Šiuo metu dauguma elektrinių transporto priemonių ir energijos kaupimo sistemų naudoja ličio jonų baterijas. Nors jos pasižymi dideliu energijos tankiu ir greitu įkrovimo greičiu, jos turi saugos problemų. Todėl pramonė aktyviai kuria kietojo kūno baterijas, tikėdamasi, kad jos gali pakeisti tradicines ličio jonų baterijas.
Kas yra kietojo kūno baterija?
Kietojo kūno baterijos yra akumuliatorių technologijos rūšis, kurioje naudojami **kieti elektrodai** ir **kieti elektrolitai**. Skirtingai nuo dažniausiai šiandien naudojamų ličio jonų akumuliatorių ir ličio jonų polimerų baterijų, kietojo kūno baterijose nėra skysto elektrolito. Jos paprastai turi mažą galios tankį, bet didelį energijos tankį. Kadangi kietojo kūno baterijos pasižymi dideliu galios ir svorio santykiu, jos yra idealios elektrinių transporto priemonių baterijos.
Kas yra ličio jonų baterija?
Ličio jonų baterijos yra antrinės baterijos (įkraunamos baterijos), kurios daugiausia priklauso nuo ličio jonų judėjimo tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų. Įkrovos ir iškrovos proceso metu Li+ yra sujungiamas ir deinterkaliuojamas pirmyn ir atgal tarp dviejų elektrodų: įkrovimo metu Li+ yra deinterkaliuojamas iš teigiamo elektrodo ir per elektrolitą sujungiamas į neigiamą elektrodą, o neigiamas elektrodas yra ličio turtingoje būsenoje; iškrovimo metu vyksta atvirkštinis procesas. Ličio jonų baterijas pirmą kartą sukūrė Japonijos „Sony Corporation“ 1990 m.
Jos įterpia ličio jonus į anglį (naftos koksą ir grafitą), kad susidarytų neigiamas elektrodas (tradicinės ličio baterijos naudoja litį arba ličio lydinį kaip neigiamą elektrodą). LixCoO2 taip pat naudojamas kaip teigiama elektrodų medžiaga, LixNiO2 ir LixMnO4, o elektrolitas yra LiPF6 + dietileno karbonatas (EC) + dimetilo karbonatas (DMC).
Kuo skiriasi kietojo kūno baterijos ir ličio jonų baterijos?
Pagrindinis skirtumas tarp kietojo kūno baterijų ir ličio jonų baterijų yra **elektrolitas**. Ličio jonų baterijų elektrolitas yra skystas ir egzistuoja gelio ar polimero pavidalu, todėl sunku sumažinti akumuliatoriaus svorį. Be to, vieno ličio akumuliatoriaus paketo energija nėra didelė, todėl reikia sujungti kelis akumuliatorių paketus nuosekliai, o tai dar labiau padidina svorį. Akumuliatorių pakuočių inžinerijos, gamybos ir montavimo išlaidos sudaro didelę dalį visų elektrinių transporto priemonių kainų.
Saugumo ir veikimo skirtumai
Be svorio problemos, skystas elektrolitas taip pat yra degus, nestabilus aukštoje temperatūroje ir turi šiluminių bėgimo problemų. Jei įvyksta autoavarija, tai gali sukelti rimtą gaisrą. Elektrolitą taip pat lengva užšaldyti žemoje temperatūroje, todėl sumažėja akumuliatoriaus ištvermė. Be to, elektrolitas suskaldys vidinius akumuliatoriaus komponentus, o įkrovimo ir iškrovimo procesas taip pat sukels dendritus, o tai sumažins akumuliatoriaus talpą, našumą ir tarnavimo laiką.
Kietojo kūno akumuliatoriaus viduje nėra sunkaus skysčio elektrolito, tačiau kietas elektrolitas stiklo, keramikos ar kitų medžiagų pavidalu. Bendra kietojo kūno akumuliatoriaus struktūra yra panaši į tradicinės ličio jonų akumuliatoriaus struktūros, o įkrovimo ir iškrovimo metodai taip pat yra panašūs, tačiau kadangi skysčio nėra, akumuliatorius yra kompaktiškesnis viduje, mažesnio dydžio ir padidina energijos tankį. Jei elektromobilio ličio jonų akumuliatorius pakeičiamas tokio paties tūrio kietojo kūno akumuliatoriumi, talpą teoriškai galima padidinti daugiau nei 2 kartus.
Be to, kietojo kūno ličio akumuliatoriaus svoris yra lengvesnis, ir jam nereikia ličio jonų akumuliatoriaus stebėjimo, aušinimo ir izoliacijos sistemos. Važiuoklė gali atlaisvinti daugiau vietos akumuliatoriui, o tai labai padidina elektrinės transporto priemonės ištvermę. Kietojo kūno akumuliatorius įkrauna greičiau nei ličio jonų akumuliatorius, neturi jokių korozijos problemų ir turi ilgesnį tarnavimo laiką. Kalbant apie darbinę temperatūrą, kietojo kūno akumuliatorius turi šiluminį stabilumą ir neužšąla žemoje temperatūroje.
Baterijos ir akumuliatoriai: terminų paaiškinimas
Trumpai tariant, **akumuliatorius** yra vienkartinis elementas. Kai jame sukaupta elektros energija išnaudojama, jis tampa nebereikalingas, nes jo negalima įkrauti (t. y. jis negali vėl kaupti elektros energijos). Jų priešingybė yra **įkraunamos baterijos**, t. y. akumuliatoriai. Akumuliatoriai daugiausia skirstomi į pirminius elementus (vienkartinius) ir antrinius (įkraunamus), t. y. akumuliatorius.
Konstruktorius šiandien mūsų vis dar naudojamų „baterijų“ (kaip jas įprastai, nors ir neteisingai vadiname) buvo prancūzų inžinierius Georges Leclanché, kuris savo elementą sukūrė 1866 m. Tačiau šio elemento nereikėtų painioti su akumuliatoriais, kurie yra prieinami tokio paties dydžio, bet jų veikimo principas yra kitoks.
Leclanché elementas (cinko-anglies baterijos)
Originalus Leclanché elementas, kurio vardinė įtampa buvo apie 1,5 V, buvo naudojamas telegrafams, skambučiams ir pirmiesiems telefonams maitinti. Šiandien, praėjus daugiau nei 150 metų, tokios baterijos naudojamos smulkiai elektros įrangai maitinti, pavyzdžiui, žaislams, radijo imtuvams, muzikos grotuvams, žibintuvėliams ir kt. Pirminio Leclanché elemento trūkumas buvo tas, kad jame buvo naudojamas skystas elektrolitas.
Sukūrus sausą elemento versiją 1887 m. Vokietijoje, Carl Gassner, buvo padaryta didelė įtaka šio energijos šaltinio patogumui. Per daugiau kaip 150 metų Leclanché elementas (paprastai žinomas kaip **cinko-anglies baterija**) buvo atlikta daugybė modifikacijų, siekiant padidinti jo ilgaamžiškumą ir talpą.
- Vienas iš būdų pailginti veikimo laiką - į puodelių užpildymo pastą pridėti cinko chlorido - tokie elementai vadinami Heavy Duty ir yra skirti reiklesniems prietaisams maitinti.
- Šiuolaikiniai cinko-anglies akumuliatoriai turi teorinį energijos tankį 40-70 Wh/kg.
- Darbinės temperatūros diapazonas yra -10...+50°C.
Svarbu nepamiršti, kad amonio chloridas yra silpnos bazės ir stiprios rūgšties druska, todėl jis hidrolizuojasi ir sukelia rūgštinę reakciją elementą užpildančiame tirpale. Tokioje aplinkoje cinkas toliau tirpsta, net tada, kai iš sistemos netiekiama elektros energija. Siekiant neutralizuoti šį reiškinį, naudojami įvairūs būdai, kaip sumažinti metalo suvartojimą, kai akumuliatorius neveikia. Vienas iš jų - amalgamacija, cinko taurės vidinio paviršiaus padengimas gyvsidabriu. Dėl aplinkosaugos priežasčių šis būdas pailginti elementų tarnavimo laiką naudojamas vis rečiau (gyvsidabrio neturintys elementai žymimi "0 % gyvsidabrio" arba "be gyvsidabrio").
