Почему в батареях булькает вода: как быстро избавиться от шума в радиаторе отопления

Советы оперативной группы — Состояние пожаротушения электромобилей: 2023

Пожары электромобилей (EV) стали широко освещаться в новостях в последние годы. Данные о вероятности возгорания электромобилей по-прежнему скудны, что затрудняет понимание того, насколько вероятно, что электромобиль загорится в результате аварии или во время зарядки. Дебаты продолжаются, поскольку разные группы изучают риск возгорания с помощью электромобиля, чтобы установить передовой опыт и определить риски для таких пожарных, как вы.

Что мы знаем, так это то, что когда электромобили загораются, они горят сильнее и быстрее, чем стандартные двигатели внутреннего сгорания. Это мешает вашей команде эффективно сражаться, особенно с ограниченными данными. Тем не менее, электромобиль никуда не денется.

В оставшейся части этой статьи мы собираемся изучить популярность электромобилей, вероятность их возгорания, проблемы тушения возгорания электромобиля и современные передовые методы.

Насколько распространены электромобили?

Согласно отчету МЭА, в 2021 году в мире насчитывалось 16,5 млн электромобилей. Точно так же EEI прогнозирует, что к 2030 году только в Соединенных Штатах будет 26,4 миллиона электромобилей на дорогах. Сценарий One Net Zero Emissions to 2050 предсказывает, что в 2030 году может быть более 300 миллионов электромобилей!

Как часто загораются электромобили?

В исследовании, проведенном AutoinsuranceEZ, были изучены данные Национального совета по безопасности на транспорте, Бюро транспортной статистики, а также правительственные данные об отзывах с сайта отзывов.gov о возгораниях электромобилей и транспортных средств, работающих на газе. Их исследование показало, что на каждые 100 000 продаж приходится 25,1 пожара электромобиля. Для сравнения, автомобили, работающие на газу, испытывают 1529,9 возгораний на 100 000 продаж. На первый взгляд кажется, что у электромобилей меньше шансов загореться, чем у их собратьев с двигателями внутреннего сгорания.

Важно помнить, что эти данные получены из одного сравнения и ограничены из-за того, что на дорогах преобладают автомобили, работающие на газу, по сравнению с электромобилями. В этой статье Forbes отмечается, что набор данных не дает справедливой оценки.

Независимо от того, что говорят данные, электромобили никуда не денутся. Итак, давайте рассмотрим некоторые проблемы и лучшие практики, связанные с тушением этих типов пожаров.

Противопожарные проблемы электромобилей

Пожар в электромобиле создает множество проблем, начиная от самого пожара и заканчивая пониманием риска, связанного с источником питания высокого напряжения. Давайте рассмотрим некоторые из этих рисков: 

Возгорание литий-ионной батареи 

Электромобили имеют большую аккумуляторную батарею, состоящую из тысяч отдельных аккумуляторных элементов, чаще всего это батарея размера 18650. Эти ячейки расположены близко друг к другу и хранят энергию, необходимую для запуска автомобиля.

Аккумуляторы большинства электромобилей находятся на днище автомобиля. Такое размещение помогает равномерно распределить вес, хотя в некоторых автомобилях батареи могут располагаться в разных местах. NFPA (Национальная ассоциация противопожарной защиты) предлагает загружаемые руководства по реагированию на чрезвычайные ситуации для транспортных средств, работающих на альтернативном топливе, которые могут помочь вам и вашей команде найти местонахождение аккумуляторов и другие передовые методы для различных транспортных средств.

Высоковольтная проводка 

Для обеспечения надлежащей подачи электроэнергии по всему автомобилю электромобили имеют высоковольтную проводку. Напряжение, присутствующее в электромобиле, подвергает вас и вашу команду более высокому риску, поскольку напряжение выше, чем у других транспортных средств. Электромобили в настоящее время используют до 650 вольт постоянного тока, в то время как другие автомобили работают от 12/24 вольт постоянного тока. Случайный контакт с напряжением выше 110 вольт постоянного тока может привести к летальному исходу.

Эта проводка теперь имеет оранжевый цвет, что означает, что она находится под напряжением и находится под высоким напряжением. Некоторые производители также устанавливают предохранительные выключатели, которые легко отсоединяют аккумулятор от проводки, чтобы помочь сотрудникам аварийно-спасательных служб на месте происшествия.

