Холодные испытания литиевых и щелочных батарей — Алекс Хибберт
Среди различных поездок, миссий по установлению фактов и оценок оборудования, которыми была отмечена моя зима 2017 года на высокоарктической территории Шпицбергена, я также обратил внимание на мелочи того, что берет, чтобы жить и путешествовать успешно в этой части мира.
Многое из того, что имеет значение сегодня, нравится вам это или нет, даже на льду требует силы. Спутниковая связь, навигация, киносъемка, а в темноте и фонари — неотъемлемая часть современных дальних путешествий в холода.
Вместо беспорядка различных типов батарей, систем зарядки и веса, который они представляют, имеет смысл использовать единый «базовый источник» питания. Рассмотрев различные размеры, химические составы и варианты, представленные на рынке, я обнаружил, что типичные батарейки типа АА отлично подходят для этой роли. Их можно использовать по отдельности в таких устройствах, как телефоны GPS, или в сочетании с блоками питания для создания 12 В, от которых можно заряжать все виды техники.
Некоторые из них являются перезаряжаемыми, но химия NiMH, используемая для них (даже для более новых типов с низким саморазрядом), общеизвестно бессильна, когда ртуть движется южнее нуля.
Я провел несколько тестов нескольких распространенных элементов AA — так что, боюсь, это предупреждение компьютерщикам, — но постарался довольно быстро перейти к полезной информации.
Я попробовал два традиционных щелочных аккумулятора, GP Ultra (хорошо зарекомендовавший себя бюджетный бренд) и Duracell (их стандартный элемент), а также два литиевых AA, опять же от GP, и более дорогой лидер рынка Energizer Ultimate.
Хорошо известно, что литиевые батареи лучше работают на холоде, особенно при высокой нагрузке, поэтому результаты щелочных и литиевых батарей не удивят, но вопрос в том, насколько? Стоит ли того большая разница в цене? И насколько они различаются между брендами?
Итак, вот что я нашел:
Щелочные батареи имели напряжение около 1,6 В без нагрузки. Для аккумуляторов, указанных как 1,5 В (типично для одноразовых батареек типа АА — 1,2 В более нормально для перезаряжаемых аккумуляторов), это примерно правильно.
После загрузки (я использовал лампочку на 0,3 А на элемент) оно упало до 1,5 В. Охладив всю систему чуть ниже -20 градусов по Цельсию, она показала 1,35 В. Затем я позволил им разрядиться через лампочки. Уже через 20 минут Duracells были на уровне 1,1 В, а через сорок минут — 1,0 В. GP Ultras показал себя лучше при 1,2 В и 1,1 В. Производительность АА при вольтах становится очень плохой, и некоторые скажут, что напряжение ниже 1,2 В бесполезно. Стоит сказать, что больший расход (от мощного фонарика) снижает полезную емкость аккумулятора (количество мА·ч) и поэтому для лучшего звучания часто указываются токи вроде 0,05 А. Гран-при продержался до 0,9V в один час, в то время как Duracells не смогли зажечь лампочку в этот момент. Аккумуляторы были повторно прогреты и выдали напряжение около 1,14 В (Durcell) и 1,37 В (GP Ultra). Они были мертвы, и почти мертвы.
Литиевые имели напряжение без нагрузки 1,8В (Энерджайзер) и 1,9В (ГП). При нагрузке они упали до 1,5 В и 1,6 В. На морозе они упали всего на 0,05 В, что впечатляет.
С этого момента батареи оставляли разряжаться, а Энерджайзер удерживал более высокое напряжение при проверке каждый час. Через час оно было 1,33 В, через два часа — 1,32 В, через четыре — 1,30 В. Результаты GP были 1,27 В, затем, как ни странно, 1,30 В для двух- и четырехчасовых проверок. Через одиннадцать часов Энерджайзер держался на 1,07 В с тусклым свечением лампочки. ГП был мертв. При повторном прогреве оба вернулись к 1,5 В без нагрузки. Странность, которую я заметил и сделал при использовании двух ячеек GP в GPS, заключается в том, что иногда после интенсивного использования ячейка показывает 0,0 В — она полностью умирает. Связано ли это с тем, что последовательный ток поступает неравномерно и полностью «поджаривает» одну ячейку, я не знаю. Энерджайзеры не склонны делать это так драматично.
Итак, впереди еще много тестов, и я вижу следующие результаты:
На холоде забудьте о щелочах. Простой. Если у вас есть отличная система подзарядки, возможно, LSD-NiMH (например, Eneloops) вам пригодятся, но они будут нуждаться в постоянном уходе.
Очень привлекательные GP Ultras честно обошли Duracells, даже если ни одно из них не было выдающимся.
Для серьезного использования при низких температурах литий является решением. К сожалению, перезаряжаемые литий-ионные или литий-полимерные АА недоступны. Вы можете купить готовые 12-вольтовые литий-ионные блоки питания и заряжать от них, но вес и стоимость Ач выше, чем у АА, и вам придется подзаряжать сам блок питания в тепле.
При использовании литиевых AA (доступно очень мало марок) оба превосходно работают на холоде — они оставляют далеко позади щелочные соединения, чего не было бы при умеренных нагрузках в тепле. Они также на четверть или треть легче по весу. 20-процентной экономии GP по сравнению с Energizer может быть достаточно, чтобы изменить ваш голос, даже учитывая немного странное поведение, которое я обнаружил. Важным выводом является приобретение надлежащего мультиметра и, как минимум, одного из тех мини-тестеров за 5 фунтов стерлингов. Вы не будете выбрасывать хорошие батареи, если только одна из них в телефоне разряжена.
Вы также можете идентифицировать неисправные элементы и выяснить, где проблемы в ваших самодельных зарядных установках и т. д.
Вот и все — покупайте качественные батарейки, если вам холодно.
Новый электролит может помочь батареям электромобилей противостоять холоду
Увеличивающаяся с годами плотность энергии литий-ионных батарей привела к появлению электромобилей с увеличенным запасом хода. Но этот запас хода резко падает вместе с температурой зимой. Это падение производительности батареи является одной из причин, по которой клиенты часто не хотят покупать электромобиль.
Изменив электролит батареи, исследователи создали батарею, которая работает при температурах до -20 °C. По сравнению с другими батареями для холодной погоды, о которых до сих пор сообщали исследователи, у этой батареи рекордный срок службы — более года.
Современные батареи хорошо работают при температуре от 0 °C до 40 °C. Для более широкого распространения разработчики стремятся создавать аккумуляторы, работающие в более широком диапазоне температур, от -40 °C до 60 °C.
«Высокая плотность энергии и долгий срок службы литий-ионных аккумуляторов при низких температурах являются ключом к разработке всепогодных электромобилей», — говорит Чонг Ян из Пекинского технологического института.
Аккумуляторы увеличенной емкости снижают запас хода электромобиля на холоде
Сегодня, чтобы аккумуляторы работали на морозе, производители добавляют внешнюю изоляцию и обогрев. Но это также увеличивает габариты, а перенос этого дополнительного веса снижает дальность пробега. Кроме того, он не идеален для аккумуляторов для работы в холодную погоду в приложениях, чувствительных к весу, таких как высотные дроны и спутники.
Многие исследователи пытаются улучшить работу аккумуляторов при низких температурах, сосредоточив внимание на электролитах, которые перемещают ионы лития между электродами аккумулятора. Низкие температуры загущают эти электролиты, поэтому ионы движутся медленнее, что приводит к потере емкости и медленной зарядке. Некоторые команды недавно использовали низкотемпературные растворители для изготовления электролитов или тестировали химические добавки в электролитах, которые помогают улучшить их устойчивость к холоду.
Другие разработали совершенно новые электролиты, способные выдерживать широкий диапазон температур.
Ян вместе с Цян Чжаном из Университета Цинхуа и их коллегами сосредоточились на низкотемпературном растворителе. Хотя такие растворители помогают работать в холодную погоду, известно, что при высоких температурах они выделяют газы, которые сокращают срок службы батареи. «Тем не менее, механизм газообразования и соответствующая стратегия ингибирования остаются неизвестными», — говорит Ян.
В своей статье, опубликованной в журнале Matter , исследователи раскрывают механизм образования газа и предлагают новый высококонцентрированный электролит, разработанный ими в качестве решения проблемы.
Они обнаружили, что литиевое покрытие — накопление металлического лития на поверхности графитового анода батареи — является причиной газообразования. При зимних температурах из-за того, что ионы лития движутся медленно, они, как правило, скапливаются при входе из электролита в графит, поэтому некоторое количество металлического лития в конечном итоге накапливается на поверхности.
Исследователи обнаружили, что обычно используемый низкотемпературный растворитель этилацетат бурно реагирует с этим гальваническим литием, что приводит к образованию газообразных водорода и этана. Давление скопившегося газа в конечном итоге приводит к растрескиванию электродов и выходу батареи из строя.
Подход к холодной погоде использует новый электролит
Для борьбы с образованием газа исследователи изготовили электролит, растворив большее, чем обычно, количество солей лития в растворителе, состоящем из 90 процентов этилацетата и 10 процентов фторэтиленкарбоната.
Затем исследователи изготовили элемент батареи с этим электролитом, графитовым анодом и катодом NMC811, состоящим из 80 процентов никеля, 10 процентов кобальта и 10 процентов марганца. Катоды NMC811 используются в современных высокопроизводительных литий-ионных батареях из-за их высокой плотности энергии и минимального использования дорогого кобальта.
«Все материалы, которые мы используем, коммерчески доступны, и предлагаемый электролит разумно производить в больших масштабах», — говорит Ян, что делает новый подход легко применимым к современным распространенным химическим веществам аккумуляторов и производственным процессам.
Исследователи показали, что использование этилацетата в качестве основного растворителя обеспечивает работоспособность элемента батареи при температурах до -40 °C. Между тем литиевая соль реагирует с фторэтиленкарбонатом, образуя твердый слой на аноде, который проводит ионы лития, но также защищает любой металлический литий, который неизбежно покрывает поверхность. Защитный слой предохраняет литий от реакции с этилацетатом и образования газов.
В ходе испытаний элементы сохранили более трех четвертей своей емкости при комнатной температуре при -40 °C. И их можно заряжать в течение более 1400 циклов, что является средним числом циклов зарядки, которое батарея проходит в течение года.
Однако, по словам Яна, еще есть узкие места, которые нужно преодолеть. Электролит имеет относительно высокую стоимость по сравнению с обычными, а батарея неэффективно работает при температуре ниже -50°С. Поэтому команда теперь планирует «дальнейшую оптимизацию концентрации литиевой соли и типа растворителя, стремясь снизить стоимость электролита», а также улучшить характеристики при более низких температурах.