Naudojant cinko-anglies elementus, prisiminkite, nepalikite jų įrangoje po išsekimo dėl galimo elektrolito nutekėjimo. Tai sukels koroziją ir gali sugadinti įrangą.
Šarminės baterijos
Didžiulis šuolis vienkartinių baterijų įvyko 1955 m., kai buvo sukurtas **šarminis elementas**. Tai padarė Kanados inžinierius Lewisas Frederickas Urry, bendrovės, kuri šiandien vadinasi Energizer, darbuotojas. Jo sukurtas elementas neturėjo grafito katodo ir cinko puodelio. Abu elektrodai yra drėgni, atskirti vienas nuo kito pasta. Mangano dioksido ir grafito mišinys veikia kaip katodas, o anodas pagamintas iš cinko dulkių, sumaišytų su kalio hidroksidu.
Šarminiai elementai pasižymi žymiai geresnėmis eksploatacinėmis savybėmis, visų pirma jie pasižymi didesne srovės talpa ir ilgesniu tarnavimo laiku. Jie taip pat pasižymi didesniu energijos tankiu, kuris teoriškai yra 80-100 Wh/kg, ir platesniu temperatūros diapazonu, kuris yra -30...+70°C. Šio tipo akumuliatorių tarnavimo laikas yra nuo 5 iki 7 metų. Šarminės baterijos įtampa yra 1,5V, o jų pagrindą sudaro cinko reakcija su mangano oksidu šarminėje aplinkoje.
Ličio baterijos (vienkartinės)
Ličio baterijos, pvz., AA ličio baterijos, iš tikrųjų yra ličio-mangano baterijos. Jų vardinė įtampa yra 3 V. Jos atsparios temperatūros svyravimams, taip pat pasižymi dideliu energijos tankiu - iki 270 Wh/kg. Dėl to AA ličio baterijos sukaupia beveik tris kartus daugiau energijos nei jų šarminės analogiškos AA šarminės baterijos. Jos naudojamos, pvz., buitiniuose prietaisuose - laikrodžiuose, vaizdo kamerose, fotoaparatuose, ir kompiuteriuose. Ličio baterijos naudoja metalinį litį ir skirtingus katodus - pasižymi didesne įtampa (iki 3,7V), didesniu energijos tankiu ir ilgesniu tarnavimo laiku. Ličio akumuliatoriai yra atsparesni temperatūrai ir idealiai tinka naudoti, kai svarbus ilgas tarnavimo laikas ir patikimumas (pvz., atminties lusto atveju).
Ličio baterijų šeimą sudaro daug potipių, kurioms bendra tai, kad kaip anodas naudojamas litis arba ličio junginiai. Kaip katodo medžiaga naudojami šie junginiai: mangano oksidas, tionilo chloridas, sieros oksidas, jodas, sidabro chromatas ir kt. Ličio-mangano akumuliatoriai pasižymi itin ilgu veikimo laiku, todėl jie dažnai naudojami prietaisams, kuriems reikalingas ilgas tarnavimo laikas, maitinti, pavyzdžiui, širdies stimuliatoriai, klausos implantai, laikrodžiai, elektroninės įrangos konfigūracijos atminties palaikymui ir kt. Dabar jos naudojamos net kai kuriuose žaisluose.
Vienas iš labiausiai paplitusių ličio akumuliatorių tipų yra vadinamosios **mygtukinės baterijos**, paprastai vadinamos "plokščiomis 3 V baterijomis". Jų pavadinimas kilo iš jų mygtuko formos ir mažų matmenų. Dėl ilgo tarnavimo laiko, šio tipo elementų baterijos dažnai turi suvirintus gnybtus, kurie naudojami juos prilituojant prie plokštės. Akumuliatorių dydžiai apibūdinami pagal jų pavadinimą (pvz., AA, AAA, CR2032), ir matmenimis milimetrais.
- CR2032: 20 mm skersmens × 3,2 mm storio.
- Vienas iš mažiausių dažniausiai naudojamų tipų yra CR1025 (10 mm skersmens, 2,5 mm storio).
Sidabrinės baterijos
Sidabrinių elementų vardinė įtampa yra 1,55 V. Šio elemento katodas pagamintas iš sidabro oksido, o anodas pagamintas iš cinko. Elektrolitas yra kalio hidroksido tirpalas. Sidabrinės baterijos buvo išrastos XIX a. pabaigoje, tačiau masinė jų gamyba prasidėjo tik XX a. septintajame dešimtmetyje.
Sidabrinės baterijos pasižymi stabilia išėjimo įtampa ir plokščia iškrovos charakteristika. Po iškrovos įtampa elemento gnybtuose labai greitai sumažėja. Teorinis energijos tankis yra 130...150 Wh/kg. Sidabrinės baterijos tarnavimo laikas yra maždaug 2 metai. Didelis jos trūkumas yra cinko korozija šarminiame elektrolite, dėl to baterija suyra.
Įkraunami akumuliatoriai
Šiandieniniai automobiliai, ypač su „start-stop“ sistemomis ir pažangiais saugumo asistentais, turi daugybę jutiklių ir nuolat veikiančios elektronikos. Dėl to akumuliatorių pasirinkimas tapo sudėtingesnis. Automobilių akumuliatoriai kaupia cheminę energiją, kuri virsta elektros srove ir tiekia galią starteriui bei visiems elektroniniams prietaisams. Viduje esančios švino plokštelės ir sieros rūgšties tirpalas sukelia cheminę reakciją, kuri gamina elektros energiją.
Tradiciniai švino-rūgštiniai akumuliatoriai
Tai seniausias ir labiausiai paplitęs akumuliatorių tipas. Šie švino-rūgštiniai akumuliatoriai paprastai turi šešias celes, o pilnai įkrauto akumuliatoriaus įtampa siekia apie 12,6 V. Šio tipo akumuliatoriuose yra naudojamas švinas, iš kurio pagamintos plokštelės, ir sieros rūgštis (naudojama kaip elektrolitas). Tai yra viena populiariausių akumuliatorių rūšių Lietuvoje. Jų privalumai - prieinama kaina ir patikimumas.
Vis dėlto, šlapio elemento akumuliatoriai reikalauja daugiau priežiūros: reikia tikrinti ir kartais papildyti elektrolitą. Be to, juos būtina montuoti vertikaliai, kad neišsilietų rūgštis. Jų veikimo trukmė labai priklauso nuo įkrovimo lygio, jiems būdingas gilus iškrovimas. Jei turite rūgštinį akumuliatorių, patariama išvažiuoti tik jei jis visiškai pakrautas. Švino-rūgštiniai akumuliatoriai yra standartinis sprendimas automobiliams be „start-stop“ sistemos.
EFB akumuliatoriai (Enhanced Flooded Battery)
Tai patobulinta standartinių akumuliatorių versija. EFB akumuliatoriai yra sandarūs ir tarnauja dvigubai ilgiau nei paprasti rūgštiniai (apie 85 000 variklio užvedimų palyginus su 30 000). Šių akumuliatorių gamybai naudojamos teigiamos ir neigiamos plokštelės, todėl jie yra hermetiškesni, nes susideda iš gelinio elektrolito, sandaresnių kamščių nei rūgštiniai, iš jų neišbėga skystis. Šio tipo akumuliatoriai naudojami ilgiau nei įprasti. EFB akumuliatoriai skirti automobiliams su „start-stop“ sistema.
AGM akumuliatoriai (Absorbent Glass Mat)
AGM akumuliatoriai išskirtiniai tuo, kad juose elektrolitas įsigėręs į specialias stiklo pluošto pertvaras. Tai leidžia jiems krautis penkis kartus greičiau ir atlaikyti net tris kartus daugiau įkrovimo-iškrovimo ciklų nei standartiniai akumuliatoriai. Jie gali būti užpildyti skysčiu (rūgštinio tipo) arba reguliuojami vožtuvais (VRLA). VRLA tipo akumuliatoriai yra itin sandarūs, nes dujos, skystis viduje kontroliuojami vožtuvu, jų taip pat nereikia tikrinti. Juose yra naudojamos stiklo pluošto plokštelės, į kurias absorbuojamas elektrolitas. Priešingai nei rūgštiniams, jiems nėra didelio skirtumo, kokia temperatūra vyrauja aplinkoje. AGM - pažangiausia technologija. Tinka automobiliams su didele elektros apkrova, regeneraciniu stabdymu ar prabangiai įrangai. AGM akumuliatoriai gali tarnauti žymiai ilgiau nei klasikiniai akumuliatoriai.
AGM akumuliatoriai yra sandarūs, tačiau turi iššokančias ventiliacijos angas, kurios atsidaro ir leidžia dujoms išeiti, jei akumuliatorius perkraunamas. AGM baterijos paprastai žymimos „AGM“. Kalbant apie įkrovimą, idealūs AGM ir užtvindytų elementų akumuliatorių įkrovimo parametrai yra labai artimi. AGM akumuliatoriui įkrauti saugu naudoti STD (standartinės baterijos) nustatymą. Skirtumas tarp standartinio ir AGM profilio daugiausia susijęs su masinio įkrovimo greičiu, kuris gali būti didesnis AGM akumuliatorių atveju. Tai leis AGM akumuliatoriui greičiau įkrauti įkrovimo ciklo pradžioje. Be to, ciklo pabaigoje gali šiek tiek skirtis plūdinė įtampa.
Gelinės baterijos
Gelinės baterijos skiriasi nuo AGM ir įkrovimo metu reikalauja mažesnės įtampos. Tačiau jie paprastai ženklinami kaip geliniai akumuliatoriai ir retai naudojami automobilių ir jūrų reikmėms.
Automobilių akumuliatorių pasirinkimas ir priežiūra
Akumuliatorius yra jūsų automobilio elektros sistemos širdis. Jis kaupia cheminę energiją, kuri virsta elektros srove ir tiekia galią starteriui bei visiems elektroniniams prietaisams. Viduje esančios švino plokštelės ir sieros rūgšties tirpalas sukelia cheminę reakciją, kuri gamina elektros energiją.
Visi automobilių akumuliatoriai yra laikini: po tam tikro laikotarpio juos reikės keisti. Nors dažniausiai nustatomas laikas yra apie 2 metus, tačiau labai priklauso nuo to, kaip detalė buvo eksploatuojama. Detalė susidėvi ypač greitai, jei elektronika naudojama nuolat: žibintai, radijas, oro kondicionierius, tokiu atveju jo būklę reikėtų patikrinti dažniau. Vidutinis akumuliatoriaus tarnavimo laikas - 3-5 metai. Geras akumuliatorius įprastai turėtų tarnauti bent 5 metus.
Svarbūs kriterijai renkantis akumuliatorių
Perkant naują akumuliatorių, būtina atsižvelgti į automobilio gamintojo rekomendacijas arba pasitikrinti lenteles auto dalių parduotuvėje. Pasirenkant akumuliatorių yra keli svarbūs kriterijai:
- Akumuliatoriaus dydis. Jis turi tilpti į automobilyje numatytą vietą.
- Akumuliatoriaus talpa, matuojama ampervalandėmis (Ah). Svarbu, kad ji būtų ne mažesnė, nei numato gamintojas. Per silpnas akumuliatorius gali neužtikrinti pakankamos galios šaltuoju sezonu.
- Akumuliatoriaus sugeneruojama startinė srovė, matuojama amperais (A) arba CCA (Cold Cranking Amps). Kuo ji didesnė, tuo lengviau bus užvesti automobilį esant dideliam šalčiui. Žiemos sąlygomis svarbu, kad akumuliatorius turėtų pakankamai didelę šalto užvedimo srovę.
- Patikrinkite datą. Net naujas akumuliatorius parduotuvėje gali būti stovėjęs sandėlyje ilgiau nei metus.
Akumuliatorius - ne ta dalis, ant kurios verta taupyti. Pigus kiniškas variantas gali tarnauti metus, o kokybiškas europietiškas - penkerius. Kokybiški modeliai pasižymi stabilesne įkrova, atsparumu vibracijoms ir geresniu veikimu ekstremaliomis sąlygomis. Taip pat svarbu - garantija.
Dažnos akumuliatoriaus iškrovimo priežastys ir priežiūra
- Ilgas automobilio nenaudojimas. Kai transporto priemonė stovi, akumuliatoriaus elektrolitas po truputį garuoja, o akumuliatoriaus įkrova krenta. Rekomenduojama kartą per savaitę suplanuoti ilgesnę, apie 30-40 min. kelionę.
- Palikti įjungti elektros prietaisai. Labai dažna išsikrovimo priežastis - palikti įjungti žibintai ar net vidaus salono šviestuvai. Prieš išeidami visada patikrinkite, ar visos lemputės išjungtos.
- Parazitinė srovė. Kai kurie elektroniniai komponentai (GPS, multimedija) gali naudoti elektros energiją net ir išjungus variklį. Tai vadinama parazitine srove, kuri lėtai, bet užtikrintai sekina akumuliatorių.
- Temperatūros poveikis. Didelis karštis ir šaltis yra vieni didžiausių akumuliatoriaus priešų. Karštis skatina elektrolito garavimą, o šaltis sumažina akumuliatoriaus galią užvesti variklį. Jei įmanoma, žiemą laikykite automobilį garaže. Esant -15 °C temperatūrai, akumuliatoriaus talpa gali sumažėti 30-40 proc. Tuo pačiu metu variklio paleidimui reikia daugiau energijos - alyva tirštesnė, starteris sukasi sunkiau. Žiemą pilnas akumuliatoriaus išsikrovimas yra ypač pavojingas, nes akumuliatoriuje esantis elektrolitas gali užšalti ir negrįžtamai suardyti akumuliatoriaus plokšteles.
- Korozija. Ant akumuliatoriaus polių susikaupęs baltas ar žalias apnašas rodo koroziją. Tai mažina kontaktą ir gali trukdyti generatoriui tinkamai įkrauti.
- Generatoriaus gedimas. Energijos ištekliai gali išsekti ir dėl generatoriaus gedimo.
- Važinėjimas trumpais atstumais. Generatorius nespėja įkrauti baterijos ir akumuliatorius išsikrauna greičiau, ypač žiemą. Akumuliatorių, kuris nusėda dėl važiuojamų trumpų atstumų, dar kartais galima prikelti jį įkraunant iš elektros tinklo su papildoma įkrovimo įranga.
Akumuliatorius - ar tik jis svarbus ruošiant automobilį žiemai?
Akumuliatoriaus būklės patikra
Paprastiausia patikrinti akumuliatoriaus užkrovimo lygį - pamatuoti įtampą tarp akumuliatoriaus gnybtų. Pilnai pakrauto akumuliatoriaus įtampa yra apie 12,65 V, pusiau pakrauto - 12,25 V. Žiemą akumuliatorių rekomenduojama įkrauti, jeigu jis išsikrovęs 25%, o vasarą - 50%.
Jeigu jūsų automobilis neturi akumuliatoriaus įtampą stebinčios sistemos, jo būklę galima patikrinti multimetru - mažesnis nei 11,5 V rezultatas jau praneša apie laukiančias problemas ir tokį akumuliatorių geriau nedelsti pakeisti. Verta kartą per kelis mėnesius trumpai patikrinti akumuliatoriaus būklę patiems arba profilaktiškai autoservise.
Akumuliatoriuose naudojami metalai
Baterijose gali būti naudojami įvairūs metalai, lemiantys jų savybes:
- Kadmis. Kadmis yra plačiausiai naudojamas metalas baterijose. Tai melsvai baltas metalas, naudojamas kaip lydinys ir metalo dengimui. Dažniausiai jis randamas įkraunamose baterijose.
- Litis. Tai šarminio metalo tipas, naudojamas baterijose. Dėl savo svarbos litis yra daugumoje baterijų. Tai taip pat lengviausias iš metalų.
- Iridis. Tai vienas neįprastiausių metalų, randamų baterijose. Tai gana tvirtas metalas su pilka plieno išvaizda. Dauguma baterijų gali rūdyti; tačiau iridžio elementas neturi, nes turi antikorozinių savybių. Tai labai kieta, inertiška medžiaga, naudojama baterijose.