переработку аккумуляторов экономичной, поскольку добыча других материалов, особенно лития, в настоящее время обходится дешевле, чем переработка.

На типичном заводе по переработке аккумуляторы сначала измельчаются, в результате чего элементы превращаются в порошкообразную смесь всех используемых материалов. Затем эта смесь распадается на элементарные составляющие либо путем ее сжижения в плавильном заводе (пирометаллургия), либо путем растворения в кислоте (гидрометаллургия). Наконец, металлы осаждаются из раствора в виде солей.

Механический измельчитель батарейных модулей, показанный на этом фото, на заводе по переработке отходов в Дузенфельде в Германии Фото: Вольфрам Шролл / Duesenfeld

Исследования были сосредоточены на улучшении процесса, чтобы сделать переработанный литий экономически привлекательным.Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, Японии и Южной Корее; соответственно, возможности вторичной переработки там растут быстрее всего. Например, расположенная в Фошане компания Guangdong Brunp — дочерняя компания CATL, крупнейшего в Китае производителя литий-ионных элементов — может перерабатывать 120 000 тонн батарей в год, по словам представителя компании. Это эквивалент того, что будет использоваться в более чем 200 000 автомобилей, и компания способна восстановить большую часть лития, кобальта и никеля. Политика правительства способствует этому: в Китае уже есть финансовые и нормативные стимулы для компаний, производящих аккумуляторные батареи, которые получают материалы у компаний по переработке, а не импортируют только что добытые, — говорит Ханс Эрик Мелин, управляющий директор консалтинговой компании Circular Energy Storage в Лондоне.

Европейская комиссия предложила строгие требования по переработке аккумуляторов, которые могут быть введены поэтапно с 2023 года — хотя перспективы этого блока по развитию отечественной индустрии переработки являются неопределенными. 6 . Администрация президента США Джо Байдена, тем временем, хочет потратить миллиарды долларов на развитие отечественной индустрии производства аккумуляторов для электромобилей и поддержку утилизации, но еще не предложила правила, выходящие за рамки существующего законодательства, классифицирующие аккумуляторы как опасные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. .Некоторые начинающие компании в Северной Америке заявляют, что они уже могут извлекать большую часть металлов из аккумуляторных батарей, включая литий, по затратам, которые конкурентоспособны с затратами на их добычу, хотя аналитики говорят, что на данном этапе общая экономическая выгода только потому, что кобальт.

Измельченный аккумуляторный порошок, или «черная масса», очищается от пластин на предприятии по переработке аккумуляторов Li-Cycle в Кингстоне, Онтарио, Канада. Фото: Christinne Muschi / Bloomberg / Getty

Более радикальный подход состоит в том, чтобы повторно использовать катодные кристаллы, а не разрушать их структуру, как это делают гидро- и пирометаллургия.ReCell, совместное предприятие стоимостью 15 миллионов долларов США, которым управляет Спангенбергер, включает три национальных лаборатории, три университета и множество игроков отрасли. Он разрабатывает методы, которые позволят переработчикам извлекать катодные кристаллы и перепродавать их. Одним из важнейших шагов после того, как батареи были измельчены, является отделение катодных материалов от остальных с помощью тепла, химикатов или других методов. «Причина, по которой мы с таким энтузиазмом относимся к сохранению кристаллической структуры, заключается в том, что для ее создания потребовалось много энергии и ноу-хау.В этом заключается большая ценность », — говорит Линда Гейнс, физико-химик из Аргонна и главный аналитик ReCell.

Эти методы обработки работают с различными кристаллическими структурами и составами, говорит Гейнс. Но если в центр переработки поступает поток отходов, который включает в себя многие типы батарей, различные типы катодного материала в конечном итоге попадут в котел для переработки. Это может усложнить попытки выделить различные типы катодных кристаллов. Хотя процессы, разработанные ReCell, позволяют легко отделить никель, марганец и кобальт от других типов ячеек, например, тех, которые используют фосфат лития-железа, им будет трудно разделить два типа, которые оба содержат кобальт и никель, но в разных пропорции.По этой и другим причинам, для аккумуляторов будет крайне важно иметь какой-то стандартизированный штрих-код, который сообщает переработчикам, что находится внутри, говорит Спангенбергер.

Рабочий автомобильной фирмы Renault готовится разобрать аккумулятор. Компания заявляет, что перерабатывает все свои аккумуляторы для электромобилей — на данный момент всего пару сотен в год Фото: Оливье Геррен, Photothèque Veolia

Еще одно потенциальное препятствие заключается в том, что химический состав катодов постоянно развивается.Катоды, которые производители будут использовать через 10–15 лет — в конце жизненного цикла современных автомобилей — вполне могут отличаться от нынешних. Самый эффективный способ получить материалы — это для производителя собрать свои собственные батареи в конце жизненного цикла. И батареи должны разрабатываться с нуля так, чтобы их было легче разбирать, добавляет Гейнс.

Специалист по материалам Эндрю Эбботт из Университета Лестера, Великобритания, утверждает, что переработка будет намного более прибыльной, если она пропускает стадию измельчения и напрямую разбирает клетки.Он и его сотрудники разработали метод разделения катодных материалов с помощью ультразвука 7 . Это лучше всего работает в аккумуляторных элементах, которые упакованы плоско, а не свернуты (как обычные «цилиндрические» элементы), и, добавляет Эбботт, может сделать переработанные материалы намного дешевле, чем первичные добытые металлы. Он участвует в правительственной программе Великобритании по исследованию устойчивости батарей под названием ReLiB стоимостью 14 миллионов фунтов стерлингов (19 миллионов долларов США).

Увеличьте объем

Какие бы процессы переработки не стали стандартными, поможет масштабирование.По словам Мелина, хотя в сообщениях СМИ надвигающийся поток отработанных батарей описывается как надвигающийся кризис, аналитики видят в этом большие возможности. Как только у миллионов больших батарей закончится срок службы, появится эффект масштаба, который сделает переработку более эффективной, а экономическое обоснование этого — более привлекательным.

Трубопровод для производства электромобилей на заводе Nio в Хэфэе, Китай Фото: Цилай Шен / Bloomberg / Getty

Аналитики говорят, что пример свинцово-кислотных аккумуляторов — тех, которые запускают бензиновые автомобили — дает повод для оптимизма.Поскольку свинец токсичен, эти батареи классифицируются как опасные отходы и подлежат безопасной утилизации. Но вместо этого была создана эффективная промышленность, в которой их перерабатывают, даже несмотря на то, что свинец дешев. «Более 98% свинцово-кислотных аккумуляторов восстанавливаются и перерабатываются», — говорит Камат. «Ценность свинцово-кислотного аккумулятора даже ниже, чем у литий-ионного аккумулятора. Но из-за объема в любом случае есть смысл утилизировать », — говорит Мелин.

Может пройти некоторое время, прежде чем рынок литий-ионных аккумуляторов достигнет своего полного размера, отчасти потому, что эти аккумуляторы стали исключительно долговечными: нынешние автомобильные аккумуляторы могут прослужить до 20 лет, говорит Камат.В типичном электромобиле, продаваемом сегодня, аккумуляторная батарея переживет автомобиль, в который он был встроен, говорит Мелин.

Это означает, что когда старые электромобили отправляются на металлолом, аккумуляторы часто не выбрасывают и не перерабатывают. Вместо этого их вынимают и повторно используют для менее требовательных приложений, таких как стационарные накопители энергии или приводы лодок. После десяти лет использования автомобильный аккумулятор, такой как Nissan Leaf, который первоначально имел 50 киловатт-часов, потеряет максимум 20% своей емкости.

Другой майский отчет МЭА, организации, известной своими исторически осторожными прогнозами, включал дорожную карту 8 по достижению к середине века чистых нулевых выбросов, которая включает переход на электрический транспорт в качестве краеугольного камня. Уверенность в том, что это достижимо, отражает растущий консенсус среди политиков, исследователей и производителей в отношении того, что проблемы электрификации автомобилей теперь полностью решаемы — и что, если мы хотим иметь хоть какую-то надежду удержать изменение климата на управляемом уровне, нельзя терять время. .

Но некоторые исследователи жалуются, что электромобили, кажется, соответствуют невыполнимым стандартам с точки зрения воздействия их батарей на окружающую среду. «Было бы неудачно и контрпродуктивно отказываться от хорошего решения, настаивая на идеальном решении», — говорит Камат. «Это, конечно, не означает, что мы не должны активно работать над вопросом утилизации батарей».

Батарея (электричество) — Энциклопедия Нового Света

Четыре электрохимических элемента двойной А (АА).

В науке и технике батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и делает ее доступной в электрической форме. Батареи состоят из электрохимических устройств, таких как один или несколько гальванических элементов, топливных элементов или проточных элементов. Строго говоря, электрическая «батарея» представляет собой взаимосвязанный массив одинаковых ячеек, но термин «батарея» также обычно применяется к отдельной ячейке, которая используется сама по себе.

Схема электрической батареи.

С технологическим прогрессом были разработаны различные типы аккумуляторов, которые можно использовать по-разному.Их области применения варьируются от портативных электронных устройств до автомобилей и космических зондов.

История

Самыми ранними известными артефактами, которые могли быть батареями, являются так называемые «багдадские батареи», очевидно использовавшиеся в период между 250–90–191 гг. До н. Э. и 640 C.E. Термин «батарея» в этом контексте был впервые использован Бенджамином Франклином для описания набора связанных лейденских баков, первого конденсатора и первых средств хранения заряда до изобретения настоящих электрохимических батарей.

Современная разработка батарей началась с вольтова котла, изобретенного итальянским физиком Алессандро Вольта, который объявил о нем в 1800 году. [1] . Эта батарея состояла из стопки цинковых и медных дисков, разделенных картоном, пропитанным рассолом.

Британский химик по имени Джон Фредерик Дэниелл искал способ устранить скопление газа в вольтовом котле. Его решение состояло в том, чтобы использовать второй электролит для потребления водорода, производимого первым. В 1836 году он изобрел ячейку Даниэля, которая состояла из медного горшка, наполненного раствором сульфата меди, в который был погружен неглазурованный глиняный сосуд, наполненный серной кислотой, в который был погружен цинковый электрод.До этого момента все батареи полностью разряжались, когда заканчивались их химические реакции.

В 1859 году Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный элемент, первую батарею, которую можно было заряжать, пропуская через нее обратный ток. Свинцово-кислотный элемент состоит из свинцового анода и катода из оксида свинца, погруженных в серную кислоту. Оба электрода реагируют с кислотой с образованием сульфата свинца, но реакция на свинцовом аноде высвобождает электроны, в то время как реакция на оксиде свинца поглощает их, производя ток.Эти химические реакции можно обратить вспять, пропустив через батарею обратный ток, тем самым подзаряжая ее. Первая модель Планте состояла из листа свинца и листа оксида свинца, разделенных резиновыми полосками и свернутых по спирали. [2] Его батареи впервые были использованы для питания фонарей в вагонах поездов, когда он остановился на станции.

В 1881 году Камилла Фор изобрела улучшенную версию, которая состояла из решетки из свинцовой сетки, в которую была запрессована паста из оксида свинца, образуя пластину.Несколько пластин можно штабелировать для большей производительности. Такую конструкцию было легче производить в серийном производстве. К концу девятнадцатого века Карл Гасснер заменил жидкий электролит пастой, сделав батарею гораздо более практичной для массового потребления.

В 1866 году Жорж Лекланше изобрел батарею, состоящую из цинкового анода, обернутого пористым материалом, и катода из диоксида марганца, погруженного в хлорид аммония. Катод из диоксида марганца также содержит небольшое количество углерода, что улучшает проводимость и поглощение электролита. [3]

В 1887 году Карл Гасснер запатентовал вариант ячейки Лекланше, которая стала известна как сухая ячейка, поскольку в ней не было свободного жидкого электролита. Вместо этого хлорид аммония был смешан с Plaster of Paris для создания пасты с добавлением небольшого количества хлорида цинка для продления срока хранения. Катод из диоксида марганца был погружен в эту пасту, и оба были запечатаны в цинковой оболочке, которая также действовала как анод.

На рубеже двадцатого века первые автомобили с бензиновым двигателем были ненадежными, а электромобили были более популярны.Однако их популярность ограничивалась очень тяжелыми свинцово-кислотными батареями, на которых они работали. Надеясь создать более коммерчески жизнеспособный электромобиль, Томас Эдисон и его сотрудники начали поиск более легкого и прочного перезаряжаемого аккумулятора. В 1903 году в результате их исследования была получена батарея, состоящая из железных и никелевых электродов с гидроксидом калия в качестве электролита (отсюда и «щелочной» дескриптор, хотя эту батарею чаще называют никель-железной батареей).Однако потребители обнаружили, что эта ранняя версия подвержена утечкам и короткому сроку службы; он также не намного превзошел свинцово-кислотную батарею. Эдисон вернулся к чертежной доске и семь лет спустя выпустил более надежную и мощную модель. К этому времени, однако, недорогая и надежная модель T Ford сделала автомобили с бензиновым двигателем стандартом. Тем не менее батарея Эдисона добилась больших успехов в других приложениях.

Самый распространенный тип батарей, продаваемых сегодня — щелочные батареи — были разработаны в 1955 году компанией Eveready.

Концепции аккумуляторов

Условное обозначение цепи аккумуляторной батареи; упрощенная электрическая модель; и более сложная, но все же неполная модель (последовательный конденсатор имеет чрезвычайно большую емкость и при зарядке имитирует разряд батареи).

Аккумулятор — это устройство, в котором химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую. Он состоит из одного или нескольких гальванических элементов, каждый из которых состоит из двух полуэлементов, последовательно соединенных проводящим электролитом [4] .На рисунке справа батарея состоит из одного или нескольких последовательно соединенных гальванических элементов. Обычный символ не обязательно отображает истинное количество гальванических элементов. Каждая ячейка имеет положительный полюс, показанный длинной горизонтальной линией, и отрицательный полюс, показанный более короткой горизонтальной линией. Они не соприкасаются друг с другом, а погружены в твердый или жидкий электролит.

Электролит — это проводник, соединяющий полуэлементы вместе. Он также содержит ионы, которые могут вступать в реакцию с химическими веществами электродов.Химическая энергия преобразуется в электрическую в результате химических реакций, которые переносят заряд между электродом и электролитом на границе раздела фаз. Такие реакции называются фарадеев, и отвечают за протекание тока через ячейку. Обычные реакции без переноса заряда ( нефарадеевских ) также происходят на границах раздела электрод-электролит. Нефарадеевские реакции — одна из причин того, что гальванические элементы (особенно свинцово-кислотные элементы обычных автомобильных аккумуляторов) «разряжаются», когда они не используются.

Около 1800 года Алессандро Вольта изучал влияние различных электродов на чистую электродвижущую силу (ЭДС) многих различных типов гальванических элементов. (ЭДС эквивалентна тому, что называлось внутренним источником напряжения в предыдущем разделе.) Он показал, что суммарная ЭДС (E) — это разность ЭДС 1 и 2, связанных с границами раздела электролит-электрод в двух полуячейках. Следовательно, одинаковые электроды дают Ε = 0 (нулевая ЭДС). Вольта не понимал, что ЭДС возникла из-за химических реакций.Он думал, что его клетки были неисчерпаемым источником энергии, и что связанные с ними химические эффекты (например, коррозия) были просто неприятностью, а не, как показал Майкл Фарадей около 1830 года, неизбежным побочным продуктом их работы.

Гальванические элементы и батареи гальванических элементов измеряются в вольтах, единицах электродвижущей силы в системе СИ. Напряжение на клеммах аккумулятора известно как напряжение на клеммах . Напряжение на клеммах батареи, которая не заряжается и не разряжается (напряжение холостого хода), равно ее ЭДС.Напряжение на клеммах разряженной батареи меньше, чем ЭДС, а напряжение заряжаемой батареи больше, чем ЭДС.

Щелочные и углеродно-цинковые элементы рассчитаны на напряжение около 1,5 В каждый из-за характера протекающих в них химических реакций. Для сравнения, учитывая высокие электрохимические потенциалы соединений лития, литиевые элементы могут обеспечивать до 3 или более вольт каждый. Однако соединения лития могут быть опасными.

В традиционной модели гальванического элемента, как показано выше, внутреннее сопротивление протягивается снаружи элемента.Это правильный эквивалент Тевенина для схемотехники, но он упрощает химию и физику. В более точной (и более сложной) модели гальванический элемент можно рассматривать как два электрических насоса, по одному на каждом выводе (фарадеевские реакции на соответствующих поверхностях раздела электрод-электролит), разделенных внутренним сопротивлением, в значительной степени обусловленным электролитом. . Даже это чрезмерное упрощение, поскольку оно не может объяснить, почему поведение гальванического элемента сильно зависит от скорости его разряда.Например, хорошо известно, что элемент, который разряжается быстро (но не полностью), самопроизвольно восстанавливается после времени ожидания, но элемент, который разряжается медленно (но полностью), самопроизвольно не восстанавливается.

Самая простая характеристика батареи — это ее ЭДС (напряжение), внутреннее сопротивление и емкость. В принципе, энергия, запасаемая батареей, равна произведению ее ЭДС и ее емкости.

Емкость аккумулятора

Учитывая, что напряжение батареи относительно постоянно, емкость батареи по хранению энергии часто выражается в терминах общего количества заряда, способного пройти через устройство.Это выражается в ампер-часах, , где один А · ч равен 3600 кулонам. Если аккумулятор может заряжаться в течение одного часа со скоростью один кулон / сек или один ампер (1 А), его емкость составляет 1 А · ч. Если он может обеспечить 1 А в течение 100 часов, его емкость составит 100 А · ч. Чем больше электролита и электродного материала в ячейке, тем больше емкость ячейки. Таким образом, крошечный элемент имеет гораздо меньшую емкость, чем элемент гораздо большего размера, даже если оба основаны на одних и тех же химических реакциях (например, щелочные элементы), которые производят одинаковое напряжение на клеммах.Из-за химических реакций внутри элементов емкость батареи зависит от условий разряда, таких как величина тока, продолжительность тока, допустимое напряжение на клеммах батареи, температура и другие факторы.

Производители аккумуляторов используют стандартный метод оценки своих аккумуляторов. Батарея разряжается с постоянной скоростью тока в течение фиксированного периода времени, например 10 часов или 20 часов, до установленного напряжения на клеммах на элемент.Таким образом, батарея на 100 ампер-часов рассчитана на 5 А в течение 20 часов при комнатной температуре. Эффективность батареи разная при разной скорости разряда. При низкой скорости разряда энергия аккумулятора передается более эффективно, чем при более высокой скорости разряда. Это известно как закон Пойкерта.

Срок службы батареи

Одноразовые (или «первичные») батареи, даже если их никогда не вынимать из оригинальной упаковки, могут ежегодно терять от двух до двадцати пяти процентов своего первоначального заряда.Эта скорость существенно зависит от температуры, поскольку обычно химические реакции протекают быстрее при повышении температуры. Это известно как скорость «саморазряда» и связано с нефарадеевскими (не производящими ток) химическими реакциями, которые происходят внутри элемента, даже если к нему не приложена нагрузка. Батареи следует хранить при прохладных или низких температурах, чтобы снизить скорость побочных реакций. Например, некоторые люди хранят неиспользованные батареи в холодильниках, чтобы продлить срок их службы, хотя следует позаботиться о том, чтобы батареи не замерзли.Чрезвычайно высокие или низкие температуры снижают производительность аккумулятора.

Перезаряжаемые батареи саморазряжаются быстрее, чем одноразовые щелочные батареи; до трех процентов в сутки (в зависимости от температуры). Из-за их плохого срока хранения их не следует оставлять в ящике, а затем использовать для питания фонарика или небольшого радиоприемника в чрезвычайной ситуации. По этой причине рекомендуется иметь под рукой несколько щелочных батарей. Никель-кадмиевые батареи почти всегда «разряжены», когда вы их получаете, и перед первым использованием их необходимо зарядить.

Большинство NiMH и NiCd аккумуляторов можно заряжать несколько сотен раз. Кроме того, они оба могут быть полностью разряжены, а затем перезаряжены без повреждения или сокращения их емкости. Автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи имеют гораздо более тяжелый срок службы. Из-за вибрации, ударов, тепла, холода и сульфатирования свинцовых пластин немногие автомобильные аккумуляторы служат дольше шести лет регулярного использования. Автомобильные пусковые батареи имеют множество тонких пластин, чтобы обеспечить как можно больше ампер в разумно небольшом корпусе, и они разряжаются лишь в небольшом количестве перед немедленной подзарядкой.Следует проявлять осторожность, чтобы не допустить глубокого разряда стартерной батареи, поскольку в процессе перезарядки с пластин плавится небольшое количество свинца. Когда в пластинах образуются отверстия, это приводит к уменьшению площади поверхности для химической реакции, что приводит к меньшему измеряемому напряжению. Если оставить свинцово-кислотную батарею в глубоко разряженном состоянии на любой период времени, это позволит сульфату более прочно приставать к пластине, что затрудняет удаление сульфата во время процесса зарядки. Это может привести к меньшей доступной поверхности пластины и, как следствие, к более низкому напряжению, сокращая срок службы батареи.Свинцово-кислотные батареи «глубокого цикла», такие как те, которые используются в электрических гольф-карах, имеют гораздо более толстые пластины, что способствует их долговечности. Основное преимущество свинцово-кислотных аккумуляторов — это невысокая стоимость, а основные недостатки — большие размеры и вес при заданной емкости и напряжении. Свинцово-кислотные батареи никогда не должны разряжаться ниже 20% от их полной емкости, так как внутреннее сопротивление вызовет нагрев и повреждение при попытке их перезарядки. Свинцово-кислотные системы глубокого цикла часто используют сигнальную лампу низкого заряда или выключатель низкого заряда, чтобы предотвратить повреждения, которые сокращают срок службы батареи.

Специальные «резервные» батареи, предназначенные для длительного хранения в аварийном оборудовании или боеприпасах, удерживают электролит батареи отдельно от пластин до тех пор, пока батарея не активируется, позволяя элементам заполниться электролитом. Срок хранения таких батарей может составлять годы или десятилетия. Однако их конструкция дороже, чем более распространенные формы.

Взрыв батареи

Взрыв батареи вызван неправильным использованием или неисправностью батареи, например попыткой перезарядки основной батареи или коротким замыканием батареи.В случае автомобильных аккумуляторов взрывы наиболее вероятны, когда короткое замыкание генерирует очень большие токи. Кроме того, автомобильные аккумуляторы выделяют водород при перезарядке (из-за электролиза воды в электролите). Обычно степень перезарядки очень мала, как и количество выделяемого взрывоопасного газа, и газ быстро рассеивается. Однако при «перепрыгивании» автомобильного аккумулятора большой ток может вызвать быстрое выделение большого количества водорода, который может воспламениться ближайшей искрой (например, при удалении соединительных кабелей).

Когда аккумулятор перезаряжается с чрезмерной скоростью, взрывоопасная газовая смесь водорода и кислорода может образоваться быстрее, чем она может выйти из стенок аккумулятора, что приведет к повышению давления и возможности взрыва корпуса аккумулятора. . В крайних случаях аккумуляторная кислота может сильно брызнуть из корпуса аккумуляторной батареи и вызвать травму.

Кроме того, утилизация батареи в огне может вызвать взрыв, поскольку пар скапливается внутри герметичного корпуса батареи.

Перезарядка, то есть попытка зарядить аккумулятор сверх его электрической емкости, также может привести к взрыву аккумулятора, утечке или необратимому повреждению аккумулятора. Это также может привести к повреждению зарядного устройства или устройства, в котором позже будет использоваться перезаряженная батарея.

Типы аккумуляторов

Различные батарейки (по часовой стрелке снизу слева): две 9-вольтовые, две «AA», одна «D», «аккумулятор для беспроводного телефона, аккумулятор для видеокамеры, 2-метровый аккумулятор для портативного радиолюбителя и батарейка-таблетка, один» C «и два» AAA «плюс U.С. четверть, масштаб

Сверху вниз: две кнопочные элементы, 9-вольтовая батарея PP3, батарея AAA , батарея AA , батарея C , батарея D , большая 3R12

С точки зрения пользователя, по крайней мере, батареи можно разделить на два основных типа: аккумуляторные и неперезаряжаемые (одноразовые). Каждый из них широко используется.

Одноразовые батареи, также называемые первичными элементами , предназначены для однократного использования и утилизации.Они чаще всего используются в портативных устройствах с низким потреблением тока, используются только с перерывами или используются далеко от альтернативного источника питания. Первичные ячейки также обычно использовались для цепей сигнализации и связи, где другая электроэнергия была доступна только периодически. Первичные элементы нельзя надежно перезарядить, так как химические реакции необратимы. Производители аккумуляторов рекомендуют не пытаться заряжать первичные элементы, хотя некоторые энтузиасты электроники утверждают, что это можно сделать с помощью специального зарядного устройства.

Напротив, аккумуляторные батареи или вторичные элементы , можно перезаряжать после того, как они разрядились. Это делается путем подачи внешнего электрического тока, который обращает вспять химические реакции, происходящие при использовании. Устройства для подачи соответствующего тока называются зарядными устройствами или зарядными устройствами.

Самой старой формой аккумуляторных батарей, все еще используемых в настоящее время, является свинцово-кислотная батарея с «мокрым элементом». Эта батарея примечательна тем, что она содержит жидкость в негерметичном контейнере, что требует, чтобы батарея держалась в вертикальном положении и хорошо вентилировалась, чтобы гарантировать безопасное рассеивание газообразного водорода, который удаляется этими батареями во время перезарядки.Свинцово-кислотный аккумулятор также очень тяжелый из-за того количества электроэнергии, которое он может поставлять. Несмотря на это, его низкая стоимость производства и высокие уровни импульсного тока делают его обычным использованием там, где требуется большая емкость (более примерно 10 Ач) или где вес и простота обращения не имеют значения.

Распространенной формой свинцово-кислотных аккумуляторов являются современные автомобильные аккумуляторы с жидкостными элементами. Он может обеспечивать мощность около 10 000 Вт в течение короткого периода времени и имеет пиковый выходной ток, который варьируется от 450 до 1100 ампер.Свинцово-кислотная батарея улучшенного типа, называемая гелевой батареей (или «гелевый элемент»), стала популярной в автомобильной промышленности в качестве замены свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Гелевый аккумулятор содержит полутвердый электролит для предотвращения утечки, испарения электролита и выделения газа, а также для значительного повышения его устойчивости к повреждениям от вибрации и тепла. Другой тип батареи, Absorbed Glass Mat (AGM), помещает электролит в специальный мат из стекловолокна для достижения аналогичных результатов.Более портативные перезаряжаемые батареи включают несколько типов «сухих» элементов, которые представляют собой герметичные блоки и поэтому используются в таких устройствах, как мобильные телефоны и ноутбуки. Элементы этого типа (в порядке увеличения плотности мощности и стоимости) включают никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion) элементы.

Одноразовые

Не предназначен для перезарядки — иногда их называют «первичными элементами».

  • Цинк-угольные батареи — средней стоимости — используются в устройствах с небольшим потреблением энергии.
  • Хлоридно-цинковая батарея — похожа на угольно-цинковую, но с несколько более длительным сроком службы.
  • Щелочные батареи — щелочные / марганцевые батареи с длительным сроком службы, широко используемые как в системах с малым, так и с большим разрядом.
  • Батарея из оксида серебра — обычно используется в слуховых аппаратах.
  • Литиевая батарея — обычно используется в цифровых фотоаппаратах. Иногда используется в часах и компьютерных часах. Очень долгий срок службы (до десяти лет в наручных часах) и способность обеспечивать высокие токи, но дорого.
  • Ртутная батарея — обычно используется в цифровых часах.
  • Воздушно-цинковая батарея — обычно используется в слуховых аппаратах.
  • Термобатарея — высокий температурный резерв. Практически исключительно военного назначения.
  • Активируемая водой батарея — используется для радиозондов и аварийных приложений.
аккумулятор

Также известны как вторичные батареи или аккумуляторы.

  • Свинцово-кислотный аккумулятор — обычно используется в транспортных средствах, системах сигнализации и источниках бесперебойного питания.Используется для использования в качестве батареи типа «А» или «мокрой» батареи в радиоприемниках с клапаном / лампой. Основным преимуществом этой химии является ее низкая стоимость — большая батарея (например, 70 Ач) относительно дешевая по сравнению с другими химическими реактивами. Однако этот химический состав батарей имеет более низкую плотность энергии, чем другие химические составы батарей, доступные сегодня (см. Ниже).
    • Абсорбированный стекломат — это класс свинцово-кислотных аккумуляторов, в которых электролит абсорбируется стекловолоконным матом.
    • Гелевый аккумулятор — это перезаряжаемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея с регулируемым клапаном и гелеобразным электролитом.
  • Литий-ионный аккумулятор
  • — это относительно современный аккумулятор с очень высокой плотностью заряда (то есть легкий аккумулятор будет накапливать много энергии) и который не страдает каким-либо эффектом «памяти». Используется в портативных компьютерах (портативных компьютерах), современных телефонах с фотоаппаратами, некоторых перезаряжаемых MP3-плеерах и большинстве другого портативного перезаряжаемого цифрового оборудования.
  • Литий-ионный полимерный аккумулятор — характеристики аналогичны литий-ионному, но с немного меньшей плотностью заряда. Этот химический состав аккумуляторов можно использовать для любых аккумуляторов в соответствии с потребностями производителя, например, для ультратонких (толщиной 1 мм) элементов для новейших КПК.
  • Никель-кадмиевые батареи — используются во многих домашних хозяйствах, но заменяются литий-ионными и никель-металлгидридными батареями. Этот химический состав дает самый длинный цикл жизни (более 1500 циклов), но имеет низкую плотность энергии по сравнению с некоторыми другими химическими соединениями. Никель-кадмиевые элементы, использующие более старые технологии, страдают от эффекта памяти, но в современных батареях он значительно уменьшен.
  • Батарея NaS — (натриево-серная батарея) представляет собой тип батареи, состоящей из натрия (Na) и серы (S). Батареи этого типа отличаются высокой плотностью энергии, высокой эффективностью заряда / разряда (89–92%), длительным сроком службы и изготовлены из недорогих нетоксичных материалов.
  • Никель-железная батарея — это аккумуляторная батарея с катодом из оксида-гидроксида никеля (III) и железным анодом с электролитом из гидроксида калия.
  • Никель-металлогидридная батарея, сокращенно NiMH, представляет собой тип перезаряжаемой батареи, аналогичной никель-кадмиевой (NiCd) батарее, но в ней используется водородопоглощающий сплав для анода вместо кадмия.
  • Натрий-металл-хлоридная батарея, новый класс перезаряжаемых натриевых / бета-глиноземных батарей, в которых традиционный катод с жидкой серой заменен катодом из хлорированного железа или никеля в форме пористой металлической матрицы, пропитанной расплавленным хлоридом натрия и алюминия.
  • Никель-цинковая батарея (иногда сокращенно NiZn) — это тип перезаряжаемой батареи, обычно используемый в секторе легких электромобилей.
  • Аккумулятор на расплавленной соли — это класс высокотемпературных электрических аккумуляторов с первичными и вторичными элементами, в которых в качестве электролита используются расплавленные соли.

Самодельные клетки

Практически любой жидкий или влажный объект, который имеет достаточно ионов, чтобы быть электропроводным, может служить электролитом для элемента. В качестве новинки или научной демонстрации можно вставить два электрода из разных металлов в лимон, картофель, стакан безалкогольного напитка и т. Д.и производить небольшое количество электроэнергии. С 2005 года «часы с двумя картофелинами» широко доступны в магазинах хобби и игрушек; они состоят из пары ячеек, каждая из которых состоит из картофеля (лимона и т. д.) с двумя вставленными в нее электродами, соединенными последовательно, чтобы сформировать батарею с напряжением, достаточным для питания цифровых часов. Самодельные элементы такого типа не имеют реального практического применения, потому что они производят гораздо меньший ток — и стоят гораздо больше на единицу произведенной энергии — чем коммерческие элементы, из-за необходимости частой замены фруктов или овощей.Кроме того, в серии из двух книг «Скрытное использование в повседневных делах» есть инструкции по изготовлению батарейки из никеля, пенни и бумажного полотенца, смоченного в соленой воде. Каждый из них может составлять до 0,3 вольт, и при использовании многих из них они могут заменить обычные батареи на короткое время.

Свинцово-кислотные элементы можно легко изготовить в домашних условиях, но для «формирования» пластин необходим утомительный цикл заряда / разряда. Это процесс, при котором на пластинах образуется сульфат свинца, который во время заряда преобразуется в диоксид свинца (положительная пластина) и чистый свинец (отрицательная пластина).Повторение этого процесса приводит к получению микроскопически шероховатой поверхности с гораздо большей открытой площадью поверхности. Это увеличивает ток, который может доставить ячейка.

Тяговые батареи

Тяговые батареи (вторичные батареи или аккумуляторы) предназначены для обеспечения энергией движения транспортного средства, такого как электромобиль или буксирный двигатель. Основное внимание при проектировании уделяется соотношению мощности к весу, поскольку автомобиль должен нести аккумулятор. Хотя использовались обычные свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом, электролит в тяговых батареях часто превращается в гель для предотвращения проливания.Электролит также может быть залит стекловатой, которая намотана так, чтобы элементы имели круглую площадь поперечного сечения (типа AGM).

Типы аккумуляторов, используемых в электромобилях

  • Обычный свинцово-кислотный аккумулятор с жидким электролитом.
  • Тип AGM (абсорбирующий стеклянный мат)
  • Zebra Na / NiCl 2 Аккумулятор, работающий при 270 ° C, требующий охлаждения в случае скачков температуры.
  • Батарея NiZn
  • (более высокое напряжение элемента 1,6 В и, как следствие, увеличение удельной энергии на 25%, очень короткий срок службы).

Литий-ионные батареи в настоящее время вытесняют никель-металл-гидридные батареи в этом секторе, в то время как при низких инвестиционных затратах свинцово-кислотная технология по-прежнему играет ведущую роль. [5] .

Проточные батареи

Батареи

Flow — это особый класс батарей, в которых дополнительное количество электролита хранится вне основного силового элемента батареи и циркулирует через него с помощью насосов или движения. Батареи Flow могут иметь чрезвычайно большую емкость и используются в морских приложениях, а также приобретают все большую популярность в приложениях для хранения энергии в сети.

Цинк-бромные и ванадиевые окислительно-восстановительные батареи являются типичными примерами имеющихся в продаже проточных батарей.

Необслуживаемый аккумулятор (MF)

Аккумулятор MF (необслуживаемый) — один из многих типов свинцово-кислотных аккумуляторов. Он стал популярным на мотоциклах, потому что его кислота поглощается средой, разделяющей пластины, поэтому она не может пролиться, и эта среда также оказывает поддержку пластинам, что помогает им лучше противостоять вибрации.

Электрические характеристики аккумуляторов MF несколько отличаются от свинцово-кислотных аккумуляторов с жидким электролитом, поэтому при их зарядке и разрядке следует соблюдать осторожность.Батареи MF не следует путать с батареями AGM (Absorbed Glass Mat), которые также имеют абсорбированный электролит, но опять же имеют другие электрические характеристики.

Соображения по охране окружающей среды

С момента их разработки более 250 лет назад батареи остались одними из самых дорогих источников энергии, а их производство требует многих ценных ресурсов и часто включает опасные химические вещества. По этой причине во многих регионах теперь доступны службы по переработке аккумуляторов для восстановления некоторых из наиболее токсичных (а иногда и ценных) материалов из использованных аккумуляторов.Батареи могут быть опасными или смертельными при проглатывании.

Электрический компонент

Ячейки в батарее могут быть подключены параллельно, последовательно или в обоих вариантах. Параллельная комбинация ячеек имеет то же напряжение, что и одиночная ячейка, но может обеспечивать более высокий ток (сумму токов от всех ячеек). Последовательная комбинация имеет тот же номинальный ток, что и одиночная ячейка, но ее напряжение является суммой напряжений всех ячеек. Большинство практичных электрохимических батарей, таких как 9-вольтовые батарейки для фонарей и 12-вольтовые автомобильные (автомобильные) батареи, имеют несколько элементов, соединенных последовательно внутри корпуса.Параллельные устройства страдают от проблемы, заключающейся в том, что, если одна ячейка разряжается быстрее, чем ее сосед, ток будет течь от полной ячейки к пустой ячейке, тратя энергию и, возможно, вызывая перегрев. Хуже того, если в одной ячейке произойдет короткое замыкание из-за внутренней неисправности, ее сосед будет вынужден разрядить свой максимальный ток в неисправную ячейку, что приведет к перегреву и, возможно, взрыву. Поэтому параллельно включенные элементы обычно снабжены электронной схемой для защиты от этих проблем.Как в последовательном, так и в параллельном типах энергия, запасенная в батарее, равна сумме энергий, накопленных во всех ячейках.

Батарею можно просто смоделировать как идеальный источник напряжения (т.е. источник с нулевым внутренним сопротивлением), соединенный последовательно с резистором. Источник напряжения зависит в основном от химического состава батареи, а не от того, разряжена она или нет. Когда батарея разряжается, ее внутреннее сопротивление увеличивается. Когда батарея подключена к нагрузке (например, лампочке), которая имеет собственное сопротивление, результирующее напряжение на нагрузке зависит от отношения внутреннего сопротивления батареи к сопротивлению нагрузки.Когда батарея свежая, ее внутреннее сопротивление низкое, поэтому напряжение на нагрузке почти равно напряжению внутреннего источника напряжения батареи. По мере того, как батарея разряжается и ее внутреннее сопротивление увеличивается, напряжение падает на ее внутреннем сопротивлении, поэтому напряжение на ее выводах уменьшается, и способность батареи передавать мощность на нагрузку уменьшается.

См. Также

Банкноты

  1. ↑ «Об электричестве, возбуждаемом простым контактом проводящих веществ разных видов.В письме г-на Александро Вольта, профессора естественной философии Университета Павии, Р. Достопочтенный Сэр. Джозеф Бэнкс, Барт. К.Б. P.R.S. Прочтите 26 июня 1800 г. ». Philosophical Transactions of the Royal Society of London (1800): 403-431. Проверено 27 декабря 2017 г.
  2. ↑ Corrosion-doctors.org Гастон Планте (1834-1889) Получено 27 декабря 2017 г.
  3. ↑ Molecular Expressions Zinc-Carbon Batteries Получено 27 декабря 2017 г.
  4. ↑ Энн Мари Хелменстайн, Half-Cell Definition ThoughtCo., 2017. Проверено 27 декабря, 2017.
  5. ↑ Matheys, J. и W. Van Autenboer. Subat: Sustainable Batteries. Проверено 27 декабря 2017 года.

Список литературы

  • Линден, Дэвид; Редди, Томас Б. Справочник по батареям . Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional, 2001. ISBN 0071359788
  • Dell, R.M. и D. Rand. Общие сведения об аккумуляторах . Лондон, Англия: Королевское химическое общество, 2001. ISBN 0854046054
  • Бухманн, Исидор. Батареи в портативном мире: Справочник по аккумуляторным батареям для не инженеров . Ричмонд, Британская Колумбия, Канада: Cadex Electronics, 2001. ISBN 0968211828

Внешние ссылки

Все ссылки получены 27 декабря 2017 г.

кредитов

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Мнение

: Электромобили, безусловно, грязные — их аккумуляторные блоки могут стать одним из крупнейших новых источников загрязнения

Международное энергетическое агентство (МЭА) заявило в этом году, что к 2030 году ожидает 145 миллионов электромобилей (EV) по всему миру. правительства наращивают усилия по достижению международных целей в области энергетики и климата, это число может вырасти еще больше — до 230 миллионов — и это не считая двух- и трехколесных транспортных средств.

Это много новых автомобилей, которые появятся на мировых рынках.А еще… много батареек.

Хотя электромобили не выделяют углекислый газ во время использования, их производства (и аккумуляторы) наносят такой же урон окружающей среде, как и обычные автомобили, в то время как переработка литий-ионных аккумуляторов создает уникальные проблемы.

Литий-ионные аккумуляторы более громоздкие и занимают больше места, чем их традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы. Что еще хуже, они легко воспламеняются и даже взрывоопасны, если демонтировать их неправильно.

В следующие 10-15 лет во всем мире будут выброшены миллионы электромобилей; К тому времени предприятия по переработке должны быть готовы не только принять все эти батареи, утилизировать ценные детали и металлы, но и правильно утилизировать отходы. К сожалению, в этом направлении мало что делается: в настоящее время перерабатывается только 5% всех литий-ионных аккумуляторов.

Если не предпринять никаких действий, отходы аккумуляторных батарей могут стать большой проблемой не только для автомобильной промышленности, но и для окружающей среды.

Насколько большой? Если средний автомобильный аккумуляторный блок весит 550 фунтов, 100 миллионов автомобилей будут производить около 55 миллиардов фунтов — 28 миллионов тонн — аккумуляторных отходов, которые необходимо переработать. И мы можем ожидать, что большая часть этих отходов накопится к 2040 году, если прогнозы МЭА хотя бы частично верны.

Загрязнение воды

Хотя литий-ионные батареи классифицируются федеральным правительством как неопасные отходы и безопасны для утилизации вместе с обычными бытовыми отходами, несколько исследований показали, что они могут загрязнять воду.В настоящее время вторичная переработка в большинстве случаев носит «неформальный характер» — она ​​часто происходит в менее развитых сельских районах и без надлежащего надзора или защитных мер.

При таких операциях высока вероятность просачивания лития в воду. Аналогичная ситуация наблюдается в высокоразвитых регионах, где люди неправильно утилизируют бытовую электронику, которая, как правило, работает от литий-ионных аккумуляторов. Наконец, не только литий может загрязнять почву и грунтовые воды.Никель, кобальт, марганец и другие металлы, содержащиеся в батареях электромобилей, представляют даже большую угрозу, чем литий, как для жизни человека, так и для экосистемы.

Большая часть материалов автомобильных аккумуляторов для электромобилей может быть переработана и использована повторно, что само по себе является экономическим аргументом в пользу добычи; Извлечение материалов, особенно металлов, кобальта и никеля, из старого корпуса батареи для повторного использования в новой партии — процедура, которая может значительно снизить производственные затраты. Это связано с тем, что почти 50% стоимости батареи приходится только на эти металлы.

Интересно, что один из способов извлечения металлов из батарей — плавка — идентичен извлечению металла из руд, но без дополнительного вреда для окружающей среды, связанного с добычей полезных ископаемых.

Итак, почему больше батарей не перерабатывается? Причина в том, что заводы по переработке лома не получают много — около 100 долларов за тонну. Это намного заменяется логистическими расходами, связанными с его сбором, сортировкой и транспортировкой.

Наконец, чтобы произвести достаточно батарей, нам нужно утроить текущие темпы производства лития, графита, никеля и марганца.Абсолютно необходим агрессивный режим переработки для удовлетворения растущего спроса на эти материалы и ограничения ущерба окружающей среде, наносимого горнодобывающей промышленностью.

Ответ Европы

Как и во многих других случаях, Европейский Союз хочет решить проблему с помощью регулирования. Предлагаемое законодательство направлено на возложение повышенного нормативного бремени на производителей, производителей, импортеров и дистрибьюторов батарей, которые должны будут предпринять несколько шагов для обеспечения соответствия.

В документе излагаются важные новые требования, касающиеся производства, дизайна, маркировки, сбора и переработки на протяжении всего срока службы батарей для всех типов батарей.Далее в нем говорится: «Эти меры могут оказать существенное влияние на рынок аккумуляторов в ЕС, улучшив устойчивость, замкнутость и прозрачность всей цепочки создания стоимости продукта».

Хотя у этого плана есть потенциал, он не лишен существенных недостатков. Это может поставить европейских производителей в невыгодное положение по сравнению с китайскими и американскими аналогами. Это может задушить инновации, взвинтить цены и замедлить внедрение, поставив под сомнение планы Европы по распространению электромобилей.

Однако в этих усилиях есть свои достоинства, поскольку производители — по крайней мере, европейские — откликаются.

Nissan NSANY, -1,47% повторно использует свои старые батареи Leaf для заправки заводских автомобилей. Фольксваген VWAGY, + 1,62% недавно открыла собственный завод по переработке, способный перерабатывать 3600 аккумуляторных систем в год. Renault RNLSY, -0,69% в настоящее время перерабатывает несколько сотен аккумуляторов в год, по сути, все свое производство.Наконец, в июле Mercedes ДМЛРЮ, -0,71% обнародовала планы по переходу на использование только электромобилей к 2030 году.

Планы бывшего инженера Tesla

В США дела тоже идут хорошо. Дж. Б. Штраубель, Tesla’s TSLA, г. + 3,26% бывший технический директор любит говорить, что самая большая литиевая шахта находится в ящиках мусора Америки. Его компания по переработке отходов Redwood Materials перерабатывает лом и дефектные аккумуляторные элементы для Envision AESC, которая производит аккумуляторы для Nissan Leaf и Panasonic. PCRFY, -2.09%, которая производит ячейки на заводе Tesla в Неваде. В настоящее время завод может восстанавливать компоненты, достаточные для производства 45 000 аккумуляторных батарей для электромобилей в год.

В конце концов, все сведется к исполнению. Утилизация — это грязный бизнес во многих отношениях, и все участники — от производителей до предприятий по переработке и, в конечном счете, водителей — будут играть в мяч.

Если все будет сделано правильно, мы сможем увидеть, как усилия по переработке компенсируют значительную часть экологических и экономических затрат на производство аккумуляторов для электромобилей.В противном случае в результате может возникнуть ситуация, которая намного хуже, чем пластиковое загрязнение, загрязняющее океаны.

Автопроизводители наращивают темпы производства аккумуляторов для электромобилей

DETROIT (AP) — Мировые автопроизводители и технологические компании наращивают темпы строительства заводов и готовятся к тому, что, по мнению многих, будет быстрым переходом от двигателей внутреннего сгорания к электромобилям.

В понедельник Toyota, Stellantis, Foxconn, Ford и Volvo объявили о заводах по сборке компонентов электромобилей или о планах привлечения капитала для финансирования перехода.Эти шаги дополняют предыдущие планы Ford и General Motors по строительству пяти заводов по производству аккумуляторов в США в ожидании перехода на электроэнергию.

