Чем заменить литий ионный аккумулятор

Изобретатель литий-ионных батарей нашел им замену

Группа исследователей под руководством изобретателя литий-ионного аккумулятора Джона Гуденафа разработала новый тип батарей, которые не воспламеняются, обладают большей энергоемкостью и заряжаются быстрее.

Читайте «Хайтек» в

В ходе экспериментов аккумуляторы с твердотельными элементами продемонстрировали энергоемкость в три раза выше, чем емкость литий-ионных аналогов. Такие батареи быстрее заряжаются, выдерживают температуру до −60°C, а также не вредят окружающей среде — для их производства вместо достаточно редкого лития может использоваться натрий, который добывается из морской воды.

Продолжительность жизни биологически не ограничена

«Стоимость, безопасность, энергоемкость, скорость зарядки и продолжительность использования батареи — все это критически важные показатели для дальнейшего распространения электромобилей. Мы верим в то, что наше изобретение поможет решить многие проблемы, которые присутствуют в современных аккумуляторах», — рассказал Джон Гуденаф, профессор Техасского университета в Остине, изобретатель литий-ионных батарей и научный руководитель исследования.

В современных литий-ионных аккумуляторах используется жидкий электролит, который перемещает ионы лития между анодом и катодом. Если батарею зарядить слишком быстро, в жидком электролите образуются отростки лития, которые могут привести к короткому замыканию и возгоранию батареи.

Ученые нашли доказательства того, что Вселенная — это голограмма

До этого заменить жидкий электролит в литий-ионных батареях на твердотельный попытались исследователи из Массачусетского технологического института. Ученые изучили возможность применения для этой цели сульфидов, однако они оказались слишком хрупкими для использования в аккумуляторах.

Источник

Российские ученые нашли дешевую и надежную замену литиевым аккумуляторам

Ученые из России разработали технологию использования натрия вместо лития в аккумуляторах. Они смогли добиться схожей емкости АКБ, что делает технологию весьма перспективной на фоне того, что натрий дешевле лития вследствие более широкого его распространения. Кроме того, батареи на его основе намного более стабильны в сравнении с литиевыми.

Достойная замена литию

Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.

Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.

Как натрий работает в аккумуляторах

В ходе исследований российские ученые выяснили, что для достижения схожей с литиевым аккумулятором емкости при использовании натрия нужно «уложить» атомы элементов определенным, многослойным способом. Они экспериментировали с трехслойной структурой – слой атомов натрия сверху и снизу был закрыт слоями графена – перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода.

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоев, находящихся один над другим. Подобная структура достигается за счет перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается своего рода «сэндвич» из слоя углерода, двух слоев щелочного металла (натрия) и дополнительного слоя углерода.

При такой структуре емкость аккумуляторов, по словам специалистов, становится схожей с емкостью стандартных литиевых батарей – 335 мАч/гр у натриевых (мАч на один грамм вещества) против 372 мАч/гр у литиевых

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

До отказа от лития еще далеко

На момент публикации материала разработка натриевых аккумуляторов находилась на стадии подготовки к созданию экспериментального образца, который в дальнейшем будет изучаться в лабораторных условиях. Притом выполнять эти работы будут иностранные коллеги российских ученых – из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Между тем, сроки начала распространения новых АКБ, даже примерные, специалисты не называют. Технология Джона Гуденафа, даже по прошествии более трех лет с момента анонса, тоже пока не применяется в производстве батарей.

Другая разработка «МИСиС»

В августе 2019 г. специалисты «МИСиС» разработали еще одну альтернативу литиевым элементам питания. Как сообщал CNews, они придумали принцип использования растения «борщевик» при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

По задумке ученых из МИСиС, в качестве сырья для производства электродов суперконденсаторов должны использоваться только стебли борщевика. Для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов, к примеру, обработку в соляной кислоте и насыщение углекислым газом.

Источник

Есть зарядка? Что придет на смену литий-ионным аккумуляторам

МОСКВА, 4 окт – РИА Новости. Антон Поляков. Если у вас есть современный смартфон, вам наверняка хоть раз в жизни приходилось в конце рабочего дня спрашивать у коллег или друзей зарядное устройство. Хотя, возможно, вы и так всегда носите «зарядку» с собой, зная, что при интенсивном использовании гаджет, особенно двух- или трехгодовалый, может сесть в самый неподходящий момент. Парадокс, но несмотря на тот огромный путь, что проделала электроника за последние 30 лет, все мобильные устройства по-прежнему оснащаются литий-ионными аккумуляторами, вышедшими на рынок аж в 1991 году, когда вершиной инженерной мысли в портативной технике был обычный CD-плеер.

