Хорошо ли работают? Долго ли служат? Какие из аккумуляторных батарей используют в аэрокосмической отрасли?
🔻 Узнайте об истории и будущем батарей для космоса, какие угрозы они несут для нашего мира.
Заметка регулярно пополняется.
От никель-кадмиевых до никель-водородных: память и давление
Когда начали запускать спутники в космос, инженерам понадобились особые батареи:
- максимально долго держат заряд;
- отдают достаточно энергии для работы оборудования космического аппарата.
Сначала выбрали элементы из двух металлов — никеля и кадмия. На практике оказалось, что эти батареи «запоминали», сколько энергии они обычно тратили, и в следующее использование отдавали столько же энергии.
☝ Именно в эпоху освоения космоса и появилось жаргонное ругательство инженеров на аккумуляторы — «Эффект Памяти». Это до сих пор ненаучный термин и правильно ставится в кавычки [источник].
Проблема «эффекта памяти» никеля и кадмия
Если батарею с ярко выраженным таким эффектом разрядили не до конца, а потом от неё вдруг потребовалось больше энергии, то она не отдаёт всю ёмкость. Напряжение, которое показывает, сколько энергии в батарее, снижалось, как будто батарея говорила:
«Нет, я не хочу работать больше, чем обычно».
Поэтому инженеры решили заменить никель-кадмиевые батареи на более стабильные — никель-водородные.
Никель и водород как решение на время
Новые никель-водородные батареи могли работать очень долго. Они тоже обладали таким эффектом, как и кадмиевые, но в гораздо меньшей степени.
Из-за водорода эти аккумуляторы были похожи на маленькие паровые машины, которые держали водород под высоким давлением в стальных баках. В результате возникли весомые минусы:
- «банки» удорожали конструкцию;
- размеры и вес оказались огромными;
- они часто не подходили по размерам к космическим изобретениям, которые требовали компактности, прочности и лёгкости.
Просто представьте, что каждая ячейка стоила около 1000 долларов. Наконец, аэрокосмическая отрасль дошла до батарей, которые оказались лучшим среди всех компромиссом — литий-ионные.
От никель-водородных до литий-ионных: лёгкость и надёжность
Для спутников самый лёгкий металл на Земле литий подходил идеально. Первые космические литий-ионные батареи оказались:
- легче предшественников,
- быстро заряжались,
- прочные и хорошо циклируются (способны много раз заряжаться и разряжаться без потери ёмкости);
- не имели эффекта памяти, как никель-кадмиевые;
- не нуждались в контроле давления, как никель-водородные.
Ещё учёные ценят, что литий-ионные почти не обладают саморазрядом. С годами они теряют энергию, когда не используются, но медленнее других. Ещё эти ячейки не требуют обслуживания, например, доливки жидкости в электролит.
Литий-ионные батареи сейчас стали самыми популярными батареями для космических аппаратов. Они используются в большинстве спутников, которые летают вокруг Земли.
🔬 Особые преимущества они показали на марсоходе Curiosity, который исследует Марс с 2011-го года и работает до сих пор.
Правда в марсоходе Curiosity используют особые литий-ионные батареи. Это не такие как в наших гаджетах, а из оксида лития и никеля (LiNiCo). Они заряжаются и разряжаются только частично, чтобы жить дольше.
Мы об этом говорили подробно в нашей статье: «20% или 15%? 60% или 80%? До скольки процентов заряжать и когда заряжать?». В комментариях некоторые читатели высказались, что нет никакого смысла ограничивать заряд. Но исследовательская практика показала, что они неправы. Почитайте.
LiNiCo в теории работают четыре года до остатка 80% ёмкости и примерно 700 марсианских дней (длятся чуть дольше земных). На практике они так и отслужили [источник].
Сейчас уже не работают спустя 13 лет, так как полностью изношены и не держат заряд. Сейчас марсоход питается от ядерной батареи, не используя солнечные панели вообще [источник].
От литий-ионных до …: проблемы и перспективы
Литий-ионные батареи очень хороши. Вот только служат мало. Например, NASA требует от учёных аккумуляторы со сроком службы от 7 лет с циклируемостью от 37000 заряд-разрядов до остатка 70% ёмкости в режиме разряд до 40% и заряд до 60% (почему именно 40-60).
⚡ Любые батареи изнашиваются, теряют ёмкость и перестают брать заряд.
Учёные из NASA годами тестировали и выясняли, почему это происходит. Вывод простой — с течением времени внутри ячеек происходят химические изменения, которые ухудшают полезные реакции.
- Например, на одной из пластинок, которая называется анодом, растет тонкий слой, который мешает электричеству проходить (называется SEI-слой);
- другая пластинка, которая называется катодом, разрушается и не даёт энергию;
- внутри батареи есть жидкость, которая называется электролитом — помогает электричеству передаваться от одной пластинки к другой, но эта жидкость тоже портится и окисляется;
- ещё в батарее на поверхностных материалах в результате нежелательных химических реакций может образовываться металлический литий, который очень опасен и создаёт риск взрыва, способен загореться.
Поэтому учёные из NASA пытаются сделать батареи лучше и долговечнее. Но получается так не всегда. Узнайте, почему из нашей статьи про учёных:
***
Батареи для космоса — это передовые изделия и сложные технологии, которые дают нам шанс на исследование далёких миров. Благодаря автономности космических аппаратов у человеческой цивилизации есть уникальные возможности получать больше информации о нашем мире.
⭐ Но нельзя забывать, что аккумуляторы, которые человечество изготавливает для запуска в космос, представляют собой опасность для нашей планеты, образуют космический мусор, вызывают взрывы и пожары.
Мы должны быть ответственными. Сейчас мы используем и утилизируем эти батареи, но должны продолжать искать более безопасные и эффективные альтернативы.