 От аккумулятора до литиевых батарей: элемент, который всегда присутствует в нашей повседневной жизни
Вы когда-нибудь задумывались, каким был бы наш мир сегодня, если бы не было батарей? Аккумулятор становится все более важным элементом в повседневной жизни каждого из нас. Подумайте о том, сколько устройств вы используете дома или на работе, которым для работы требуется энергия батареи, будь то обычная батарея типа АА, мини-батарейка типа АА или батарея, принадлежащая к более крупным категориям свинцово-кислотных батарей и литиевых батарей, аккумуляторы, используемые для питания автомобилей и промышленных транспортных средств.
Энергия, выделяемая батареями, уже много лет сопровождает деятельность человека и продолжает развиваться благодаря все более высокопроизводительным решениям. От аккумулятора до аккумулятора для электромобилей, это устройство стало частью нашей повседневной жизни, принося с собой все больше и больше секторов которые переходят на электрификацию с целью повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду Все их знают, все ими пользуются, но мало кто задается вопросом о происхождении батарей и их эволюции: какая же лучшая возможность углубиться в их историю, чем Международный день батарей?
ИЗОБРЕТЕНИЕ АККУМУЛЯТОРА: ПЕРВЫЙ ПРЕДОК СОВРЕМЕННОЙ БАТАРЕИ
Международный день батареи/аккумулятора отмечается каждый год 18 февраля и эта дата, безусловно, не случайно. Именно 18 февраля 1745 года в Комо родился итальянский химик и физик, изобретший первый когда-либо созданный генератор статического электричества батарею. Речь идет об Алессандро Джузеппе Анастасио Вольта человеке мира с научным призванием, который после многих лет электрохимических исследований и экспериментов в декабре 1799 года создал в лаборатории своей резиденции в Лаццате первый прототип современного батарея, сегодня хранящаяся в Университете Павии, в Историческом музее.
Как работает батарея Вольта?
Изобретенная Алессандро Вольта батарея работает по принципу гальванического элемента она представляет собой столбик из нескольких одинаковых элементов, наложенных друг на друга цинковые диски чередующиеся с медными дисками и отделенные друг от друга слоем ткани смоченной водой и серная кислота, называемые гальваническими элементами. Два конца батареи называются полюсами, и, соединяя их посредством электрического проводника, создается цепь, по которой проходит постоянный ток, производя таким образом энергию, независимую от электрической сети.
Изобретение батареи было распространено среди международного научного сообщества самим Вольтой в письме которое ученый направил 20 марта 1800 года президенту английской академии наук, так называемого Лондонского королевского общества. Затем это было опубликовано в престижном журнале Философские труды Королевского общества что сделало ученого истинно признанным отцом этого эпохального изобретения.
Знаете ли вы, что вольт единица измерения электрического напряжения, получила свое название от Алессандро Вольты в честь его великого изобретения?
ЭВОЛЮЦИЯ АККУМУЛЯТОРА: БАТАРЕЯ
Аккумулятор безусловно, был блестящим изобретением, но у него была существенная проблема: его нельзя было перезарядить и поэтому, разряжаясь, приходилось начинать весь процесс заново. Однако потенциал был чрезвычайно интересным, и именно дальновидное видение концепции батареи позволило этому первому прототипу развиваться, трансформируясь с течением времени (и после нескольких шагов) в батарею, которую мы все знаем.
Но если мы говорим об аккумуляторах перед нами открывается реальный мир, состоящий из химических элементов, мощностей и решений, разработанных с учетом конкретных потребностей самых разнообразных применений от промышленного до бытового и личного использования.
Батарея, в свою очередь, прошла различные этапы эволюции: от ныне устаревших свинцово-кислотных батарей до более поздних литиевых батарей, доступных с множеством различных химических элементов, до последних поколений еще более совершенных батарей, таких как широко обсуждаемая в твердотельный, все еще изучается. Короче говоря, это развивающийся путь, который будет следовать по нашему пути в течение длительного времени, движимый постоянными технологическими обновлениями и исследованиями, направленными на повышение эффективности этой технологии.
