22 лет персонализации аккумуляторов
May 06, 2022 Вид страницы：4421
Литий-ионные аккумуляторы заряжаются быстрее, служат дольше и имеют более высокую удельную мощность для увеличения срока службы в более легком корпусе.
С момента изобретения Алессандро Вольта в 1800 году первой батареи или «гальванического столба» батареи прошли долгий путь, чтобы обеспечить питание бесконечного списка портативных электронных устройств, которые мы все используем ежедневно. Первая перезаряжаемая батарея была изобретена Гастоном Планте в 1859 году и была известна как свинцово-кислотная батарея. В 1980 году Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор, и эта новая технология стала популярной почти во всех портативных электронных устройствах, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки и носимые устройства. Типичная литий-ионная батарея может генерировать около 3,6 вольт на элемент. Если вы сейчас используете 12-вольтовую свинцово-кислотную батарею, вам потребуются три литий-ионных батареи для создания того же выходного напряжения. Литий-ионные аккумуляторы заряжаются быстрее, служат дольше и имеют более высокую удельную мощность для увеличения срока службы аккумулятора в более легком корпусе.
Вес литий-ионного аккумулятора зависит от размера, химического состава и количества энергии, которое он содержит. Типичная ячейка весит около 30-40 граммов. Ячейки упакованы вместе, чтобы сделать аккумулятор для устройства. Аккумуляторы для компьютеров, сотовых телефонов и другой портативной электроники часто содержат несколько элементов последовательно (плюс к минусу) или параллельно (плюс к плюсу).
Типичная батарея для ноутбука состоит из шести элементов с номинальным напряжением 3,6 В каждый. Например, ноутбук Dell Inspiron 9100 имеет батарею на 11,1 В емкостью около 4400 мАч (4,4 Ач). Это эквивалентно 6 x 3,6 В x 4,4 Ач = 100 Втч энергии или 1110 г массы (2,5 фунта).
Блок мощностью 400 Вт-ч будет весить около 4 кг (8 фунтов).
Как уже было сказано, вес литий-ионного аккумулятора не является фиксированным числом. Он варьируется в зависимости от емкости накопителя и напряжения элементов в пакете. Наиболее многообещающий способ увеличить плотность энергии аккумуляторов — увеличить их напряжение, но это имеет свои недостатки. Меньшую и более легкую батарею можно создать, добавив больше элементов для повышения напряжения. Единственная проблема в том, что чем больше клеток, тем больше вес.
В качестве примера мы будем использовать обычный литий-ионный элемент 18650, используемый во многих портативных компьютерах и электромобилях. Этот элемент содержит около 2 ампер-часов заряда при типичном напряжении 3,6 В. Электромобилю, которому требуется 100 кВтч энергии, потребуется 14 285 элементов для хранения заряда только в этих элементах с эффективностью 95 процентов. Каждый из них весит около 50 граммов, что в сумме составляет 714 килограммов (1574 фунта).
Калькулятор веса литий-ионного аккумулятора
Литий-ионные батареи могут весить от 3 г/Втч до 8 г/Втч. Типичная батарея ноутбука весит от 80 до 120 Втч/кг, что означает, что она весит от 240 до 960 г (или от 0,5 до 2 фунтов). Типичная батарея смартфона может весить около 20-40 г.
Этот калькулятор веса литий-ионного аккумулятора представляет собой чрезвычайно легкий и простой в использовании инструмент, который поможет вам определить приблизительный вес литий-ионного аккумулятора на основе его удельной энергии, плотности и объема. В этой статье мы представим объяснение того, как работает калькулятор. Этот калькулятор сообщит вам вес батареи вашего литий-ионного аккумулятора. Это может помочь вам определить, является ли ваша батарея слишком тяжелой или недостаточно тяжелой. Для каждой ячейки введите мАч и вольты. Если вы не знаете мАч и вольт вашей батареи, обратитесь к производителю за техническими характеристиками.
Нас, как инженеров, часто просят быстро оценить вес аккумуляторной батареи. В то время как для простых химических соединений, таких как гидрид никеля (NiMH) и свинцовая кислота, легко определить приблизительный вес, большое количество потенциальных составов в химии ионов лития делает это более сложным.
Первым шагом в расчете веса литий-ионного аккумулятора является определение его емкости в ампер-часах (Ач). Обычно это указывается в технических характеристиках стандартных аккумуляторов или путем деления общей энергии (в ватт-часах) на номинальное напряжение при разработке нестандартных аккумуляторов.
