Из чего состоит аккумулятор: Из чего состоит аккумулятор

Что внутри аккумулятора телефона (литий-ионной батареи

При недавнем добавлении новых разделов сайта нашего интернет-магазина Neovolt.ru, посвящённых замене элементов питания на нашем производственном предприятии, появилась идея сделать простые схемы устройства аккумуляторов для иллюстрирования материалов.

Несложная с виду идея вылилась в многочасовую проверку возможных изобретений новых вариантов конструкций, в перелопачивание тонны публикаций на BatteryUniversity, в общение с экспертами и инженерами на Quora и в Reddit по материалам в сепараторах и проводниках, чтобы ничего не упустить из внимания.

Получился огромный материал, который в дальнейшем пришлось сократить, иначе можно книгу написать. Результатом делимся с вами.

→ О принципах выбора ёмкости, определения ремонтопригодности, формы и размеров аккумулятора смартфона — в исследовании Карстена Шишке.

Батареи литий-ионного или литий-полимерного типа работают с помощью химических реакций, которые «отправляют» электроны и ионы с одного электрода на другой. Вот, как всё выглядит, когда наш инженер разбирает внешнюю часть корпуса аккумулятора, например, Samsung Galaxy S9 или любого другого смартфона после извлечения из устройства.

Устройство аккумулятора телефона/смартфона:

(1) Соединительный элемент подключает аккумулятор к системной плате смартфона (в несъёмной конструкции) или к контактам на внешнем корпусе батареи (в съёмной конструкции).

• • Он может быть в виде многожильного провода (как на схеме) или в виде шлейфа.
• • Шлейф имеет гибкую (как у iPhone 6) или формованную (как у Galaxy S8 Plus) основу.
• • У соединительного кабеля чаще всего есть коннектор с несколькими контактами (от двух до пяти).
• • В редких старых или бюджетных смартфонах соединение с системной платой выполняется не через разъём, а методом пайки (у нас есть пример такого соединения в инструкции разборки iPod Touch 6).

(2) — Плата системы управления аккумулятором (Battery Management System, BMS). На неё устанавливается логика работы батареи и предохранитель.

→ Узнайте, как устроена BMS-плата и все подробности по её функциональной роли в телефоне.

(3) и (4) — Положительный и отрицательные выводы питания для работы в электрической цепи.

(5) и (7) — Электродные материалы размещаются на тонкой металлической основе, напоминающей фольгу. Она собирает электроны и передаёт их из батареи к устройству.

Электроды не способны хранить много энергии в ограниченной зоне.

Поэтому нужны длинные скрутки таких полос, чтобы аккумулятор смог обеспечить смартфон необходимой энергией. Их количество и размеры влияют на конечную ёмкость и габариты батареи. Кстати, мы уже рассказывали, по какому принципу производители выбирают и проектируют аккумулятор в процессе разработки очередного смартфона.

(6) и (8) — Сепаратор препятствует электрической проводимости между электродными материалами (катодом и анодом) в пределах тока, который должен проходить через сепаратор в процессе движения ионов от катода к аноду (во время заряда) и обратно (во время разряда).

С превышением температуры (выше 130°C) материал плавится и закрывает поры во избежания дальнейшей катализации химической реакции и взрыва аккумулятора.

В большинстве смартфонов сепаратор однослойный из полиэтиленового материала, пропитанного электролитом.

Хотя последнее время в применение вошли сепараторы трёхслойной «гамбургерной» конструкции для более надёжной работы аккумулятора в условиях повышенной нагрузки:

• • Полипропилен (стойкость +155°C)
• • Полиэтилен (стойкость +130°C)
• • Полипропилен (стойкость +155°C)

(9) — Корпус аккумулятора представляет собой термостойкий материал с достаточной прочностью, чтобы выдерживать небольшие физические воздействия (например, от стягивания внутренних комплектующих смартфона).

В съёмной конструкции размещается в ударостойкую оболочку с контактной площадкой.

Это нужно для удобного и, главное, безопасного хранения вне мобильного устройства (из-за чего превышает габариты несъёмного аккумулятора аналогичных технических характеристик). Может иметь разные виды материалов, выбор которых зависит от производителя.

