Новые аккумуляторные технологии не всегда доходят до потребителя. Но этот список 13 новых технологий и исследований аккумуляторных батарей уже реальны в 2022 году.
В основе фактов и выводов этой статьи исследование отрасли литий-ионных аккумуляторов Департамента химической инженерии при Массачусетском технологическом институте (Кембридж, Массачусетс, США).
⭐ Составили список наиболее важных и простых для понимания особенностей и достижений аккумуляторной отрасли за последние несколько лет.
По каждому пункту привели ссылки на первоисточник для самостоятельного изучения. Тоже пользуемся на предприятии Neovolt.
🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ Научно-популярное
1. Литий-ионная технология главенствует
Среди существующих аккумуляторных технологий сейчас больше всего распространена литий-ионная (обозначается для краткости LIB — Li-Ion Battery). Причина в преимуществах характеристик:
- плотность энергии (питает махонький смартфон до двух суток);
- мощность разряда (годится для тяговых батарей электротранспорта);
- кулоновская эффективность (отдаёт энергии, сколько и принимает);
- срок службы (держит от 500 циклов заряда-разряда).
✅ Благодаря этим преимуществам электромобили, портативная и гибкая электроника, а также стационарные устройства (промышленные, медицинские, инфраструктурные) сейчас оснащаются аккумуляторами типа Li-ion.
Источник: «A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry».
🔻 [Nat. Commun. 2020, 11, 1–9]
2. Предложили токосъёмник получше
Создан токосъёмник на основе полимер-углеродного композита вместо алюминиевой фольги.
✅ Аккумуляторы с такими терминалами получат:
- в 5 раз ниже сопротивление (быстрая зарядка);
- на 50% меньше плотность материала (легче электрод).
Источник: «Lightweight Polymer-Carbon Composite Current Collector for Lithium-Ion Batteries».
3. Изучили эффект грануляции катода
Учёные научились понимать влияние гранулометрического состава катода на характеристики Li-ion. В такой архитектуре определённо есть смысл, но исследования продолжаются.
✅ На данный момент измерена зависимость динамических параметров батареи от размера частиц, что уже применяют инженеры.
Источник: «Effect of the Particle Size Distribution on the Cahn-Hilliard Dynamics in a Cathode of Lithium-Ion Batteries».
4. Нашли решение проблем электролитов
Исследовали побочные реакции в существующих электролитах и создали новую модель зависимости напряжения от стареющих (деградирующих) материалов электролита (различные виды побочных реакций органической основы и добавок).
✅ Измеренная и смоделированная зависимость электрохимических реакций от изменений свойств материала уже сейчас помогает производителям улучшать состав электролитов.
Источник: «The Physical Manifestation of Side Reactions in the Electrolyte of Lithium-Ion Batteries and Its Impact on the Terminal Voltage Response».
5. Улучшили измерение «качества»
Обнаружен оптимальный метод определения ключевой характеристики качества Li-ion — внутреннего сопротивления. Разработаны процедуры, учитывающие два метода спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и модели эквивалентной схемы (ECM).
✅ Эти разработки стали основой высокоточного прогноза производительности и срока службы аккумулятора.
Источник: «Unification of Internal Resistance Estimation Methods for Li-Ion Batteries Using HysteresisFree Equivalent Circuit Models».
6. Научились оценивать деградацию
Учёные углубились в понимание кулоновской эффективности Li-ion при их деградации/износе.
✅ Полученные результаты исследования предложены производителям для оптимизации контроля зарядки и разрядки элементов, снижающих скорость старения аккумуляторов.
Источник: «Effect of Current Rate and Prior Cycling on the Coulombic Efficiency of a Lithium-Ion Battery».
7. Нашли как ещё улучшить контроллеры
Определены экстремальные температурные возможности аккумулятора Li-ion для лучшей настройки контроллеров.
✅ Полученные методы интегрируют в систему управления батареями в целях повышения безопасности батарей при опасно высоких температурах.
Источник: «In-Operando Impedance Spectroscopy and Ultrasonic Measurements during High-Temperature Abuse Experiments on Lithium-Ion Batteries».
