Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



Сведения о различных типах источников питания. Информация о гальванических элементах, аккумуляторах и других источниках питания. Вы также можете прочитать о продолжительности жизни источника питания, его эффективности и возможностях. В разделе содержатся подробные обзоры источников питания, пошаговые инструкции по их применению и другая полезная информация. Наш раздел станет полезным источником информации как для профессионалов, и для начинающих.

 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Источники питания / Тренды, актуальные вопросы / Новые разработки и исследования в области аккумуляторов, перспективные материалы и технологии


 Школа для электрика в Telegram

Новые разработки и исследования в области аккумуляторов, перспективные материалы и технологии



Аккумуляторы являются важными устройствами для хранения и выдачи электрической энергии в различных сферах жизни и деятельности человека. Они используются в электромобилях, портативной электронике, сетевых системах хранения, альтернативной энергетике и многих других областях.

С развитием науки и техники аккумуляторы постоянно совершенствуются, чтобы удовлетворять растущие потребности и требования к эффективности, емкости, плотности энергии, скорости зарядки и разрядки, долговечности, безопасности и экологичности.

В настоящее время наиболее распространенным типом аккумуляторов являются литий-ионные аккумуляторы, которые имеют высокую плотность энергии, длительный срок службы и относительно низкую стоимость.

Современные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы - это наиболее распространенный и популярный тип аккумуляторов в настоящее время. Они состоят из двух электродов, анода и катода, которые сделаны из литийсодержащих материалов, и электролита, который обеспечивает передачу литиевых ионов между электродами.

Литий - это щелочной металл, который имеет ряд свойств, позволяющих использовать его для создания современных источников электрического тока, таких как литий-ионные аккумуляторы. Некоторые из этих свойств включают:

  • Низкая плотность. Литий - самый легкий из всех металлов, его плотность составляет 0,534 г/см?. Это делает его идеальным материалом для создания легких и компактных источников тока, которые могут использоваться в портативной электронике, электромобилях и других устройствах.
  • Высокая электрохимическая активность. Литий легко отдает свой внешний электрон, образуя положительно заряженный ион Li+. Это позволяет литию участвовать в эффективных химических реакциях с другими материалами, выделяя большое количество электрической энергии. Например, в литий-ионных аккумуляторах литий перемещается между анодом и катодом через электролит, создавая электрический ток.
  • Высокая температура плавления и кипения. Литий имеет температуру плавления 180,5 °C и температуру кипения 1317 °C. Это означает, что литий может работать в широком диапазоне температур, не теряя своих свойств и не разрушаясь. Это важно для обеспечения надежности и долговечности источников тока, особенно в экстремальных условиях.
  • Способность реагировать с воздухом. Литий легко реагирует с кислородом, азотом и водой, образуя различные соединения, такие как оксиды, нитриды и гидроксиды. Это свойство может использоваться для создания источников тока, которые используют воздух в качестве одного из реагентов. Например, в литий-воздушных аккумуляторах катод состоит из пористого углерода, который поглощает кислород из воздуха, а анод - из лития. При зарядке литий окисляется, а при разрядке кислород восстанавливается, выделяя электрическую энергию.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-воздушные аккумуляторы имеют потенциал для достижения очень высокой плотности энергии, но также сталкиваются с рядом проблем, таких как низкая эффективность, быстрое старение и низкая стабильность.

Однако литий-ионные аккумуляторы также имеют ряд недостатков, таких как высокая стоимость, ограниченная доступность лития, риск перегрева и взрыва, а также экологические проблемы, связанные с добычей, переработкой и утилизацией лития.

В связи с этим, ученые исследуют различные способы улучшения литий-ионных аккумуляторов, такие как использование новых материалов для электродов и электролита, увеличение емкости и плотности энергии, снижение стоимости и повышение безопасности.

Например, некоторые из новых материалов, которые используются для анода, включают графен, кремний, олово и другие наноструктурированные материалы, которые могут увеличить емкость и уменьшить потерю емкости при циклировании.

Для катода используются различные соединения лития с другими металлами, такими как никель, кобальт, марганец, железо и другие, которые могут улучшить стабильность и производительность. Для электролита используются различные растворители, соли и добавки, которые могут повысить проводимость, совместимость и безопасность.

В научном сообществе идет активный поиск и разработка новых типов аккумуляторов, которые могут превзойти литий-ионные по своим характеристикам и решить их проблемы.

Некоторые из наиболее перспективных направлений в этой области включают фторид-ионные, твердотельные аккумуляторы, а также аккумуляторы на основе органических материалов.

Аккумуляторы электромобилей

Фторид-ионные аккумуляторы

Это новый тип аккумуляторов, который использует фтор в качестве заряженного иона, передающего электрический ток между анодом и катодом.