Научно-популярные статьи

Вы помогаете наполнять базу знаний Neovolt без ошибок и упущений. Пишите в комментарии предложения, свои взгляды и замечания — мы их читаем все без исключения. Или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Теги: База знаний Li-Ion Li-Poly Телефоны Смартфоны Планшеты Ноутбуки Технологии

Как устроен автомобильный аккумулятор — типы современных АКБ, принцип их работы, конструктивные особенности

1. Все статьи
2. Как устроен автомобильный аккумулятор — типы современных АКБ, принцип их работы, конструктивные особенности

Автомобильный аккумулятор выполняет три функции. Основанная функция АКБ – это запуск двигателя. Также, батарея питает бортовые электрические устройства – при неработающем двигателе. Вторая важная функция – возможность аварийного питания, источником которого аккумулятор выступает в случае поломки генератора. Третья функция – это достижение баланса напряжения, которое поступает от  генератора. Эта функция характерна для инжекторных двигателей.

Устройство аккумулятора автомобиля существенно не меняется уже много десятилетий. Хотя развитие технологий и появление новых материалов более высокого качества способствует более надежной конструкции и работе АКБ.

Основу работы аккумулятора составляет принцип возникновения разности потенциалов – то есть, напряжения. Оно возникает между пластинами, которые погружены в раствор электролита.

АКБ – устройство, которое, в зависимости от типа и производителя, имеет определенные  конструктивно-технологические различия. Но общий принцип – одинаков: все аккумуляторные батареи содержат электроды, разделенные сепараторами, и помещенные в пространство, заполненное электролитом.

Корпус

Корпус аккумулятора состоит из двух частей: основной глубокой емкости и закрывающей крышки. Она может быть оснащена горловинами с пробками или системой, при помощи которой стабилизируется давление внутри батареи, и отводится образующийся газ. Конструкция корпуса зависит от типа АКБ.

Сам корпус изготовлен из материала, к которому предъявляются большие требования прочности и безопасности. Он должен быть устойчив к воздействию агрессивных химических реагентов, переносить колебания температуры и сильную вибрацию. В большинстве современных аккумуляторов корпус сделан из полипропилена.

Внутренние отсеки

Стандартное устройство аккумуляторной батареи представляет собой контейнер, состоящий из шести секций (или, как их называют, «банок»). Каждая секция – это отдельный источник питания. Она вырабатывает порядка 2 – 2,1 В. Стандартная АКБ рассчитана на 12 В.

В каждой из ячеек находится набор (или пакет) из отдельных пластин с чередующейся полярностью. То есть, одна пластина положительная, другая отрицательная. Причем, пластины отделены друг от друга. Пластины сделаны из свинца и имеют решетчатую структуру в виде прямоугольных сот. Это облегчает нанесение них активной массы – основного рабочего реагента.

Пластины

Для увеличения прочности пластин в них добавляют сурьму. У этой технологии есть и свои недостатки: присутствие сурьмы способствует выкипанию воды из электролита. Это – основная причина, по которой практически во все типы АКБ необходимо доливать воду. Но технологии не стоят на месте. Устройство автомобильных аккумуляторов совершенствуется. Количество сурьмы в свинцовых пластинах значительно уменьшилось, благодаря чему появились малообслуживаемые и гибридные аккумуляторы.

На положительный электрод наносится двуокись свинца, на отрицательный – губчатый свинец. Внутрь заливается электролит, который является водным раствором серной кислоты.

Каждая чередующаяся пластина является электродом, имеющим противоположную полярность. Таким образом, с целью предотвращения замыкания, между каждой парой пластин располагается сепаратор. Он изготовлен из пористого пластика и не создает препятствий для циркуляции электролита внутри ячейки.

Пластин с отрицательной полярностью больше на 1 единицу, так как каждая пластина с положительным зарядом помещена между двумя отрицательными (минусовыми).

Пакет с пластинами надежно фиксируется, чтобы предотвратить смещение и деформацию. Фиксация осуществляется при помощи специального бандажа. Токовыводы пластин (плюсовые и минусовые) объединены в пары. Концентрация энергии происходит при помощи токосборников – на выводные борны аккумулятора. К ним  токоприемные клеммы.

Устройство АКБ обеспечивает максимальную надежность. Современные аккумуляторы – это качественные устройства, выступающие источниками питания даже для самых мощных автомобилей.

Виды современных аккумуляторов

Современные АКБ подразделяются на два основных вида: классические и необслуживаемые. Классические существуют уже больше ста лет и описаны выше. Необслуживаемые аккумуляторные батареи были созданы всего несколько десятилетий назад. Они эффективно работают в любом, даже перевернутом, положении. Вместо жидкого электролита в них применяется гелиевый, или адсорбированный сепараторами. Устройство автомобильного аккумулятора, который является необслуживаемым, подразумевает максимальную герметичность. Для отвода газов, которые выделяются при заряде и разряде, предусмотрен специальный клапан.

Главное различие необслуживаемых АКБ от классических – в более низких разрядных и зарядных токах.  Причина – в конструкции необслуживаемых батарей. При больших токах классическая АКБ активно выделяет газ и «закипает». У необслуживаемых и герметизированных батарей этого нет.

Google

Откуда берутся батарейки? И куда они идут?

Каждый день вы используете аккумулятор определенного типа. Ваш телефон работает от перезаряжаемой литий-ионной батареи, как и большинство других ваших электронных устройств. Материнская плата вашего компьютера содержит неперезаряжаемый литиевый элемент типа «таблетка», известный как батарея CMOS. Двигатель внутреннего сгорания вашего автомобиля запускается от перезаряжаемой аккумуляторной батареи, обычно свинцово-кислотной. Список можно продолжить.

Примечание редактора: это сообщение было обновлено 25 октября 2022 г. и посвящено часто задаваемым вопросам.

Батареи имеют ограниченный срок службы. Аккумуляторы AirPods будут работать от 18 месяцев до трех лет. В 2021 году по всему миру было продано около 300 миллионов настоящих беспроводных наушников (TWS), и эксперты ожидают дальнейшего роста рынка. В результате мы можем ожидать, что более 450 миллионов таких батарей выработают свой ресурс к концу 2023 года, а затем и больше. И это только наушники.

Всемирный экономический форум Литий-ионные аккумуляторы, размещенные на мировом рынке (уровень ячеек, метрические тонны).

Литий-ионные аккумуляторы уже используются в бытовой электронике, например в наушниках, а также в электромобилях. Bloomberg New Energy Finance (BNEF) прогнозирует, что к 2030 году доля электромобилей в продажах составит 34% по сравнению с 4% в 2020 году. Этот быстрый рост спроса приводит к адаптации добычи и производства на начальном этапе.

Вам может быть интересно, является ли такой рост устойчивым и как мы справимся со всеми отходами. Это то, что мы здесь, чтобы выяснить.

В отличие от одноразовых литиевых батарей, литий-ионные батареи можно перезаряжать.

Откуда берутся батарейки?

Итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую настоящую батарею в 1800 году. В 1859 году Гастон Планте изобрел первую перезаряжаемую батарею. Литий-ионные аккумуляторы не появлялись на рынке до 1980 года. И потребовалось еще 11 лет, прежде чем они были впервые коммерциализированы Sony.

Этот безопасный, компактный и энергоемкий аккумулятор положил начало мобильной революции, питая видеокамеры, ноутбуки, смартфоны и большинство другой портативной бытовой электроники, которую мы знаем сегодня. В 2019 году, ученые, которые изобрели литий-ионный аккумулятор, получили Нобелевскую премию по химии.

Давайте углубимся в материальный состав литий-ионных аккумуляторов, который превратил их в эти мощные двигатели перемен.

Из чего сделаны батареи?