Охлаждение аккумулятора   

Охлаждение отсека для хранения аккумулятора водой является первоочередной задачей во время пожара электромобиля. К сожалению, это может быть сложно. Если у вас есть проблемы с доступом к воде, это может быть сложнее, поскольку современные передовые методы призывают вас использовать большое количество воды.

Для охлаждения необходимы большие объемы воды из-за риска теплового разгона литий-ионных аккумуляторов. Это явление опасно и часто непредсказуемо. По данным Исследовательского института UL, тепловой разгон — это когда «литий-ионный элемент переходит в неконтролируемое состояние самонагрева». Этот тепловой выход из строя может привести к задымлению, огню, чрезвычайно высоким температурам и выбросу газа, твердых частиц или даже осколков.

Когда вы боретесь с небольшим возгоранием батареи, например, на электровелосипеде или электросамокате, вы можете полностью погрузить его в воду. Это эффективно охлаждает всю батарею. Это не рекомендуется для электромобилей и по понятным причинам не очень практично. Итак, какие еще варианты у вас есть?

Прокалывание батарейного отсека для прямого попадания воды может показаться уместным, но не рекомендуется. Пробивание отсека приведет к дальнейшему повреждению и может способствовать или способствовать тепловому разгону.

Другой вариант — налить воду на днище автомобиля. Если автомобиль все еще стоит на всех четырех колесах, это может быть затруднено из-за низкого дорожного просвета автомобиля. Вашей бригаде может потребоваться использовать трос или специальный инструмент для доступа под транспортное средство на расстоянии. Если автомобиль опрокинулся на бок или на крышу, у вас должен быть более легкий доступ к отсеку для хранения аккумуляторов, а для подачи воды можно использовать переносной монитор или ручную веревку.

Передовые методы пожаротушения электромобилей  

Тушение пожаров электромобилей — это молодая область исследований, в которой в ближайшие годы, вероятно, произойдут изменения в передовых методах. Это лучшие современные методы пожаротушения электромобилей, основанные на информации, найденной на FireRescue1 и в кратком руководстве NFPA. Они предназначены для использования в качестве рекомендаций и не должны заменять обучение или постоянное обучение.

• Наденьте все средства индивидуальной защиты, включая дыхательный аппарат. Дым и испарения от автомобиля ядовиты и могут быть опасны для вашего здоровья. Пожары литий-ионных аккумуляторов, как правило, возникают быстро и горят очень сильно, что делает их опасными для тех, кто не экипирован должным образом средствами индивидуальной защиты.

• Определите тип задействованного транспортного средства. Определите, является ли это стандартным транспортным средством, электромобилем, гибридным электромобилем или другим транспортным средством, работающим на альтернативном топливе.

• По возможности обездвижить автомобиль. Гибриды и электромобили могут не иметь шума двигателя. Возможно бесшумное движение или мгновенный перезапуск.

• Отключить транспортное средство, если это возможно.

  • Убедитесь, что зажигание выключено, и отодвиньте все бесконтактные ключи не менее чем на 16 футов.

  • Отсоедините 12-вольтовую аккумуляторную батарею 

  • Не обрезайте оранжевые кабели высокого напряжения, желтые кабели среднего напряжения или синие кабели среднего напряжения. Не прикасайтесь к поврежденным или погруженным в воду кабелям или компонентам высокого или среднего напряжения.

• Использовать большой объем воды для тушения и охлаждения зоны возгорания и аккумуляторной батареи автомобиля. В большинстве электромобилей аккумулятор хранится под автомобилем. Это может затруднить доступ для подавления.

• Следите за батареей с помощью тепловизионной камеры и помните о риске повторного возгорания.

  • ​Монитор пятен повышения температуры

  • Следите за дымом, искрами или выпирающими компонентами 

  • Прислушайтесь к хлопкам, шипению или бульканью 

• Если автомобиль буксируют, сообщите водителю-эвакуатору о риске повторного возгорания. Если возможно, следуйте за эвакуатором к месту хранения и храните автомобиль отдельно от других транспортных средств, зданий и горючих материалов.

Осложнения при возгорании электромобиля 

Как и при любом пожаре, при тушении возгорания электромобиля может возникнуть множество осложнений.