Рождение свинцовых аккумуляторов
Первым потомком батареи является свинцовая батарея, та, которая впервые привела к развитию этой технологии. Свинцово -кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте и имел огромное для своего времени преимущество: он был перезаряжаемым, а это означало, что его можно было использовать многократно и, при необходимости, можно было вернуть к полному заряду.
Первоначально он представлял собой два листа свинца, скрученных по спирали и разделенных резиновой полоской погруженных в сернокислый электролит и заключенных в стеклянную банку. Эта технология со временем была усовершенствована благодаря вмешательству ученого Камиллы Альфонса Фёра который изобрел гораздо более простую для массового производства версию, которая состояла из свинцовой решетки, в которую была помещена паста из оксида свинца, образующая пластину. Затем свинцовые батареи подверглись дальнейшим усовершенствованиям, оставаясь при этом концептуально очень верными оригинальному прототипу.
Хотя свинцово-кислотные аккумуляторы все еще используются во многих эндотермических автомобилях и на некоторых промышленных транспортных средствах, в настоящее время они являются устаревшим и чрезвычайно ограниченным выбором с точки зрения эффективности и производительности особенно с точки зрения низкой плотности энергии их больших ограничений в жизненном цикле из-за длительного времени зарядки и их очень большого веса не пренебрегая при этом постоянным обслуживанием, необходимым для обеспечения их наилучшей работы. Поэтому во многих секторах они постепенно отошли в сторону, оставив место для передовой технологии нового тысячелетия: литиевых батарей.
Изобретение литиевых батарей
В 1979 году, когда им было чуть за сорок, литиевые батареи появились на свет и сразу же были признаны настоящей революцией. Достаточно сказать, что в 2019 году отцы-основатели этой технологии Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Ёсино получили Нобелевскую премию по химии за то, что создали настоящий инструмент для перемен, который за очень короткое время полностью перевернул нашу жизнь.
Литий-ионные аккумуляторы фактически используются для питания большинства инструментов, электронных устройств, смартфонов, планшетов, ПК, часов, а также велосипедов, скутеров, автомобилей, машин и промышленных транспортных средств, принадлежащих к самым разным секторам. Короче говоря, большинство инструментов, с которыми мы взаимодействуем каждый день, работают благодаря энергии, обеспечиваемой литиевыми батареями.
Как устроен литиевый элемент?
Сегодня литиевые элементы состоят из двух электродов: катода и анода. Первый — это так называемый положительный полюс батареи, состоящий из катодного материала (например, LFP, NMC, LMO и т.д.) и токосъемника. С другой стороны, анод — это отрицательный полюс батареи, состоящий из анодного материала (например, углерода или графита) и токосъемника. Они изолированы благодаря центральному сепаратору, тонкому слою пластика или керамического полимера, и все смачивается электролитом, органической жидкостью, которая заполняет объем внутри элемента, смачивая электроды и позволяя ионам лития проходить между полюсами.
Причины, по которым литиевые батареи стали превосходной технологией при переходе к электрификации, различны, но мы можем попытаться обобщить 8 основных преимуществ, которые отличают их от свинцово-кислотных предшественников.
- Высокая энергоэффективность (96%).
- Скорость зарядки, позволяющая полностью зарядить аккумулятор всего за 2 часа.
- Возможность зарядки и частичной зарядки, которые увеличивают срок службы аккумулятора.
- Нулевое обслуживание, что также означает отсутствие структурных затрат.
- Высокая плотность энергии, следовательно, возможность хранить много энергии в ограниченном объеме и весе.
- Длительный срок службы, выражающийся в тысячах циклов зарядки.
- Малый вес, примерно в 5 раз легче свинцово-кислотного аккумулятора.
- Возможность выбора различных химических веществ на основе лития в зависимости от транспортного средства или устройства, которое необходимо электрифицировать.