Батарея представляет собой набор из одной или нескольких ячеек. Каждая заполненная электролитом ячейка содержит два электрода, каждый с токосъемником, которые расположены на противоположных концах батареи, с сепаратором между ними. Замыкание цепи между электродами запускает серию электрохимических реакций, которые создают электрический ток и разряжают батарею. Хотя основные компоненты и процессы одинаковы во всех типах аккумуляторов, материалы сильно различаются.

ScienceDirect Схематическая диаграмма типичной литий-ионной батареи (а) и весовые проценты ее основных компонентов (б).

Давайте посмотрим на компоненты, обычно встречающиеся в перезаряжаемой литий-ионной батарее:

• Анод: литий, хранящийся в углеродных структурах, позднее в графите
• Катод: оксид лития-никеля, оксид лития-кобальта и/или оксид лития-марганца
• Токоприемники: медь, алюминий
• Электролит (жидкий): соли лития и органические растворители, обычно алкилкарбонаты
• Сепаратор: синтетические полимеры, особенно мембраны на основе полиолефинов

Откуда берутся материалы для изготовления батарей?

Хотя большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, материалы, из которых они производятся, разбросаны по всему миру. Вот наиболее распространенные источники этих материалов:

Все добытые полезные ископаемые проходят переработку, часто не в странах их происхождения.

Горнодобывающая промышленность не является непосредственным источником органических растворителей и синтетических полимеров, содержащихся в литий-ионных батареях, хотя их основные компоненты извлекаются из земли. Вот упрощенное описание их производства:

• Алкилкарбонаты, как и диэтилкарбонат, синтезируются из фосгена, газа и спиртов, таких как этанол или метанол.
• Мембраны на основе полиолефинов синтезируются из полимеров, полученных из нефти или природного газа.

Какие проблемы с добычей полезных ископаемых?

Вся добыча полезных ископаемых имеет социальные и экологические последствия. Добыча кобальта в Демократической Республике Конго, например, часто связана с нечеловеческими условиями, а также рабским и детским трудом. Следовательно, такие производители, как Tesla, стремятся использовать литий-ионные батареи без кобальта. Хотя источники добычи других полезных ископаемых могут иметь меньше социальных последствий, они по-прежнему требуют разрушения окружающей среды, истощают водные ресурсы и способствуют загрязнению воздуха, воды и почвы.

Горнодобывающая промышленность разрушает окружающую среду, истощает водные ресурсы и способствует загрязнению воздуха, воды и почвы.

Извлечение материала — это только первый шаг. Для обработки таких минералов, как литий, обычно требуются токсичные химикаты. Нефтеперерабатывающие заводы обычно утилизируют отходы в хвостохранилищах или прудах-испарителях. Отсюда ядовитые жидкости могут просачиваться в окружающую среду, загрязняя почву и воду. Даже обработанная вода может содержать следы минералов, которые могут неблагоприятно воздействовать на людей и животных.

ScienceDirect Относительные показатели воздействия литий-ионных аккумуляторов на основе оксида лития-марганца (LMO) или фосфата лития-железа (LFP).

Несмотря на то, что многие материалы, используемые в литий-ионных батареях, имеются в изобилии, их не всегда легко извлечь. По мере истощения запасов природных ресурсов горнодобывающим предприятиям придется использовать менее благоприятные источники, что только усилит негативное воздействие добычи и переработки и может привести к увеличению судоходных путей. В конце концов, цены на ресурсы заставят производителей переключаться на другие химические составы аккумуляторов, например, с оксида лития-марганца на фосфат лития-железа.

К сожалению, проблема не только в производстве.

Куда девать батарейки?

Слишком много батарей по-прежнему попадает на свалку, хотя это зависит от их типа. В то время как 90% свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатываются, по оценкам экспертов, только около 5% литий-ионных аккумуляторов в настоящее время перерабатываются. Многие другие прячутся в ящиках или оказываются в мусорном ведре. Это проблема.

Почему нельзя выбрасывать аккумуляторы в мусор

Литий-ионные аккумуляторы могут стать причиной возгорания при воздействии тепла, механических воздействий или других отходов. После воздействия элементы, содержащиеся в батареях, могут попасть в окружающую среду и загрязнить почву и грунтовые воды. Хотя это не должно представлять проблемы на хорошо управляемом домашнем объекте, экспортируемый мусор может оказаться на более щадящей свалке. Рича и др. обратите внимание, что «больший риск представляет собой потерю ценных материалов».