На данный момент эти шаги опережают спрос, но прогнозисты прогнозируют, что доля электромобилей резко вырастет по мере того, как будут выпускаться все больше аккумуляторно-электрических моделей, поскольку правительства повышают требования к автомобилям с нулевым уровнем выбросов для борьбы с изменением климата.

По данным LMC Automotive, в настоящее время только около 4,8% из примерно 80 миллионов новых автомобилей, проданных в мире, работают исключительно на электроэнергии.

Но консалтинговая фирма Alix Partners прогнозирует, что этот показатель вырастет до 11% в 2025 году и до 24% в 2030 году. Если включить в него подключаемые к электросети газо-электрические гибриды, которые могут путешествовать на короткие расстояния исключительно на электричестве, эта цифра вырастет до 28%. через 10 лет.

Одновременно Alix Partners прогнозирует, что глобальные продажи автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем упадут с нынешних 89% до примерно 39% к 2030 году. Газоэлектрические гибриды, которые работают на бензине и электричестве одновременно, вырастут с 7% в настоящее время до 33% в 2030 году.

«Все мы пытаемся понять, как клиенты будут принимать электромобили», — сказал Крис Рейнольдс, главный административный директор Toyota в Северной Америке, в интервью Associated Press. «Мы не знаем наверняка, но должны быть готовы».

Toyota заявила, что планирует построить в США новый завод стоимостью 1,29 млрд долларов по производству аккумуляторов для гибридных и полностью электрических транспортных средств. Местоположение не было объявлено, но компания заявила, что в конечном итоге наберет 1750 человек и начнет производство аккумуляторов в 2025 году, постепенно расширяясь до 2031 года.

Завод является частью 3,4 миллиарда долларов, которые Toyota планирует потратить в США на автомобильные аккумуляторы в течение следующего десятилетия. В нем не уточняется, куда будут потрачены оставшиеся 2,1 миллиарда долларов, но часть этой суммы, вероятно, пойдет на другой завод по производству аккумуляторов.

Stellantis, ранее Fiat Chrysler, и LG Energy Solution заявили в понедельник, что они планируют построить завод по производству аккумуляторов, чтобы к 2030 году автопроизводитель получил 40% продаж в США от автомобилей, которые хотя бы частично работают на электричестве.Они не сказали, где будет завод.

Также в понедельник тайваньская компания Foxconn Technology Group, производящая смартфоны для Apple и других компаний, заявила, что будет производить электромобили и автобусы для автомобильных брендов в Китае, Северной Америке, Европе и на других рынках.

Volvo Cars в понедельник представила более подробную информацию о своем первичном публичном размещении акций, которое профинансирует ее амбициозный план по преобразованию в компанию, производящую полностью электрические автомобили, к 2030 году. Шведский автомобильный бренд, принадлежащий китайскому автомобилестроителю Geely, заявил, что IPO оценит компанию на 163-200 миллиардов крон (18.8–23 миллиарда долларов), когда акции начнут торговаться 28 октября.

И Ford Motor Co. объявила, что превратит завод трансмиссий на северо-западе Англии в завод, который будет производить электрические силовые агрегаты для легковых и грузовых автомобилей, продаваемых по всей Европе.

В большинстве объявлений отсутствовала конкретная информация, например, о местонахождении, а в некоторых не говорилось, сколько рабочих мест будет создано.

Джефф Шустер, президент отдела глобального прогнозирования транспортных средств компании LMC Automotive, сказал, что это потому, что автопроизводители «в моде» делать такие объявления, которые хорошо принимаются инвесторами.Но он сказал, что заводы будут необходимы, особенно в США, где производственные мощности по производству аккумуляторов отстают от Европы и Китая.

«Это происходит за кулисами, поскольку мы смотрим на глобальный переход к электромобилям», — сказал он. «Это фундамент. Вам понадобятся батареи, прежде чем вы сможете добраться туда ».

Эти шаги последовали сразу после того, как Ford и General Motors недавно объявили о крупных инвестициях в аккумуляторные заводы в США. GM планирует построить заводы по производству аккумуляторов в Огайо и Теннесси, а Ford планирует построить заводы в Теннесси и Кентукки.

Toyota сформирует новую компанию для управления своим новым аккумуляторным заводом в США с Toyota Tsusho, дочерней компанией, которая в настоящее время производит ряд запчастей для автопроизводителя. Компания также поможет Toyota расширить свою цепочку поставок в США, а также расширить свои знания о литий-ионных автомобильных аккумуляторах, сообщила в понедельник Toyota.

Новый завод, вероятно, будет расположен рядом с одним из сборочных заводов компании в США в Миссури, Кентукки, Индиане, Алабаме или Техасе.

Toyota планирует к 2030 году продавать по всему миру 2 миллиона электромобилей на водороде и аккумуляторных батареях с нулевым уровнем выбросов в год.В США Toyota планирует продать к 2030 году от 1,5 млн до 1,8 млн автомобилей в США, которые хотя бы частично электрифицированы.

Рейнольдс сказал, что никто не может точно предсказать, как быстро произойдет переход на питание от батареи, но он сказал, что переход на газо-электрические гибриды произошел быстрее, чем предполагала Toyota, когда представила Prius в конце 1990-х годов. Он рассматривает гибридные и подключаемые гибриды как мост между двигателями полного внутреннего сгорания и электромобилями.

Сейчас в U.S., Toyota предлагает водородные автомобили, гибриды и подключаемые гибридные силовые агрегаты. Toyota заявляет, что на автомобили, которые хотя бы частично работают на электричестве, сейчас приходится около четверти ее продаж в США, и она планирует, что к 2030 году этот показатель вырастет почти до 70%.

Компания заявляет, что у нее будет 15 аккумуляторных электромобилей для продажи по всему миру. к 2025 году.

___

Тайцзин Ву внес свой вклад в эту историю из Тайбэя, Тайвань. Даника Кирка и Кельвин Чан внесли свой вклад из Лондона.

____

Эта история была исправлена, чтобы показать, что Джефф Шустер является президентом по глобальному прогнозированию транспортных средств компании LMC Automotive.

Tesla переходит на батареи LFP во всех автомобилях стандартного диапазона

Крупный план логотипа Tesla на зарядном устройстве на станции быстрой зарядки аккумуляторов Supercharger для компании электромобилей Tesla Motors, в городе Маунтин-Вью, Калифорния, в Кремниевой долине, в городе Маунтин-Вью, Калифорния, август 24, 2016.

Коллекция Смита / Гадо | Архивные фотографии | Getty Images

Tesla меняет химию аккумуляторов, которые она использует во всех своих электромобилях стандартного диапазона, на версию с литий-железо-фосфатным (LFP) катодом, сообщил автопроизводитель в среду в своем отчете для инвесторов за третий квартал.

Этот шаг, вероятно, станет для Tesla способом увеличить рентабельность своих полностью электрических автомобилей, при этом не обязательно поднимая цены на автомобили. В прошлом Tesla критиковали за спорадические изменения цен на автомобили.

Компания уже производит автомобили с химией LFP на своем заводе в Шанхае. Он продает эти автомобили в Китае, Азиатско-Тихоокеанском регионе и Европе.

Китай обычно продвигает использование этого типа батарей, по словам исследователя материалов и консультанта Роскилла.Компания отмечает, что около 95% производства катодов LFP производится в Китае.

В сентябре Tesla спросила держателей брони Model 3 в США, примут ли они автомобиль с аккумулятором, изготовленным из элементов LFP, вместо элементов из никель-кобальт-алюминия (NCA), которые Tesla ранее использовала для седанов Model 3, продаваемых в Северная Америка.

«У LFP есть как положительные, так и отрицательные компромиссы, — сказал Сэм Абуэлсамид, главный аналитик Guidehouse Insights. «Это значительно дешевле и не требует никеля или кобальта.Кроме того, он более стабилен, что делает его более безопасным ».