Далее нам нужно посмотреть на удельную энергию химического состава нашей батареи. В следующей таблице приведены приблизительные значения для распространенных составов:
Литий-ионная химияУдельная энергия (Втч/кг)
Оксид лития-кобальта (LCO)140 - 175
Оксид лития-марганца (ЖМО)115 - 145
Литий-железо-фосфат (LFP)95 - 120
Оксид лития, никеля, марганца, кобальта (NMC)115 - 150
Если вы используете стандартную батарею, возможно, ваш производитель опубликовал конкретную информацию об энергии. В противном случае мы можем оценить значение на основе нашей химии. Например, литий-марганцево-оксидная батарея с номинальным напряжением 3,6 В и удельной энергией 120 Втч/кг будет иметь емкость 33 Ач и весить 1 кг.
Плотность веса ионно-литиевой батареи
Плотность энергии является ключевым параметром для аккумуляторов. Это может быть выражено в терминах удельной энергии (энергия на единицу массы) или плотности энергии (энергия на единицу объема), но для батарей они тесно связаны.
Не сразу понятно, почему важна плотность энергии, но учтите, что транспортное средство, работающее на бензине, должно носить с собой топливо; если он несет больше топлива, он может идти дальше. Таким образом, увеличивая плотность энергии топлива, вы можете сделать автомобиль легче и эффективнее. То же самое относится и к электромобилю: поскольку он носит с собой аккумулятор, батарея с более высокой плотностью означает более легкий автомобиль.
Как мы уже видели, литий-ионные батареи имеют гораздо более высокую удельную мощность, чем их предшественники. Но они также имеют гораздо более высокую удельную энергию - обычно 150 Втч/кг по сравнению с 50 Втч/кг для свинцово-кислотных аккумуляторов и 70-90 Втч/кг для никель-металлогидридных батарей.
На самом деле удельная энергия литий-ионных аккумуляторов сравнима с удельной энергией бензина. Так почему же у электромобилей нет запаса хода, сравнимого с бензиновыми автомобилями? Конечно, это означало бы, что удельная энергия бензина составляет менее половины удельной энергии иона лития? Нет — оказывается, что современные бензиновые двигатели имеют КПД около 40%, поэтому элемент на 150 Втч/кг может дать электромобилю с КПД трансмиссии 60% запас хода, сравнимый с бензиновым автомобилем.
Удельная энергия бензина составляет около 12 кВтч/кг, что соответствует объемной плотности энергии около 32 кВтч/л. Литий-ионные батареи имеют плотность энергии около 160 Втч/кг, что составляет 0,16 кВтч/кг.
Это соотношение 12:0,16 соответствует эквивалентной объемной плотности 76,8 кВтч/л. Tesla Model S имеет аккумуляторную батарею емкостью 85 кВтч и весит 540 кг; это дает ему объемную плотность энергии 0,39 кВтч / л, что составляет около 5% эквивалента для бензина.
Так почему же запас хода у электромобилей значительно ниже, чем у их бензиновых аналогов? Нет никакой фундаментальной причины, по которой они должны быть ограничены таким образом — проблема в том, что практичные аккумуляторные блоки все еще слишком тяжелы и громоздки, чтобы электромобили могли конкурировать с бензиновыми по запасу хода.
Это не просто вопрос технологии: даже если бы у нас были батареи с такой же плотностью энергии, как у бензина (а у нас ее нет), нам все равно нужно было бы найти способы уменьшить вес и объем, занимаемый другими компонентами в аккумуляторе. автомобиль — все, от шин до осей и опор двигателя, должно быть намного легче, если мы хотим, чтобы электромобили могли конкурировать со своими бензиновыми эквивалентами с точки зрения запаса хода.
Распределение веса литий-ионного аккумулятора
Литий-ионный аккумулятор состоит из нескольких компонентов: катода, анода, сепаратора, электролита и токосъемника. Химический состав катода и анода определяет тип литий-ионного элемента (например, LiCoO2, LiFePO4 и т. д.) и, следовательно, емкость, скорость, характеристики безопасности и стоимость элемента. Типичная конфигурация ячейки в автомобиле призматическая или цилиндрическая с емкостью от 20 до 85 Ач.
Катодный материал составляет примерно 30% массы литий-ионного аккумулятора. Анод также составляет примерно 30% массы. На сепаратор приходится 15%, а на токосъемник чуть менее 10%. Электролит (включая присадки) составляет около 2% по массе, а все остальное примерно 13%.
Весовая разбивка литий-ионного аккумулятора выглядит следующим образом (данные Kokam):
Сотовый - 48%
Упаковка - 25%
Прочее (кабели, разъемы, контакторы и т.д.) - 9%
Система охлаждения - 5%
Система управления батареями — 5%
Аппаратное обеспечение/вспомогательная структура — 4%
Системы безопасности - 2%
Разное (вентиляторы, электрические компоненты) - 2%
Вывод
Литий-ионные аккумуляторы часто считаются лучшим типом аккумуляторов для портативной электроники. Они имеют одну из лучших плотностей энергии, отсутствие эффекта памяти и низкий саморазряд. По этим причинам литий-ионные аккумуляторы используются для широкого спектра портативной электроники.
Оставить сообщение
Мы скоро свяжемся с вами