Waste360 Зарегистрированные пожары на предприятиях по переработке отходов и переработке отходов в США и Канаде в период с февраля 2016 г. по апрель 2020 г.

Достаточно концентрированные природные ресурсы лития, кобальта, никеля и других элементов исчерпаны. Как обсуждалось выше, их добыча имеет необратимые последствия. К тому времени, когда эти материалы попадают в наши гаджеты, мы платим высокую социальную и экологическую цену за ущерб, нанесенный их цепочкам поставок.

Вскоре спрос на некоторые материалы превысит объем добычи. Одно из недавних исследований прогнозирует, что спрос на литий и кобальт может превысить производство уже к 2025 году. Если вы примете во внимание, что в среднем отработанные электроды литий-ионных аккумуляторов содержат больше лития, чем природные руды, вы быстро придете к выводу, что даже разряженные аккумуляторы иметь значение.

Поскольку спрос превышает возможности добычи, переработка превращается из этического обязательства в экономически выгодную альтернативу и, возможно, в необходимость.

Куда потребители могут безопасно утилизировать батареи?

Аккумуляторы являются основным компонентом бытовой электроники, такой как смартфоны, ноутбуки или наушники. Когда батарея умирает, это часто означает конец жизни устройства. Это особенно верно для настоящих беспроводных наушников, таких как AirPods. Во многих случаях вам придется утилизировать весь гаджет, а не только аккумулятор.

iFixit Литий-ионные батареи, содержащиеся в AirPods, практически невозможно извлечь.

Многие производители предлагают программы утилизации электронных отходов. Например, если у вас есть старый iPhone, Apple может обменять его на кредит в магазине. Магазины электроники, такие как Best Buy , будут бесплатно принимать товары и перерабатывать их. Если вам нужно утилизировать использованные бытовые батареи, Агентство по охране окружающей среды рекомендует искать на Earth911 местного поставщика услуг по переработке. Наконец, Call2Recycle предлагает пункты приема аккумуляторов и мобильных телефонов по всей территории США 9.0003

Как и в случае с другими электронными устройствами или батареями, вы можете найти места, где старые наушники принимают или обменивают. Помимо переработки наушников, вы также можете попробовать отремонтировать, повторно использовать или продать их. Когда вы будете готовы купить новую пару, подумайте об экологически чистых наушниках.

Что происходит с батареями, сданными на переработку?

Двумя наиболее распространенными методами переработки литий-ионных аккумуляторов являются пирометаллургия, процесс, основанный на нагревании, и гидрометаллургия, выщелачивание металлов химическими веществами. Каждый метод переработки имеет свой собственный набор проблем.

Пирометаллургия представляет собой энергоемкий комплекс операций с образованием токсичных газов и возможностью извлечения только некоторых элементов; литий и алюминий, например, теряются в шлаке, побочном продукте твердых отходов. Гидрометаллургия работает при гораздо более низких температурах и имеет более высокую скорость восстановления, но это гораздо более сложный процесс, в котором используются ядовитые химикаты, которые создают собственную проблему удаления отходов. Чтобы максимизировать извлечение ресурсов, эти два метода часто используются в тандеме, но все же извлекают не более 50% исходных материалов для аккумуляторов, поскольку они, как правило, сосредоточены на наиболее ценных металлах и пренебрегают другими.

ScienceDirect Общая схема методов и процессов переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов.

Усовершенствованные процессы рециклинга на основе гидрометаллургии обещают значительно приблизить коэффициент извлечения к 100%. Li-Cycle — одна из первых компаний, которая сосредоточилась исключительно на переработке литий-ионных аккумуляторов. Его процесс включает в себя децентрализованную разборку батарей на их основные строительные блоки с последующим измельчением в инертные продукты. Оттуда такие материалы, как пластик, медь и алюминий, попадают в местные потоки вторичной переработки. Оставшийся промежуточный продукт, влажный мелкий порошок, называемый черной массой, отправляется в центральный узел, где он очищается для извлечения ценных материалов, таких как графит, кобальт, никель, литий и медь. По оценкам Li-Cycle, он может восстановить до 95% материалов с нулевым направлением на свалку, без сточных вод и без прямых выбросов.