Натрий

По мнению многих исследователей именно этот щелочной метал должен заменить дорогой и редкий литий, который, к тому же, является химически активным и пожароопасным. Принцип работы натриевых аккумуляторов аналогичен литиевым – для переноса заряда в них используются ионы металла.

Долгие годы ученые различных лабораторий и институтов боролись с недостатками натриевой технологии, такими как медленная зарядка и низкие токи. Некоторым из них удалось решить проблему. Например, предсерийные образцы аккумуляторов компании BroadBit заряжаются за пять минут и имеют в полтора-два раза большую емкость. Получив несколько наград в Европе, таких как Innovation Radar Prize, Eureka Innovest Award и ряд других, компания перешла к сертификации, постройке фабрики и получению патентов.

Графен

Графен – плоская кристаллическая решетка из атомов углерода толщиной в один атом. Благодаря огромной площади поверхности в компактном объеме, способной накапливать заряд, графен является идеальным решением для создания компактных суперконденсаторов.

Уже сейчас существуют экспериментальные модели емкостью до 10 000 Фарад! Такой суперконденсатор создан компанией Sunvault Energy совместно с Edison Power. Разработчики утверждают, что в перспективе представят модель, энергии которой хватит для электроснабжения целого дома.

Есть у Sanvault и конкуренты. Группа ученых из университета Свинбурна, Австралия, также представила графеновый суперконденсатор, который по емкости сопоставим с литий-ионными аккумуляторами. Его зарядка производится за несколько секунд. Вдобавок он гибкий, что позволит его использовать в устройствах различных форм-факторов, и даже в элементах умной одежды.

Атомные батареи

Атомные батареи пока очень дороги. В ближайшее время они не смогут составить конкуренцию привычным нам литий-ионным аккумуляторам, но не упомянуть про них нельзя, ведь источники, непрерывно вырабатывающие энергию на протяжении 50 лет – это намного интереснее, чем перезаряжаемые аккумуляторы.

Принцип их работы, в некотором смысле, схож с работой солнечных батарей, только вместо солнца источником энергии в них являются изотопы с бета-излучением, которое затем поглощается полупроводниковыми элементами.

На сегодняшний день разработки подобных батарей ведутся во многих институтах. В России о совместной работе в этом направлении объявляли НИТУ «МИСиС», МФТИ и НПО «Луч». А ранее аналогичный проект был запущен Томским Политехническим Университетом. В обоих проектах основным веществом является никель-63, получаемый облучением нейтронами изотопа никель-62 в ядерном реакторе с дальнейшей радиохимической переработкой и разделением на газовых центрифугах. Первый прототип батареи должен быть готов в 2017 году.

Однако подобные бета-вольтаические источники питания являются маломощными и крайне дорогостоящими. В случае с российской разработкой предполагаемая стоимость миниатюрного источника питания может составить до 4,5 миллионов рублей.

Источник

Что сможет заменить литий в аккумуляторах?

Роль лития, а точнее, литий-ионных аккумуляторов в нашей жизни трудно переоценить. Они используются повсюду: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а также в наземном, водном и железнодорожном транспорте и космической технике. Литий-ионные батареи вышли на рынок в 1991 году, а уже в 2019 их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии – за революционный вклад в развитие технологий. При этом литий – дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева очень непросто найти ему замену для создания емких аккумуляторов.

Международный коллектив ученых НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф установил, что вместо лития в аккумуляторах можно использовать натрий, «уложенный» особым способом. Натриевые батареи будут существенно дешевле, при этом не уступая по емкости литий-ионным, а в перспективе и превосходя их.

В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию – натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена – сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с ёмкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль на половину состоит из этого элемента.

Особенный способ укладки атомов – не что иное, как расположение их в несколько слоев, один над другим. Такая структура создается путем перехода атомов из куска металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается сэндвич – слой углерода, два слоя щелочного металла, и снова слой углерода.

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – рассказывает один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов.

«Из нашего моделирования следует, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, однако увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. Обратная тенденция наблюдается в случае натрия – при увеличении числа слоев натрия возрастает стабильность таких структур, это дает надежду на то, что такие материалы будут получены в эксперименте», – заключил старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН Захар Попов.

Следующий шаг научной группы – создание экспериментального образца и изучение его в лабораторных условиях. Этим займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф. В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.