Жертвы и захват

Ваш размер места происшествия должен определить любые вовлеченные захваты или жертвы и установить приоритеты для подавления и спасения.

Неопределенность повреждения батареи

В случае аварии возгорание батареи может не быть очевидной проблемой. В лучшем случае батарея не будет повреждена, и ваша команда сможет сосредоточиться на любых необходимых операциях по спасению и очистке. Тем не менее, ваша команда должна знать о батарее и предупреждающих признаках повреждения или надвигающегося теплового разгона. К ним относятся дым, искры, бульканье или шипение аккумуляторной батареи.

EV все еще подключен к зарядному устройству

Если вы столкнулись с возгоранием электромобиля, подключенного к зарядному устройству, вы должны принять это во внимание при оценке места происшествия. В соответствии с передовой практикой рекомендуется сначала отключить питание в зарядном шкафу, а затем, если возможно, продолжить обездвиживание и отключение автомобиля.

Гаражи и складские помещения

 

Транспортные средства внутри гаражей и складских помещений представляют большую опасность из-за близости других транспортных средств и температуры, при которой могут сгореть литий-ионные батареи. Защита других транспортных средств и имущества, доступ или структурная целостность могут стать проблемой.

Складские помещения с несколькими батареями в одном месте подвержены риску катастрофического пожара. Термическое повреждение от возгорания одного транспортного средства может быстро привести к тепловому разгону соседних транспортных средств, что приведет к обострению ситуации.

Уникальные ситуации с электромобилями 

Электромобили имеют некоторые особенности, о которых вам следует знать.

Затопление соленой водой 

Электромобили, затопленные соленой водой после стихийного бедствия или другого наводнения, подвергаются повышенному риску возгорания батарей. По данным Управления пожарной охраны США, остаточная соль в батарее или компонентах батареи может образовывать проводящие пути, которые могут вызвать короткое замыкание, которое самонагревает батарею. Это может привести к пожару.

После урагана Ян во Флориде в сентябре 2022 года произошли пожары аккумуляторов из-за наводнений с морской водой. В последующие недели было зарегистрировано не менее 12 возгораний электромобилей. Текущее руководство Национальной администрации безопасности дорожного движения рекомендует выявлять затопленные электромобили и перемещать их на расстояние не менее 50 футов от любых конструкций, транспортных средств или горючих материалов.

Транспортные средства для перевозки аккумуляторов 

С ростом популярности электровелосипедов и электросамокатов в городах появились транспортные средства, которые перевозят сменные аккумуляторы. Эти транспортные средства (часто фургоны) сами по себе могут не быть электромобилями, но перевозить большое количество литий-ионных аккумуляторов, которые представляют такой же риск для вашей команды.

Идентификация этих транспортных средств жизненно важна, если они попали в аварию, поскольку любая поврежденная аккумуляторная батарея может вызвать цепную реакцию теплового разгона.

Заключение

Электромобили представляют собой уникальный набор проблем для вашей команды, поскольку вы боретесь с тепловым разгоном и другими соображениями возгорания электромобиля. Токсичные пары, доступ к аккумуляторному отсеку, высоковольтная проводка, а также распределение и объем воды часто могут усложнить ситуацию. Сцены несчастных случаев с жертвами или попаданием в ловушку могут создать дополнительные трудности и замешательство для вашей команды.

Из-за этих проблем важно быть в курсе и следовать рекомендациям производителя для аварийно-спасательного персонала. Передовые методы борьбы с пожарами в электромобилях, вероятно, изменятся в ближайшие годы, поскольку на рынке будут проводиться дополнительные исследования и появятся усовершенствованные системы пожаротушения.

Проблема создания более совершенных аккумуляторов

Статья

Аккумуляторы — одна из технологий, которой чаще всего пренебрегают. Сегодня они скрыты за экранами или пользовательскими интерфейсами машин, которыми они управляют, что затемняет важную роль, которую они сыграли в электрификации человеческой цивилизации.

Многие забывают, что батареи были нашим первым источником электроэнергии, еще до того, как у нас появился доступ или планы по созданию массивной электрической инфраструктуры. На самом деле, у нас появились батареи еще до того, как мы узнали, что такое электричество и . С начала 1800-х годов, когда была изобретена первая батарея, способность хранить больше энергии в течение более длительного времени изменила наш мир. Лучшие аккумуляторы сделали возможными такие вещи, как смартфоны и ноутбуки , , не говоря уже о других достижениях, таких как сверхбыстрые электромобили дальнего действия.