Большинство процессов переработки литий-ионных аккумуляторов сосредоточены на ценных материалах, таких как кобальт, марганец и никель, из которых состоит катод литий-ионного аккумулятора. К сожалению, литий сложно регенерировать, а значит, добывать его по-прежнему дешевле. Это может измениться в ближайшие годы, особенно если литий подорожает или когда более продвинутые процессы переработки станут более доступными.

Аккумуляторы должны войти в круговую экономику

Производство перезаряжаемых аккумуляторов из добытых полезных ископаемых имеет социальные и экологические последствия, а природные ресурсы ограничены. Поскольку спрос на эту технологию продолжает расти, как производители, так и потребители должны активизировать свою деятельность по переработке отходов. Производителям необходимо придумать конструкции, облегчающие извлечение батарей, их разборку и извлечение отдельных материалов. Между тем, потребители должны ответственно утилизировать отработавшие батареи или старую электронику, чтобы убедиться, что они попадают в подходящие потоки вторичной переработки.

Извлекая аккумуляторы со свалки, мы можем восстановить ценные материалы и повторно использовать их для дальнейшего производства. По мере того, как мы увеличиваем объемы переработки, мы снизим нашу зависимость от природных ресурсов. Это ворота в экономику замкнутого цикла.

Часто задаваемые вопросы о батареях

В 2021 году Австралия произвела больше всего лития (55 000 тонн), за ней следуют Чили (26 000 тонн) и Китай (14 000 тонн). Интересно, что Боливия обладает самыми большими ресурсами лития из всех (21 млн тонн), за ней следует Аргентина (19 млн тонн).млн тонн) и Чили (9,8 млн тонн). Эти цифры были взяты из «Сводок по минеральным товарам за 2022 год» (PDF), опубликованных Министерством внутренних дел США и Геологической службой США.

Это буквально движущаяся мишень. Рынок электромобилей (EV), который включает в себя автомобили, скутеры и велосипеды, быстро растет, как и его воздействие на окружающую среду.

Например, глобальные продажи электромобилей выросли более чем вдвое с 2020 по 2021 год. В 2021 году было продано 6,6 млн электромобилей, каждый из которых содержит около 8 кг лития, поэтому на рынок электромобилей приходится не менее 58% мирового производства лития (9).0,7 млн ​​кг) в 2021 году. Социальные и экологические последствия одинаковы для всех литий-ионных аккумуляторов, т. е. разрушение среды обитания, чрезмерное использование воды, загрязнение, негуманные условия добычи и т. д.

Производители давно опасаются, что аккумуляторы из переработанных материалов может иметь более короткий срок службы или быть более подверженным отказам батареи, что может иметь разрушительные последствия для электромобиля. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Joule, посвященное новому методу переработки катода, дорогого ключевого компонента литий-ионных аккумуляторов, показало, что эти аккумуляторы служат дольше и заряжаются быстрее. Катод литий-ионного аккумулятора, изготовленный из переработанных материалов, более пористый, что предотвращает растрескивание катода, что является признаком деградации литий-ионного аккумулятора.

Из чего сделаны аккумуляторы для электромобилей?

Нам говорят, что электромобили «проще», чем бензиновые или дизельные, но при этом они намного дороже.

В этой статье мы рассмотрим один из самых сложных (и дорогих) компонентов электромобиля. Мы объясним, из чего сделаны аккумуляторы для электромобилей, как они сделаны и что с ними происходит, когда они перестают соответствовать своему назначению.

Из чего сделан аккумулятор электромобиля?

Не волнуйся, это не будет похоже на школьный урок химии. Однако важно отметить, что существуют разные типы аккумуляторов для электромобилей, в которых используются различные металлы с разными преимуществами и недостатками.