Фтор имеет самый высокий удельный заряд среди всех элементов, что позволяет фторид-ионным аккумуляторам хранить в 10 раз больше энергии, чем литий-ионные.

Кроме того, фторид-ионные аккумуляторы не взрываются, так как фтор не реагирует с водой и воздухом, и используют более дешевые и доступные материалы, такие как медь, железо и лантан.

Однако фторид-ионные аккумуляторы требуют высоких температур (около 150 °C) для работы, что является серьезным препятствием для их практического применения.

Исследователи из NASA и Honda работают над решением этой проблемы, используя специальные электролиты на основе фторидов.

Твердотельные аккумуляторы

Это тип аккумуляторов, который использует твердый электролит вместо жидкого или гелевого, как в традиционных аккумуляторах.

Твердотельные аккумуляторы имеют ряд преимуществ, таких как более высокая плотность энергии, скорость зарядки и разрядки, долговечность, безопасность и стабильность.

Твердотельные аккумуляторы также позволяют использовать литий-металлический анод, который имеет самую высокую теоретическую емкость среди всех известных материалов для анодов.

Однако твердотельные аккумуляторы сталкиваются с рядом технических сложностей, таких как низкая ионная проводимость твердого электролита, несовместимость между электродами и электролитом, сложность изготовления и масштабирования.

Многие компании и университеты, такие как Toyota, Samsung, Volkswagen, MIT и другие, занимаются разработкой и улучшением твердотельных аккумуляторов.

Твердотельный аккумулятор

Аккумуляторы на основе органических материалов

Это тип аккумуляторов, который использует органические соединения, такие как полимеры, углеродные нанотрубки, графен и другие, в качестве электродов или электролитов.

Аккумуляторы на основе органических материалов имеют потенциал для создания более дешевых, экологичных, гибких и легких аккумуляторов.

Органические материалы также могут иметь разнообразные химические и физические свойства, что позволяет настраивать и оптимизировать аккумуляторы для разных приложений.

Однако аккумуляторы на основе органических материалов страдают от низкой плотности энергии, скорости зарядки и разрядки, стабильности и долговечности.

Исследования в этой области направлены на улучшение производительности и надежности органических аккумуляторов, используя новые синтетические методы, наноструктурирование, гибридизацию и другие подходы.

Другие перспективные технологии

Кроме фторид-ионных, твердотельных и органических аккумуляторов, существуют и другие перспективные технологии аккумуляторов в будущем, которые могут предложить новые решения для хранения и использования энергии. Некоторые из них включают:

  • Аккумуляторы на основе водорода. Это тип аккумуляторов, который использует водород в качестве топлива и кислород в качестве окислителя, производя электрическую энергию и воду как продукт реакции. Аккумуляторы на основе водорода имеют очень высокую плотность энергии, не загрязняют окружающую среду и могут работать в широком диапазоне температур. Однако аккумуляторы на основе водорода также сталкиваются с рядом проблем, таких как высокая стоимость, низкая эффективность, сложность хранения и транспортировки водорода, риск утечки и взрыва.
  • Аккумуляторы на основе алюминия. Это тип аккумуляторов, который использует алюминий в качестве анодного материала и различные оксиды или гидроксиды в качестве катодного материала, выделяя электрическую энергию и алюминиевый гидроксид как продукт реакции. Аккумуляторы на основе алюминия имеют низкую стоимость, высокую плотность энергии, длительный срок службы и хорошую безопасность. Однако аккумуляторы на основе алюминия также имеют недостатки, такие как низкая скорость зарядки и разрядки, низкая стабильность и низкая энергетическая эффективность.
  • Аккумуляторы на основе наноматериалов. Это тип аккумуляторов, который использует наноматериалы, такие как наночастицы, нанопроволоки, нанотрубки, нанолисты и другие, в качестве электродов или электролитов. Аккумуляторы на основе наноматериалов имеют потенциал для улучшения производительности и характеристик аккумуляторов, таких как плотность энергии, скорость зарядки и разрядки, долговечность, безопасность и гибкость. Однако аккумуляторы на основе наноматериалов также сталкиваются с вызовами, такими как высокая стоимость, сложность синтеза и масштабирования, нестабильность и токсичность.

Создание новых аккумуляторов

Это не полный список перспективных технологий аккумуляторов в будущем, а лишь некоторые из них. В науке и технологии постоянно появляются новые идеи и разработки в области аккумуляторов, которые могут открыть новые возможности для хранения и использования энергии в различных сферах жизни и деятельности человека.

Новые типы аккумуляторов могут превзойти литий-ионные по своим характеристикам и решить их проблемы. Однако эти новые типы аккумуляторов также имеют свои сложности и ограничения, которые требуют дальнейших исследований и разработок.

Андрей Повный

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика