Потребительский рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов огромен – около $10 млрд , при этом он довольно устойчив, темп роста составляет всего 2% в год. А как же электромобили, спросите вы? Действительно, в ближайшие годы, в связи развитием электромобилей, прогнозируется темп ежегодного роста литий-ионных аккумуляторов в 10%. На удивление, самой большой областью роста рынка Li-ion батарей по-прежнему остается «все остальное», начиная от мобильных телефонов и заканчивая вилочными погрузчиками.
«Другие» приложения для литий-ионных аккумуляторов, как правило, имеют одну общую черту – это устройства, которые получают питание от запечатанных свинцово-кислотных батарей (англ. sealed lead acid (SLA)). За последние почти 200 лет свинцово-кислотные батареи заняли лидирующую позицию на рынке электроники, но они вот уже несколько лет вытесняются с рынка литий-ионными аккумуляторами. Поскольку во многих случаях литий-ионные батареи стали заменять свинцово-кислотные батареи (аккумуляторы), стоит сравнить эти два вида накопителей энергии, подчеркнув основные технические особенности и экономическую целесообразность применения Li-ion вместо традиционных SLA устройств.
История применения аккумуляторных батарей
Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.
Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.
СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.
Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.
Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.
Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.
Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.
Химические особенности
Фундаментальные основы химических процессов в ячейках придают свинцово-кислотным и литий-ионным устройствам определенные свойства и различные степени функциональных возможностей. Ниже приведены некоторые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов, которые сделали его основным в течении десятилетий и недостатки, которые теперь приводят к его замене, а также подобные аспекты для литий-ионных устройств.
Свинцово-кислотная батарея
- СКБ проста, надежна и недорога. Ее можно использовать в широком диапазоне температур.
- Батареи должны хранится в постоянно заряженном состоянии (SoC) и они не поддаются быстрой зарядке.
- СКБ имеют большой вес. Их гравиметрическая плотность энергии очень мала.
- Жизненный цикл обычно составляет от 200 до 300 разрядов/зарядов, что очень мало.
- Кривая заряда/разряда позволяет измерять SOC с простым контролем напряжения.
Литий-ионная батарея
- Имеют максимальную плотность энергии по размеру и весу.
- Жизненный цикл обычно составляет от 300 до 500, но может измеряться и тысячами для литий-фосфатных ячеек;
- Очень мал диапазон рабочих температур;
- Доступны различные размеры ячеек, формы и другие возможности;
- Нет необходимости в техническом обслуживании. Уровень саморазряда очень мал.
- Требуется реализация схем по безопасности эксплуатации. Сложный алгоритм зарядки.
- Измерения SoC требует непростых решений из-за нелинейности кривой напряжения.
Электроника
Важно понимать различие между батарейным блоком и аккумулятором. Ячейка – основной составной элемент пакета. Помимо этого, в пакет еще входит электроника, разъемы и корпус. На рисунке выше показаны примеры данных устройств. Литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь, как минимум, реализованные схемы защиты и управления ячейкой, а зарядное устройство и система измерения напряжения гораздо сложнее, чем в свинцово-кислотных устройствах.
При использовании литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, основные отличия в электронике будут заключаться в следующем:
Зарядка
Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора довольно проста при соблюдении определенных порогов напряжений. В литий-ионных батареях используют более сложный алгоритм, за исключением пакетов на основе фосфата железа. Стандартный метод заряда для таких устройств – метод постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV). Он включает в себя двухэтапный процесс зарядки. На первом этапе происходит заряд с постоянным током. Длится это до тех пор, пока напряжение на ячейке не достигнет определенного порога, после чего напряжение остается постоянным, а ток снижается по экспоненциальному закону, пока не достигнет значения отсечки.
Подсчет заряда и связь
Как упоминалось ранее, заряд СКБ можно измерять простыми средствами измерения напряжения. При использовании литий-ионных аккумуляторов необходим контроль уровня заряда ячеек, для чего необходима реализация сложных алгоритмов и циклов обучения.
I2C является наиболее распространенным и экономичным протоколом связи, используемым в литий-ионных аккумуляторах, но он имеет ограничения в отношении помехоустойчивости, целостности сигнала на расстоянии и общей полосы пропускания. SMBus (шина управления системой), производная от I2C, очень распространена в батареях меньшего размера, но в настоящее время не имеет какой-либо эффективной поддержки для мощных или более крупных пакетов. CAN прекрасно подходит для сред с высоким уровнем шума или там, где требуются длительные прогоны, например во многих СКБ-приложениях, но это стоит довольно дорого.
Прямые замены
Следует подчеркнуть, что ныне существует несколько стандартных форматов свинцово-кислотных батарей. Например — U1, стандартный форм-фактор, используемый в приложениях резервного питания медицинского оборудования. Литий-железо-фосфатный аккумулятор оказался вполне достойной заменой свинцово-кислотным. Фосфат железа обладает замечательным жизненным циклом, хорошей проводимостью зарядов, улучшенной безопасностью и низким импедансом. Напряжения литий-железо-фосфатных аккумуляторов также хорошо согласуются с напряжениями свинцово-кислотных (12 В и 24 В), что позволяет использовать одни и те же зарядные устройства. Программные пакеты для обслуживания и контроля батарей включают в себя интеллектуальные функции, такие как отслеживание заряда, счетчик циклов заряда/разряда и другие.
Литий-железо-фосфатные батареи сохраняют 100% емкости при хранении, в отличие от СКБ батарей, которые теряют емкость в течение нескольких месяцев хранения. На рисунке выше сравниваются два продукта и типы достижений, достигнутых при переходе от СКБ к Li-ion.
Выводы
Очень мало существует батарей, которые способны хранить столько же энергии, как свинцово-кислотные, что делает данный вид аккумуляторов экономически выгодным для многих мощных устройств. Литий-ионная технология постоянно снижается в цене, а также постоянные совершенствование их химических структур и систем безопасности делает их достойным конкурентом свинцово-кислотной технологии. Устройства для их применения могут быть самые различные, начиная от устройств бесперебойного питания, до электромобилей и беспилотников.