Полная электрификация нашей инфраструктуры за счет возобновляемых источников энергии является одним из предлагаемых решений по снижению нашей зависимости от ископаемого топлива. К сожалению, в этих дебатах роль батарей часто полностью замалчивается. Батареи представляют собой неудобную головоломку, поскольку они тоже сделаны из ограниченных материалов и не поддаются легкой переработке. Реальность такова, что улучшенная аккумуляторная технология может в конечном итоге стать основным узким местом в достижении устойчивой и изобильной энергии, поэтому усилия по их изучению и устранению существующих ограничений так важны.

Новейшие технологии аккумуляторов

Лучшим аккумулятором на рынке сегодня является литий-ионный аккумулятор. Литий-ионные батареи, разработанные в конце 1990-х годов Sony и Asahi Chemical Company, стали повсеместным фактическим источником питания электрических устройств. В большей степени, чем любые другие батареи, изобретенные до них, они обладают невероятной плотностью энергии, перезаряжаемыми и длительными жизненными циклами, а с момента их изобретения цена на них резко упала. Этот набор характеристик удобства равен 9.0211 почти в одиночку что позволило нашему поколению иметь доступ к портативным и мощным электронным устройствам.

Источник: Energy & Environmental Science

Ничто так не демонстрирует все возможности литий-ионных аккумуляторов, как современные электромобили. Когда в 2006 году Мартин Эберхард представил Tesla Roadster, это был первый электромобиль на рынке, в котором использовались литий-ионные батареи. В то время другие электрические или гибридные бренды, такие как Prius, использовали никель-металлгидридную химию, которая имела более короткий жизненный цикл и больше весила. Первоначальный проект Теслы включал 6831 отдельный литий-ионный аккумулятор, которые снаружи выглядят как обычные Duracell, вместе, чтобы произвести 9 аккумуляторов.00-фунтовая система, которая могла разогнать автомобиль до 0–60 миль в час всего за четыре секунды. Сегодня, используя аналогичную литий-ионную технологию, Tesla может разгоняться от 0 до 60 всего за 2,3 секунды, что делает их самыми быстрыми автомобилями в мире.

И еще много чего можно выжать из литий-ионной технологии. Panasonic является одним из самых передовых производителей аккумуляторов в мире и сотрудничает с Tesla в разработке аккумуляторов практически с момента основания Tesla. Сейчас они в нескольких дюймах от того, чтобы выпустить еще более энергоемкий литий-ионный элемент, который сможет хранить 900 ватт-часов на литр по сравнению с текущей первоклассной батареей, которая имеет максимальную плотность энергии 750 ватт-часов на литр.

Хотя это было бы впечатляющим улучшением, есть ощущение, что литий-ионные батареи в их нынешней конструкции вступают в мир постепенных улучшений.

В конечном счете, батареи оцениваются по пяти характеристикам:

1. Плотность энергии — мера того, сколько общего заряда батарея может хранить
2. Плотность мощности — мера максимальной мощности, которую батарея может выдавать в любой момент времени
3. Безопасность — насколько легко аккумуляторы могут закоротиться или насколько токсичными могут быть их внутренние химические вещества
4. Срок службы — сколько раз вы можете заряжать аккумулятор, прежде чем он станет непригодным для использования, и
5. Стоимость

Химический состав каждого аккумулятора имеет свои особенности сочетание сильных сторон в этой матрице. Идеальная батарея, конечно же, будет иметь высокий рейтинг среди всех — и в этом отношении литий-ионная очень близка. Он невероятно энергоемок, относительно безопасен, имеет длительный срок службы и относительно дешев в производстве.

Однако по мере того, как мы предъявляем все больше требований к нашим батареям, даже литий-ионные батареи не справляются с ними. Как писал Мартин Эберхард: «Одной из самых сложных задач при проектировании аккумуляторов является увеличение плотности энергии при максимальном сроке службы аккумуляторов. Литий-ионная химия достигла лучших сочетаний этих параметров, чем что-либо, что было раньше. Тем не менее, даже в семействе литий-ионных аккумуляторов по-прежнему существует компромисс между энергией и жизнью».

Нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы разработать батареи, которые могут экономично хранить необходимое количество энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии, необходимой для полной электрификации нашей инфраструктуры. Во-первых, многие возобновляемые источники энергии, такие как солнечные панели и ветряные турбины, генерируют энергию время от времени в соответствии с погодой. Без аккумуляторов, которые могут хранить эту сгенерированную энергию для использования в критические моменты, сгенерированная энергия просто тратится впустую. По словам Ширли Менг, материаловеда из Чикагского университета, изучающей батареи, «в прошлом веке около 60% производимой нами энергии тратилось впустую».

Еще одна нерешенная проблема заключается в том, что даже первоклассные литиевые батареи по-прежнему не могут конкурировать по цене с автомобилями, работающими на газе, кроме того, полагаться только на один химический состав батареи, который зависит от истощающихся запасов кобальта и лития, нецелесообразно. начало повышать цены на батареи, что привело к обращению вспять впечатляющего снижения цен, которое мы наблюдали за последние несколько десятилетий.

Решение этих проблем стало главным приоритетом для предпринимателей, ученых и правительств во всем мире, которые, наконец, пытаются привести аккумуляторные технологии в соответствие с реалиями 21-го века. Чтобы лучше понять ограничения и будущие возможности аккумуляторов, давайте сначала рассмотрим истоки этой важной технологии.

История батареи

В 1786 году итальянский врач и биолог Луиджи Гальвани препарировал лягушку. Когда он приложил свой скальпель к лапке лягушки, он с удивлением обнаружил, что мышцы ожили, и вся конечность начала подергиваться. Ранее в своей карьере Гальвани обнаружил, что нервные импульсы имеют электрохимическую природу. В то время научное сообщество только начинало открывать истинную природу электричества. Одной из важных вех стало осознание Бенджамином Франклином того, что молния и статическое электричество принадлежат одной и той же среде. Это открытие сделало Франклина знаменитостью в европейских научных кругах, даже несмотря на то, что его опасные эксперименты с электричеством сделали его довольно подозрительным персонажем дома, в Америке. Однако, докопавшись до сути, что такое электричество было , и как его можно было получить, оставалось загадкой, которую еще предстояло разгадать. Выяснение того, как поймать молнию в бутылке, было одним из самых больших научных вопросов той эпохи. Таким образом, когда скальпель Гальвани вызвал то, что он знал как электрохимический импульс в лягушачьей лапке, вспыхнула лампочка.

Гальвани пришел к выводу, что электричество должно быть веществом внутри лягушки, которое было активировано металлическим скальпелем. Он опубликовал эти выводы в статье 1791 года под названием «Комментарий о влиянии электричества на мышечное движение», которая была распространена среди ученых того времени и в конечном итоге оказалась в руках профессора физики по имени Алессандро Вольта.

Вольта не убедил объяснение Гальвани, так как он считал маловероятным, что источником электричества была скрытая жидкость, заключенная внутри биологической ткани. Воссоздав эксперимент Гальвани с тройником, Вольта пришел к выводу, что лягушачья лапка не является истинным источником электричества, а скорее всего лишь проводником для него. Настоящий источник электричества возник в результате взаимодействия двух разрозненных металлов, скальпеля и металлической пластины, помещенных в непосредственной близости: металлическая пластина, удерживающая лягушку, передавала свои электроны через лягушачью лапку металлу в скальпеле. Этот обмен электронами создал ток, который взаимодействовал с нервами лягушки, заставляя ноги дергаться.

Вольта хотел проверить эту гипотезу, но на этот раз без использования лягушки в качестве проводника. Он взял две монеты из разных металлов и положил их по обе стороны от языка. Мгновенно он почувствовал, как между ними прошел электрический ток. Затем он взял пластины из серебра и цинка, разделенные картоном, смоченным в соленой воде, и поставил их одну на другую. Коснувшись одним пальцем цинковой пластины на дне кучи, а другим пальцем коснувшись серебряной пластины наверху кучи, Вольта почувствовал крошечный удар током. Возведенный им «вольтов столб» производил электрический ток. Это была первая батарея, когда-либо сделанная.

Изобретение Вольта предшествовало изучению строения атома, поэтому он просто приписал производство электричества какой-то химической реакции, возникающей при взаимодействии различных металлов. Это было недалеко от истины.

Все атомы изначально наделены электрической энергией, поскольку все атомы состоят из заряженных частиц, включая протоны и электроны. Сегодня мы знаем, что структура атома определяет его электрохимический потенциал. Атомы, которые имеют полную внешнюю оболочку из электронов, такие как инертные газы, обычно очень стабильны и нереакционноспособны. Эти элементы имеют низкий электрохимический потенциал. Атомы с неполными электронными оболочками, с другой стороны, хотят реагировать с окружающими атомами, чтобы достичь более стабильной структуры и иметь больший электрохимический потенциал. В аккумуляторной батарее Вольта атомы цинка были более реактивными и охотно отдавали электроны, тогда как атомы серебра были менее реактивными и охотно принимали электроны. Помещение раствора, который мог перемещать эти электроны между двумя металлами, как это сделал Вольта, поместив пропитанный соленой водой картон, было ключом к созданию электрического тока внутри вольтова столба. Поэкспериментировав, Вольта также заметил, что, укладывая большую стопку цинковых и серебряных пластин, можно увеличить силу тока.

Эта структура является основой всех батарей; реактивный материал, называемый анодом , готовый отдать электроны на одном конце, материал, готовый принять электроны, называемый катодом , на другом конце. Хитрость заключается в том, чтобы заставить электроны течь от анода к катоду, тем самым создавая ток.

Проблема в том, что атомы в аноде и катоде заперты в твердые структуры, что означает, что они не могут свободно двигаться. Чтобы решить эту проблему, решение под названием 9Электролит 0211, со свободно плавающими ионами помещен как промежуточный между ними. Свободно плавающие ионы в электролите действуют как челноки для электронов, подхватывая их на конце анода и доставляя к концу катода.

Батарея Вольта была первым способом, которым мы научились преобразовывать химическую энергию непосредственно в электрическую. Еще до того, как мы узнали, что такое электричество и , батарея была известна как надежный источник электричества. До появления энергосистемы или электростанций батареи приводили в действие все виды первых электрических устройств, от первых электродвигателей до телеграфа.

Единственная проблема заключалась в том, что ранние батареи были довольно неудобны. Они выглядели как банки с двумя воткнутыми внутрь металлическими стержнями, анодом и катодом, и были заполнены жидким кислым электролитом. Подсоединив провод к катоду, можно было запитать что угодно, от дверного звонка до лампочки, но когда все электролиты в растворе израсходуются, батарея перестанет производить ток. Затем вам придется обслуживать аккумулятор, сливая кислоту и наполняя банку дополнительным раствором электролита.

Быть аккумуляторщиком в то время было настоящей профессией. У каждой крупной телеграфной компании, такой как Western Union, была компания, единственной задачей которой было обслуживание и обслуживание массивных булькающих кислотных батарей компании, питающих телеграфную сеть.

В своей книге «Батарея» Генри Шлезингер пишет о дебатах первых инженеров относительно того, какая инфраструктура может потребоваться для электрификации домов. В то время не было совершенно очевидно, что каждая страна построит огромную электрическую сеть, соединяющую каждый дом с гигантскими электростанциями. Многие предполагали, что в каждый дом потребуется собственный запас аккумуляторов, доставляемый на регулярной основе. Точно так же, как молочник доставлял молоко в бутылках в каждый дом по постоянному графику, можно было предположить, что домохозяйства будут выкладывать свои пустые банки из-под батарей каждые пару дней и получать новый запас. Еще одна странная, хотя и творческая идея, обсуждаемая в книге, заключалась в установке под домом гигантской подземной батареи, электролит которой можно было бы распределять и пополнять так же, как в сельских домах сливают содержимое септиков.

Очевидно, что процесс слива и повторного наполнения этих батарей коррозионными жидкими веществами был несвоевременным. Другая проблема с ранними конструкциями аккумуляторов заключалась в том, что их нельзя было перезаряжать. Электролит вызывал необратимые химические реакции с материалом анода и катода, в результате чего никакой реакции не происходило, независимо от того, сколько раз вы заливали электролит. У химиков было предчувствие, что можно создать батарею, которая создавала бы электрический ток посредством обратимой химической реакции, что теоретически означало бы, что после разрядки вы могли бы подать ток на конец катода, чтобы обратить реакцию, таким образом «подзарядив аккумулятор». » батарея. Первый такой дизайн был создан Гастоном Планте в 1859 году.. Он потратил тридцать лет на разработку перезаряжаемой батареи и, в конце концов, создал ее, используя свинцовые электроды и промежуточный кислотный электролит. Когда батарея разряжалась, добавление тока к катоду со временем заряжало ее и позволяло снова функционировать.

Новомодная электроэнергетика подстегнула потребителя с большим ажиотажем принять в свой дом всевозможные новые электрические гаджеты. Тем не менее, жидкие коррозионно-активные электролиты, питающие батареи, были громоздкими и опасными. Никто не хотел, чтобы коробка с кислотой стояла рядом с телефоном. В 1888 году была изобретена «сухая ячейка», которая заключалась в простом смешивании электролита с пастой для создания своего рода геля, который располагался между частями анода и катода. Первоначальные версии сухих элементов были неперезаряжаемыми, но они были настолько полезны, что их можно было сделать очень компактными, и через несколько десятилетий они были стандартизированы и стали обычными элементами во всех видах потребительских устройств, от зубных щеток до детских игрушек. Сегодняшние батареи Duracell по-прежнему производятся с использованием той же модели сухих элементов, что и в конце 19 века.век.

Окончательная эволюция в конструкции аккумуляторов произошла из-за стремления завершить тройной эффект перезаряжаемых, мощных и долговечных аккумуляторов. Были разработаны различные типы аккумуляторов, такие как никель-кадмиевые, которые могли обеспечить достаточное количество сока для работы мощного ноутбука, но также были токсичными и быстро выходили из строя, если вы перезаряжали их до того, как они полностью разрядились.

Решением всех этих и многих других проблем стал литий. Литий — самый маленький из существующих атомов металла. У него всего два протона, что делает его невероятно легким, и всего один электрон во внешней оболочке, что делает его невероятно реактивным. Естественная реакционная способность лития сделала его невероятным химическим кандидатом для производства аккумуляторов, но его естественная нестабильность также сделала его летучим и очень склонным к взрыву или возгоранию при контакте чистого лития с другими веществами. Хотя США были одними из первых, кто начал исследования литиевых батарей, именно ученые из Sony и Asahi Chemical Company в конце концов разработали работоспособную конструкцию примерно в 19 веке.90-е. В их модели вместо использования лития в качестве чистого анода атомы ионов лития будут играть роль электролита. Они собирали электроны с пористого, но в конечном счете стабильного конца анода и перемещались через полупроницаемую мембрану к концу катода, генерируя ток. Замечательная часть этой технологии заключалась в том, что эти реакции были обратимыми, а это означало, что эти батареи можно было полностью перезаряжать!

Литий-ионные аккумуляторы, превосходящие аккумуляторы прошлого почти во всех отношениях, одержали победу и с начала 2000-х годов занимают доминирующее положение на рынке аккумуляторов.

Впереди компромиссы

Аккумуляторы настолько интересны, что они являются одними из самых эффективных способов выработки электроэнергии. В отличие от традиционной электростанции, которая преобразует химическую энергию (зажигание горючего топлива) в тепловую энергию (кипячение воды для производства пара) в механическую энергию (вращение магнитной турбины) для получения электрической энергии, батарея преобразует химическую энергию непосредственно в электричество.

Для сравнения, угольные электростанции имеют энергоэффективность около 30%, что означает, что они преобразуют только 30% энергии, содержащейся в угле, в электричество. Остальное теряется из-за всех дополнительных энергетических переходов, необходимых по пути. Автомобиль, работающий на топливе, еще менее эффективен. Только около 12-30% энергии от топлива, которое вы в него вкладываете, используется для фактического вращения его колес. Поскольку батареи способны напрямую генерировать электричество, которое питает трансмиссию автомобиля, они намного ближе к 100% коэффициенту преобразования энергии.