Двумя основными типами аккумуляторов для электромобилей являются литий-ионные (Li-on), которые используются большинством производителей электромобилей (Mercedes, Jaguar и т. д.), и никель-металлогидридные (NiMH), которые используются Toyota. .

NiMH

NiMH аккумуляторы дешевле литий-ионных аккумуляторов и способны выдерживать более холодный климат.

Как правило, они склонны к «эффекту памяти» при зарядке до полной потери запасов энергии. Это означает, что они «вспомнят» о том, что они были заряжены через более короткий период, поэтому они будут работать в течение более короткого времени между зарядками, чем раньше.

Li-on

Литий-ионные аккумуляторы имеют много общего с аккумуляторами в мобильных телефонах. В большинстве современных смартфонов используются литий-ионные аккумуляторы для быстрой зарядки. Электромобили используют их в большем масштабе.

Самый популярный химический состав литий-ионных аккумуляторов с наиболее высокой энергоемкостью называется литий-никель-марганец-оксид кобальта, сокращенно NMC. Все чаще производители, такие как Tesla, обращаются к альтернативным химическим веществам, таким как менее энергоемкий, но более дешевый литий-железо-фосфат (LFP).

Из-за более высокой плотности энергии по сравнению с NiMH литий-ионные аккумуляторы производятся с рекордной скоростью, чтобы удовлетворить спрос на новые электромобили.

Согласно данным Аргоннской национальной лаборатории, один литий-ионный аккумулятор электромобиля (известный как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальта.

К сожалению, получение кобальта и никеля является дорогостоящим и вредным для окружающей среды, что делает сокращение количества металлов, которые необходимо добывать, ключевой проблемой для исследователей аккумуляторов для электромобилей.

Как изготавливаются батареи?

Аккумуляторы для электромобилей можно разделить на три уровня: элементы, модули и блоки. BMW i3 имеет 96 аккумуляторных батарей. При этом 12 ячеек объединяются в единый модуль, а 8 модулей составляют единый аккумуляторный блок.

Аккумулятор представляет собой базовую ионно-литиевую батарею, способную вырабатывать электрическую энергию путем зарядки и разрядки. Батарейные элементы бывают цилиндрическими, призматическими и пакетными, но все они имеют одну и ту же основную функцию (вы можете узнать больше об этом в нашем посте о том, как работают аккумуляторы для электромобилей)

Аккумуляторные элементы затем объединяются в раму (модуль), которая защищает элементы от внешних ударов, тепла или вибрации. Аккумуляторная батарея — это окончательная форма аккумуляторной системы, установленной в электромобиле. Аккумуляторы для электромобилей обычно свариваются и склеиваются вместе, что затрудняет их разборку в конце срока службы.

Что происходит, когда батарея разряжена?

Когда срок службы аккумулятора электромобиля подходит к концу, он может перестать быть «зеленой» альтернативой бензину или дизельному топливу, как это было раньше.

На самом деле, если аккумулятор электромобиля окажется на свалке, он может выделять вредные токсины и тяжелые металлы. Это может заставить вас задуматься, действительно ли электромобили лучше для окружающей среды?

Согласно текущим оценкам, средний срок службы батареи электромобиля составляет от 10 до 20 лет или от 200 000 до 400 000 миль, после чего ее необходимо заменить.

Хотя для обычного пользователя этого более чем достаточно, вполне вероятно, что аккумуляторы для электромобилей будущего смогут пойти еще дальше. Tesla уже объявила о своей «батарее на миллион миль», а следующая крупная инновация в батареях для электромобилей — «твердотельная батарея» — может значительно сократить срок службы батареи.

До тех пор, к счастью, есть другие способы использовать старые батареи электромобилей, которые больше не подходят для использования в автомобиле.

Можно ли перепрофилировать аккумуляторы электромобилей?

Nissan Leaf впервые появился на рынке в 2010 году. Несколько месяцев спустя Nissan в партнерстве с Sumitomo Corp создала 4R Energy Corp. Ее миссия: разработать способ переработки, переработки, перепродажи и повторного использования аккумуляторов в электромобилях. Вместо того, чтобы продавать аккумуляторы для электромобилей по цене металлолома, они будут использоваться для питания других вещей.

Более десяти лет спустя срок службы некоторых оригинальных аккумуляторов Nissan Leaf подходит к концу. Аккумуляторы классифицируются как «A», «B» или «C» в зависимости от их состояния и полезности.

Аккумуляторы класса «А» могут быть повторно использованы для новых высокоэффективных аккумуляторов для электромобилей. Аккумуляторы класса «В» могут использоваться для питания заводского оборудования, такого как вилочные погрузчики, или в качестве устойчивого решения для хранения энергии в домах или коммерческих объектах, использующих солнечную энергию. Можно использовать даже батареи класса «С», как правило, в качестве резервного источника энергии в магазинах, которым требуется круглосуточное питание.

Согласно 4R, это может продлить срок службы батареи электромобиля до 15 лет.

Вскоре такие «циклические» энергетические решения появятся и на массовом рынке. В 2019 году Nissan представил аккумуляторную батарею Nissan Energy Roam, в которой используются литий-ионные аккумуляторные элементы от автомобилей Leaf первого поколения, способные хранить до 700 Втч электроэнергии.

Этого может быть недостаточно для питания электромобиля, но при использовании для накопления энергии от солнечной панели мощностью 400 Вт батарея «Roam» легко сможет обеспечить недельную мощность для прицепа-дома.

Nissan не единственный в игре по перепрофилированию. Audi использует старые аккумуляторы для электромобилей для замены аккумуляторов для вилочных погрузчиков на своем заводе в Ингольштадте, в то время как Volkswagen планирует создать портативные зарядные станции для электромобилей, способные одновременно заряжать до четырех автомобилей, предлагая потенциальное решение проблемы неудобных поломок электромобилей.

В Швеции старые аккумуляторы для автобусов Volvo используются для балансирования энергетических потребностей жилищного кооператива Riksbyggen Viva в Гётеборге.

Можно ли перерабатывать аккумуляторы электромобилей?

Да! Renault уже занимается переработкой аккумуляторов для электромобилей в сотрудничестве с компанией по переработке отходов Veolia и международной химической компанией Solvay.

Другие производители начинают следовать их примеру в своих собственных схемах утилизации автомобильных аккумуляторов, так как это не только лучше для окружающей среды, но и снижает зависимость от сырья, которое обычно можно получить только из-за пределов Европы.

В любом случае в большинстве случаев добывать металлы дешевле, чем перерабатывать их из аккумуляторов электромобилей. Утилизация батареи — опасное дело — неправильное обращение с элементом Tesla может привести к короткому замыканию, воспламенению и выделению токсичных паров.

Но с учетом того, что к 2030 году на наших дорогах будет около 145 миллионов электромобилей, утилизация и переработка аккумуляторов становится все более серьезной проблемой — так что же делается?

Постепенно правительства продвигаются к установлению определенного уровня переработки. В 2018 году правительство Китая ввело новые правила, поощряющие повторное использование компонентов аккумуляторов электромобилей. Комиссия ЕС предложила установить квоту на переработку 25 % литий-ионных аккумуляторов к 2025 г. и увеличить ее до 70 % к 2030 г.

Это многообещающее начало, но впереди нас ждут препятствия. Одним из самых прибыльных ресурсов для переработчиков является кобальт. Тем не менее производители автомобилей, такие как Tesla, уже заявили о своем желании отказаться от этого дорогостоящего элемента.

Отказ от кобальта частично обусловлен разрушительным воздействием добычи кобальта на окружающую среду, гуманитарными последствиями в таких странах, как ДРК, и более низкой стоимостью альтернативных химических элементов для батарей, таких как литий-железо-фосфат (LFP). Но без таких ресурсов, как кобальт, в ближайшем будущем может быть меньше стимулов к переработке.

В любом случае, вне зависимости от того, перепрофилируются или перерабатываются батареи электромобилей, большинство экспертов сходятся во мнении: выбрасывать аккумуляторы электромобилей на свалку не имеет ни экономического, ни экологического смысла.