Полностью работоспособная и эффективная технология, протестированная и проверенная в самых разных областях и которая буквально изменила наше восприятие и привычки, превратившись в молчаливого спутника в нашей повседневной жизни.
В настоящем, аккумуляторы калининград цена доступна на любой бюджет.
 НО КАК РОДИЛИСЬ ЛИТИЕВЫЕ БАТАРЕИ И ЧТО БЫЛО ИХ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ? ТРИ ОТЦА-ОСНОВАТЕЛЯ ОБЪЯСНЯЮТ НАМ ЭТО
История литиевых батарей началась в 1970-х годах, в разгар энергетического кризиса, когда поиск альтернатив ископаемому топливу был одной из основных тем на повестке дня.
Стэнли Уиттингем и открытие потенциала лития
Исследователь Стэнли Уиттингем, очень активный на этом фронте, особенно в поисках сверхпроводников, понял, что литий, третий элемент в таблице Менделеева, обладает электрохимическим потенциалом, который делает его чрезвычайно мощным компонентом. На самом деле это был самый легкий из известных металлов, наименее плотный твердый элемент, а его больший электрохимический потенциал также позволил ему иметь превосходные энергетические и весовые характеристики.
Отсюда и возникла интуиция: изготовить батарею, в которой анод частично был бы сделан из металлического лития (который благодаря своей структуре способен легко отдавать свои электроны), а катод - из дисульфида титана, который на молекулярном уровне имеет пространства, в которые могут интеркалироваться ионы лития. Батарея имела отличный потенциал, чуть более 2 Вольт, хорошую плотность энергии и работала при комнатной температуре. Основная проблема, с которой столкнулся Уиттигэм, была связана с безопасностью: высоким риском короткого замыкания из-за высокой реакционной способности металлического лития.
Джон Гуденаф и увеличение мощности аккумулятора
Дальнейшие разработки этой технологии были сделаны немецким химиком Джоном Гуденафом в 1980 году, сначала теоретизировав, а затем разработав батарею с катодом из оксида кобальта, элементом, способным увеличить потенциал 4-вольтовой батареи. Это открытие дало аккумулятору более высокую плотность энергии, уменьшенный вес и большую емкость. Фундаментальный шаг, заложивший основы электрической мобильности будущего.
Акира Ёсино и первая литиевая батарея
Однако первый официально коммерческий прототип литиевой батареи был создан японским химиком и инженером Акирой Ёсино в 1985 году. Вместо использования реактивного лития в аноде он использовал нефтяной кокс, углеродный материал, который может интеркалировать ионы лития в оксид кобальта катод.
В отличие от других батарей, созданных до того момента и основанных на химических реакциях, разрушающих элементы, составляющие элемент, эта новая литиевая батарея обеспечивала настоящий поток ионов лития между анодом и катодом.
Результат? Легкая батарея с хорошей плотностью энергии и, прежде всего, перезаряжаемая сотни раз, запатентованная Ёсино в 1985 году и проданная Sony в 1991 году. Это действие положило начало массовому производству и ознаменовало новую эру связи и мобильности.
БУДУЩЕЕ ЭЛЕКТРОМОБИЛЬНОСТИ ЖИВЕТ В ИССЛЕДОВАНИЯХ
Международный день барабанщика — отличный способ заставить нас задуматься, вспомнить историю и важность инструмента, который теперь стал незаменимым в большинстве наших мероприятий.
Но исследования в области литиевых батарей — это постоянно бродящий вулкан, состоящий из тщательных исследований, технических испытаний в лабораторных условиях, тщательного выбора компонентов и все более интеллектуальной электроники: сегодня исследования продолжаются в направлении новых поколений более эффективных элементов и аккумуляторных блоков, таких как батареи с твердотельным электролитом, и это лишь некоторые из них, которые, по-видимому, способны предложить беспрецедентный уровень безопасности, сверхбыстрое время зарядки и постоянно растущую плотность энергии.
Твердотельные батареи — это технология, которая еще находится в стадии разработки, но которая может стать ключевым элементом для электрификации все более сложных секторов.
|