Статья об исследовании опубликована в журнале Nano Energy.

Источник

Оживляем шуруповерт. Все для переделки шуруповерта на 18650 литий-ионные аккумуляторы

Аккумулятор шуруповерта рано или поздно «устанет» и его необходимо будет менять. Купить новый аккумулятор оправданно в ситуации когда инструмент стоит копейки. Но если у вас что-то более-менее приличное, или аккумулятор старый на Ni-CD, то однозначно имеет смысл поменять севшие 18650 аккумуляторы на новые или полностью перевести шуруповертс никеля на литиевые.

Безусловно, как и в любом деле, тут есть свои нюансы, но если ваши руки хотя бы минимально прямые, то самостоятельно переделать шуруповерт на литий совсем несложно. Нужно лишь знать что купить для переделки и понимать базовые нюансы процесса. А уж купить на алиэкспресс все для перевода шуруповерт на литий — элементарно.

Почему 18650 Li-ion? Преимущества литиевых аккумуляторов очевидны:

Кстати, если вы любите читать, то есть вариант отлично сэкономить! Книжный сервис ЛИТРЕС, крупнейший в России и странах СНГ дает четвертую книгу в подарок при покупке трех. Лично я именно там и покупаю книги уже порядка 5 лет. Ценник и без того доступный, а с таким бонусом выходит совсем небольшим. Есть удобное приложение для чтения и прослушивания книг. По ссылке выше — одна из моих подборок, в которой есть жирный обновляемый промокод.

Переделка аккумулятора шуруповерта. Что нужно знать:

1) Для шуруповерта нужны высокотоковые 18650 аккумуляторы (идеально — Sony/Murata VTC5, VTC5A, VTC6. Допустимо — Samsung 25R), либо менее высокотоковые аккумуляторы, соединенные в параллель (если позволяет место).

2) Категорически нельзя использовать старые ноутбучные аккумуляторы и просто разные аккумуляторы. Все 18650 аккумуляторы в сборке должны иметь минимальный разбег емкости и прочих характеристик. Безусловно, купить высокотоковый 18650 аккумулятор на алиэкспресс — самое простое решение. Только заранее учитывайте что название модели не будет иметь никакого отношения к ячейке внутри. 4 аккумулятора, купленные одним лотом у одного продавца могут существенно отличаться по емкости и внутреннему сопротивлению. Хотя ниже по ссылке будет неплохой вариант для тех, кто не хочет паять.

Я делал статью о том как выбрать 18650 литий-ионный аккумулятор, если интересно — читаем ее тут

3) Подключение аккумуляторов к BMS плате производится строго последовательно: вначале 0 В затем 4,2 В, 8,4 В, 12,6 В, 16,8 В. При нарушении BMS работать не будет!

4) 18650 аккумуляторы в сборке должны быть заряжены одинаково. Лучше всего зарядить каждый аккумулятор отдельно и затем собрать в сборку.

5) Как посчитать сколько нужно 18650 литиевых аккумуляторов вместо никелевых? В целом, расчет такой:
2-3 NiCd = 1 литиевый, 5-6-7 NiCd = 2 литиевых, 8-9-10 NiCd = 3 литиевых, 11-12-13 NiCd = 4 литиевых

6) Литиевые аккумуляторы очень боятся перегрева. Идеальный вариант — точечная сварка. Пайка тоже вполне работает. Как паять 18650? Самое главное — вам нужно максимально большое жало. Свести время контакта жала и 18650 аккумулятора к минимуму и не перегреть последний. В остальном процесс не отличается от любой другой пайке. Лучше всего набить руку на тех старых аккумуляторах, которые вы будете заменять.

BMS-плата

BMS (Battery Management System) – система управления батареей. BMS-плата исключительно важна при переделке шуруповерта на литий. Зачем она нужна и как она работает? Она контролирует заряд и разряд, предотвращая переразряд и перезаряд аккумулятора шуруповерта, в нее встроен «балансир», который заряжает отдельно каждый Li-Ion аккумулятор в сборке. Последнее крайне важно! Бывают BMS без балансира! 3S — 12v, 4s — 14v, 5s — 18v Чтобы выбрать BMS плату, надо учитывать что минимальный ток должен быть 30А, иначе она будет уходить в защиту.

Вариант BMS-платы по ссылке на 2-3 доллара дороже каких-то базовых версий, но вы получаете 100А вместо 30А или 40А. На мой взгляд, по функционалу это лучшая БМС-плата с алиэкспресс и заслуживает этой символической переплаты.

Источник