8. Узнали больше про Li-ion при авариях
Провели комплексный анализ опасности отказа Li-ion в электромобилях при повышенных температурах, имитирующих момент ДТП/аварии (произвольный сбой с тепловым разгоном).
Эксперименты помогли найти и определить параметры:
- температурный отклик ячейки,
- максимальная достигнутая температура поверхности ячейки,
- количество отходящего газа,
- расход газа,
- состав газов,
- размер и состав отделившихся частиц.
✅ Результаты представили ценность для всех производителей, кто связан с аккумуляторными технологиями, включая спасателей, пожарные службы, конструкторов аккумуляторных батарей и переработчиков ячеек.
Источник: «Comprehensive Hazard Analysis of Failing Automotive Lithium-Ion Batteries in Overtemperature Experiments».
9. Разработали теорию производства
Разработана теоретическая основа по допускам выбора материалов для производства аккумуляторов литий-ионного типа.
✅ Учёные дали объяснение, как влияет на качество и производительность ячейки от партии к партии:
- пористость электрода,
- объём внутренних пустот электрода,
- ёмкость ячейки и коэффициент ёмкости, возникающий в результате нанесения покрытия на электрод;
- допуски каландрирования (в качестве параметров производства).
Источник: «Theoretical Impact of Manufacturing Tolerance on Lithium-Ion Electrode and Cell Physical Properties».
10. Предложили лазерную резку
Для массового производства Li-ion предложена лазерная резка катодов. Изучено её влияние на электрохимические характеристики при разделении катодов на кромках реза.
✅ Результаты исследования уже используются производителями для получения ячеек с менее высокой себестоимостью и лучшим контролем качества.
Источник: «Influence of Laser-Generated Cutting Edges on the Electrical Performance of Large Lithium-Ion Pouch Cells».
11. Расследовали влияние сварных швов
Несколько исследований провели для разработки стратегии улучшения аккумуляторных батарейных блоков (электроинструмент, ноутбуки, электросамокаты, электровелосипеды электромобили и так далее).
✅ Создали автоматизированный процесс лазерной сварки контактов с понижением сопротивления и уменьшения потерь энергии при соединениях ячеек. Расследование с разными формами и положениями сварных швов показало в цифрах влияние на характеристики получаемых батарейных блоков.
Источник: «Electrical Modelling and Investigation of Laser Beam Welded Joints for Lithium-Ion Batteries».
12. Изучили старение ячеек в батареях
Изучили процесс старения отдельных ячеек в батарейных блоках и определили критерии отбора элементов для извлечения и замены.
✅ Выяснилось, что в батареях среднего возраста менять ячейки эффективно — весь блок работает лучше. В то время как в старых блоках ставить новые ячейки неэффективно. Лучше пересобрать изношенные батареи и применять в менее требовательных приложениях.
Источник: «Cell Replacement Strategies for Lithium Ion Battery Packs».
13. Создали теорию охлаждения Li-ion
Созданы готовые к применению «здесь и сейчас» (притом рентабельные) схемы терморегулирования батарейных блоков Li-ion в электромобилях. Поскольку от температуры зависит срок службы батарей и производительность, учёные ищут модели эффективного жидкостного охлаждения (в жару) и нагрева (в мороз зимой).
✅ Предложили основу для создания моделей эквивалентных схем, которые воспроизводят мультифизический феномен литий-ионных аккумуляторных батарей. На практике это системы жидкостного охлаждения, разработанные по унифицированной методике схем замещения. Они оказались очень точными и рентабельными с точки зрения вычислений.
Источник: «Multi-physics equivalent circuit models for a cooling system of a lithium ion battery pack».
***
Область литий-ионных аккумуляторов стремительно развивается.
Мы хотели сэкономить Ваше время, выделив полезные и практичные факты про новые технологии аккумуляторных батарей и их производство. Важно не путать их с громогласными ничем не подкреплёнными обещаниями стартапов и инвест-мошенников.
Подробно рассказывали здесь:
Укажите в комментарии, какое из исследований Вас заинтересовало так, что было бы здорово получить пояснения от нас простым языком.