Суть дела в том, что, хотя топливо обеспечивает крайне неэффективное преобразование энергии, оно обладает невероятно высокой энергоемкостью. Топлива так много, и в нем содержится так много потенциальной энергии на литр, что не имеет значения, что его эффективность составляет менее 30% (по крайней мере, на данный момент). Батареи имеют противоположный профиль; хотя они чрезвычайно эффективны при преобразовании энергии, их плотность энергии все же в 100 раз меньше, чем у бензина. Если учесть, что только 12-30% энергии бензина фактически уходит на движение вашего автомобиля, сравнение становится более близким, но батареи все еще отстают.

Плотность энергии зависит от того, сколько заряженных частиц вы можете упаковать в данный объем. Литий уже является самым маленьким атомом металла, который у нас есть, и при этом самым реакционноспособным. Таким образом, для достижения еще большей плотности энергии от ученых действительно потребуются умные решения и воображение.

Источник: Dragonfly Energy

По этой причине путь вперед может выглядеть просто как серия дополнительных достижений. Как уже указывал Мартин Эберхард, создание лучшей батареи всегда было вопросом выбора между различными компромиссами. Вы цените более высокую плотность энергии или более высокую безопасность? Больше выходной мощности или более длительный срок службы? Для отличного сравнения всех преимуществ и недостатков существующих химических элементов аккумуляторов взгляните на матрицу, составленную Сарой Константин.

Несмотря на эти проблемы, десятки компаний и исследователей все еще работают над расширением возможностей аккумуляторов. Один из рассматриваемых вариантов — производство батареи с литий-металлическим анодом. В основном это будет включать в себя упаковку еще большего количества заряженных частиц лития в батарею, чтобы придать ей более высокую плотность энергии. Хотя эта идея витала в воздухе уже несколько десятилетий, создание такой плотной сетки из высокореакционноспособного лития всегда считалось опасным. В результате ранние версии этих батарей вышли из строя и получили короткое замыкание, но такие компании, как QuantumScape, теперь уверены, что находятся на пороге новых достижений в этой технологии.

Другие впечатляющие команды, такие как Natron Energy или Enerpoly, которые в первую очередь сосредоточены на создании альтернатив аккумуляторов для мира, где мы можем столкнуться с ограниченным предложением или ценой из-за использования литий-ионных технологий, разрабатывают батареи, в которых используются ионы натрия. — второй по легкости атомарный металл после литиевых — или аккумуляторных цинк-ионных аккумуляторов соответственно. Эти ресурсы, необходимые для создания этих батарей, более равномерно распределены по всему миру.

Наряду с масштабными исследованиями, начатыми сегодня, такие исследователи, как Ширли Менг из Чикагского университета, по-прежнему убеждены, что вместо того, чтобы ждать создания идеальной универсальной клетки, нам нужно начать действовать в мире, где определенные химические составы батарей, наряду с их компромиссами, будут лучше всего подходить для одних вариантов использования по сравнению с другими.

Мир движется вперед в поисках все более эффективных и возобновляемых источников энергии для своей деятельности. Батареи по-прежнему будут не только важной загадкой, которую нужно решить в будущем, но и той, чьи прорывы приведут к появлению множества новых и интересных технологических приложений, точно так же, как литий-ион уже сделал для нас в наши дни.

Ниже приведены некоторые известные компании, разрабатывающие новые решения в области аккумуляторов:

1. Компания QuantumScape работает над тем, чтобы сделать твердотельные батареи с литий-металлическими анодами реальностью.
2. Sila совершенствует новый тип литий-ионного элемента, в аноде которого используется кремний, а не графит. Есть надежда, что кремниевый анод сделает батарею более энергоемкой и упростит получение материалов для производства.
3. Компания Natron Energy создает натрий-ионные батареи следующего поколения, которые могут похвастаться длительным сроком службы и изготавливаются из легкодоступных товарных материалов.
4. Enerpoly производит экономичные перезаряжаемые цинк-ионные батареи.
5. Наша компания Next Energy разрабатывает мощные литий-железо-фосфатные элементы для питания электромобилей. В настоящее время они работают над строительством гигафабрики, чтобы запустить производство.
6. Form Energy работает над новым классом железо-воздушных батарей, которые, как они надеются, могут сыграть важную роль в хранении энергии для подачи в сеть.
7. Redwood Materials занимается созданием надежной замкнутой цепочки поставок аккумуляторов. Они собирают аккумуляторный лом, перерабатывают его и продают обратно производителям аккумуляторов.