Один серьезный недостаток: ячейки менее энергоемкие, что означает, что они предлагают меньший диапазон при том же весе, что и другие ячейки. Холодная погода также влияет на них больше, сказал Абуельсамид.

Абуельсамид считает, что изменение Tesla «вероятно, разумная идея, потому что они, вероятно, не пойдут на снижение цен, поэтому это, вероятно, увеличит их прибыль».

Другие автопроизводители, такие как Ford Motor и Volkswagen, проявили интерес к химическому составу аккумуляторов для снижения модели по цене, по словам Абуельсамида.Он сказал, что это также особенно привлекательно для коммерческих автомобилей, таких как грузовые автофургоны, которым не требуется дальность действия в несколько сотен миль.

Генеральный директор Snow Bull Capital Тейлор Оган, давний опытный специалист по Tesla, сказал CNBC: «Аккумуляторы LFP дешевле и безопаснее. С помощью этой химии вы можете заряжать аккумулятор вашего автомобиля до 100% и не беспокоиться о том, что его деградация надолго останется. Кроме того, эти батареи действительно легко утилизировать. И получить сырье для них проще с этической точки зрения. Вот почему батареи на основе железа уже действительно являются батареей Китая, и они все, что вам нужно для стандартных -размер авто.»

Двумя ведущими производителями аккумуляторных элементов этих типов являются CATL и BYD. Tesla уже закупает аккумуляторы у CATL, о которых компании сообщали ранее. «переход на химию литий-железо-фосфатных батарей (LFP) во всем мире».

Tesla не сразу ответила на комментарий

— CNBC Лора Колодны внесла свой вклад в этот отчет.

Автопроизводители тратят миллиарды на производство аккумуляторных элементов для электромобилей в США.

Dane Hardware (справа), инженер Ford по дизайну и выпуску и Мэри Фредрик, инженер Ford по проверке аккумуляторных батарей, измеряют напряжение аккумулятора с помощью цифрового мультиметра Лаборатория сравнительного анализа и тестирования аккумуляторов Ford в Аллен-Парке, штат Мичиган.

Ford

Поскольку цепочки поставок по всему миру остаются в бедственном положении, автопроизводители тратят миллиарды на перенос производства аккумуляторных элементов в свои страны, чтобы удовлетворить ожидаемый стремительно растущий спрос на электромобили в течение следующего десятилетия.

Автопроизводители от Детройта до Японии планируют упростить цепочки поставок, чтобы снизить затраты, упростить логистику и избежать массовых сбоев. Глобальная нехватка полупроводниковых микросхем подчеркивает зависимость отрасли от зарубежных производителей запчастей.

Те, кто базируется или имеет крупные операции в США, также надеются успокоить администрацию Байдена, которая призвала компании перенести цепочки поставок в США.

Помимо Tesla, лидера продаж электромобилей в стране, автопроизводители были до недавнего времени неохотно инвестировала в производство аккумуляторных элементов.Вместо этого они полагались на поставщиков, в основном базирующихся в Азии, для создания таких деталей. Многие, включая Tesla, имеют или планируют сотрудничать с поставщиками аккумуляторных элементов, такими как Panasonic и LG Chem, для производства деталей.

«Произойдет быстрая электрификация, плюс нехватка полупроводников Covid-19 действительно научила нас тому, что мы должны делать больше, чем просто полагаться на батареи как на товар», — сказал Арун Кумар, управляющий директор автомобильной и автомобильной промышленности. производственная практика в AlixPartners.«С нашей точки зрения, вы увидите, что это еще больше ускорится, в первую очередь потому, что локализация становится важным фактором, если вы действительно думаете о массовом производстве аккумуляторов».

Электромобили питаются от аккумуляторных батарей, в которых есть модули, в которых содержатся элементы. Пакеты — это, безусловно, самая важная и дорогостоящая часть электромобиля. Они также могут весить от сотен до тысяч фунтов, что делает доставку более сложной, чем мелкие предметы, такие как небольшие полупроводниковые микросхемы.

330 миллиардов долларов в электромобили

Основываясь на скользящем среднем показателе объявленных инвестиций за пять лет, AlixPartners ожидает, что в следующие пять лет компании вложат 330 миллиардов долларов во все мировые цепочки поставок электромобилей.Ожидается, что около трети этой суммы придется на батареи, в основном в Китае и Европе, в то время как США пытаются наверстать упущенное.

По словам Кумара, этот прогноз на 65% выше ожидаемых 200 миллиардов долларов с 2018 года.

«Электрификация происходит быстрее, чем многие думали еще несколько лет назад», — сказал он. «Планы производителей оборудования начали кардинально меняться».

Инвестиции производятся в рамках подготовки к новому спросу. В то время как автомобили с подзарядкой от сети, включая полностью электрические и гибриды, по прогнозам, будут составлять только 4% от общего числа автомобилей U.S. market в этом году ожидается быстрое внедрение во всем мире в течение следующего десятилетия, в том числе

в США. AlixPartners ожидает, что к 2030 году около 28% автомобилей во всем мире будут электромобилями. В США LMC Automotive ожидает около трети новых к тому времени продажи автомобилей в США станут электромобилями.

Компания Panasonic, возглавляемая Tesla, является крупнейшим производителем аккумуляторных элементов в стране, согласно отчету Аргоннской национальной лаборатории, подготовленному для Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.Согласно отчету, японская компания поставила аккумуляторные батареи для 70,9% автомобилей, проданных в 2020 году в США.

Но другие компании, такие как LG Chem и SK Innovation, сотрудничают с автопроизводителями и предпринимают собственные шаги.

«Все более вертикальный»

Автопроизводитель Stellantis, бывший Fiat Chrysler, и дочернее предприятие LG Chem Energy Solution в понедельник объявили о соглашении о создании совместного предприятия по производству аккумуляторных элементов и модулей для Северной Америки. Компании не предоставили финансовых подробностей, но это добавит миллиарды к уже заявленным инвестициям.

Toyota Motor в понедельник также заявила, что планирует инвестировать около 3,4 миллиарда долларов (380 миллиардов иен) в разработку и производство автомобильных аккумуляторов в США до 2030 года, включая новый завод по производству аккумуляторов стоимостью 1,3 миллиарда долларов.

«Десятки миллиардов долларов, которые в течение следующих пяти-десяти лет инвестируют большинство крупных автопроизводителей в переход на электричество, последнее, что они хотят сделать, — это застрять без ключевых компонентов, которые им нужны, будь то это могут быть аккумуляторы или микросхемы », — сказал главный аналитик Guidehouse Insights Сэм Абуэлсамид.«В одних случаях они увеличивают свою вертикальность, а в других — диверсифицируют поставки».

Объявление поступило в понедельник после того, как Ford Motor заявил в прошлом месяце, что инвестирует более 11,4 млрд долларов в новые предприятия в США, которые создадут около 11000 рабочих мест для производства электромобилей и аккумуляторов, включая заводы по производству литий-ионных аккумуляторов в центральном Кентукки через совместное предприятие. с SK Innovation.

«Из-за Covid, а теперь и реакции на нехватку полупроводников, наше правительство и компании стремятся выйти на берег», — сказал Джеймс Льюис, старший вице-президент Центра стратегических и международных исследований, который работает с автопроизводителями.«Автомобильные компании, в частности, не хотят снова попасть в ловушку, как они были пойманы на стружках».

Заводы в США

Следуя примеру Tesla, General Motors может стать следующей, чтобы производить собственные аккумуляторные элементы и блоки в США. В рамках совместного предприятия с LG Energy Solution автопроизводитель из Детройта планирует начать производство элементов на заводе в Огайо в следующем году. . Ожидается, что в ближайшие годы этот завод станет первым из как минимум четырех, включая еще один, объявленный в Теннесси.

По данным Центра автомобильных исследований, 27 заводов по производству аккумуляторов, включая элементы и блоки, были объявлены или в настоящее время работают в США.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *