Разработаны миниатюрные суперъёмкие аккумуляторы

IKEA и тут опережает всех, Panasonic Eneloop оказываются совсем не такими дорогими, если их покупать через интернет, а Fujitsu, производящиеся на том же заводе по той же технологии, ещё дешевле.

Для большинства аккумуляторов производители указывают 1000 циклов заряд-разряд, некоторые производители вообще не указывают число циклов (Camelion, Turnigy, GP, Varta). Некоторые аккумуляторы имеют только 500 гарантированных циклов (IKEA LADDA 2000 LSD, Energizer PreCharged 2400, Panasonic Eneloop Pro 2450 LSD, Fujitsu 2550 LSD, IKEA LADDA 750 LSD, Energizer PreCharged 800, Panasonic 750 LSD, Fujitsu 900 LSD, Panasonic Eneloop Pro 900 LSD).
Для AA Panasonic Eneloop 1900 LSD, AAA Panasonic Eneloop 750 LSD, AA Fujitsu 1900 LSD, AAA Fujitsu 800 LSD производители гарантирует 2100 циклов.
Максимальное количество циклов - 3000 гарантируется для аккумуляторов низкой ёмкости AA Panasonic Eneloop Lite 950 LSD и AAA Panasonic Eneloop Lite 550 LSD.

Выводы:

1. Максимальная достижимая ёмкость для NiMh аккумуляторов AA - 2550 mAh, для AAA - 1060 mAh. Все аккумуляторы, на которых написано 2600, 2700, 2800 mAh и более в реальности имеют меньшую ёмкость.
2. Все аккумуляторы AA известных производителей от 950 mAh до 2450 mAh имеют реальную ёмкость не менее 97% от указанной, все аккумуляторы AAА известных производителей от 550 mAh до 1100 mAh имеют реальную ёмкость не менее 94% от указанной.
3. NiMh аккумуляторы в отличие от батареек почти не снижают количество отдаваемой энергии при больших токах разряда.
4. LSD аккумуляторы почти не отличаются от обычных. И те и другие теряют за месяц 4-20% заряда.
5. Новые LSD аккумуляторы обычно оказываются заряжены на 70%.

Всю информацию о протестированных аккумуляторах можно посмотреть в файле excel: http://nadezhin.ru/lj/ljfiles/accu_ammo1.xls. Там есть данные по тестированию всех экземпляров аккумуляторов, ёмкость в ватт-часах, вес и начальное напряжение, штрихкоды, оптовые и розничные цены в рублях, цены в долларах и евро, страны происхождения, результаты всех тестирований, включая ёмкость после недели и месяца хранения.

Фотографии упаковок всех аккумуляторов можно скачать одним архивом: http://nadezhin.ru/lj/ljfiles/accu.rar

Аккумуляторы для тестирования предоставлены производителями и магазинами:

Ansmann, Duracell, Energizer, Varta, Robiton, GP, Panasonic - оптовой компанией Источник Бэттэрис http://www.istochnik.ru
Camelion, Duracell, Energizer - оптовой компанией Энергосистемы и Технологии http://e-s-t.ru
Ikea - компанией Ikea http://www.ikea.ru
Navigator, Panasonic, Varta - компанией Battery Team http://batteryteam.ru
Космос - группой компаний «Космоc» http://kosmos.ru
Fujitsu - российским представительством компании Fujitsu http://fujitsu-battery.ru
Maha Powerex, IMEDION, Fujitsu, Panasonic Eneloop - интернет-магазином http://ru.nkon.nl
Turnigy - интернет-магазином HobbyKing http://www.hobbyking.com

Я потратил четыре месяца на тестирование и три дня на написание этой статьи. Надеюсь, вам это пригодится.

© 2015, Алексей Надёжин

В своём блоге я пишу о технике каждый день. Я провожу тестирования, делаю обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё делаю репортажи из интересных мест, публикую заметки о музыке, кино и интересных событиях. Запомните короткие адреса моего блога: Блог1.рф и Blog1rf.ru.

А ещё я занимаюсь тестированием светодиодных ламп, все результаты моих тестов смотрите на LampTest.ru

Хотели бы вы иметь смартфон с аккумулятором, от которого можно «прикурить» автомобиль? И при этом, чтобы он заряжался на считанные секунды? Фантастика - скажете вы. Тем не менее, учёные из Университета Иллинойса опубликовали свою работу, которая дарит нам надежду увидеть такие супербатареи в будущем.

Это переворачивает представление о батареях. Она может выдать гораздо больше мощности, чем кто-либо может представить. В последние десятилетия электроника стала компактнее. «Думающие» части компьютеров так же стали меньше. А батареи - значительно отстают. Наша микротехнология может всё это изменить. Теперь источник питания такой же высокопроизводительный, как и всё остальное.

С современными источниками питания пользователю приходится выбирать между мощностью и ёмкостью. Для некоторых применений нужно большое количество энергии(например, при передаче радиосигнала на большие расстояния). Конденсаторы способны быстро её высвобождать, но при этом запасая её лишь в небольших количествах. Для других задач, вроде длительного прослушивания радио, нужна большая ёмкость источника, которую имеют, например, топливные элементы и батареи. Но они отдают электроэнергию довольно медленно.

Батареи, созданные командой под руководством Уильяма Кинга(William P. King), позволяют создавать бескомпромиссные аккумуляторы, выдающие высокую мощность и при этом обладающие высокой ёмкостью. Причем, с помощью несложной подстройки производственного процесса, возможно варьировать соотношение этих параметров.

Как известно, эффективность батареи напрямую зависит от площади поверхности её электродов. Команде удалось значительно её увеличить с помощью следующего технологического процесса. Сначала на стеклянную подложку наносится слой полистирола. Затем в эту структуру «вводится» электролитический никель, служащий основой будущих катодов, а шарики полистирола вытравливаются. На получившуюся губчатую поверхность гальваническим способом наносятся никель-олово - на анод и диоксид марганца - на катод. Вся суть процесса наглядно представлена на следующей иллюстрации:

В конечном итоге получается структура с огромной площадью поверхности, освобождая больше свободного пространства для протекания химических реакций.

Учёным удалось создать батарейку формата «microbattery». На графике ниже представлено её сравнение с обычной батарейкой Sony CR1620:

С такими батареями возможна, например, передача радиосигнала на расстояние в 30 раз большее, чем с обычными источниками питания или сокращение размера аккумулятора в 30 раз. Кроме того, батареи способны заряжаться в 1000 раз быстрее современных. Впечатляет, не правда ли?

В настоящий момент учёные работают над интеграцией своих батарей с другими электронными компонентами, а так же разрабатывают процесс производства, который позволит запустить их в серию по приемлемой цене.

В отношении аккумуляторов действует правило «все или ничего». Без энергетических накопителей нового поколения не будет ни перелома в энергетической политике, ни на рынке электромобилей.

Закон Мура, постулируемый в IT-индустрии, обещает увеличение производительности процессоров каждые два года. Развитие аккумуляторов отстает: их эффективность увеличивается в среднем на 7% в год. И хотя литий-ионные батареи в современных смартфонах работают все дольше и дольше, это во многом связано с оптимизированной производительностью чипов.

Литий-ионные батареи доминируют на рынке из-за их малого веса и высокой плотности накапливаемой энергии.

Ежегодно миллиарды аккумуляторов устанавливаются в мобильные устройства, электромобили и системы для хранения электричества от возобновляемых источников энергии. Однако современная техника достигла своего предела.

Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.

Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.

Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов . Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.

Мобильные источники питания

По данным компании Gartner, в этом году будет продано более 2 млрд. мобильных устройств, в каждом из которых установлен литий-ионный аккумулятор. Эти аккумуляторы сегодня считаются стандартом, отчасти потому, что они весьма легкие. Тем не менее они обладают максимальной плотностью энергии только 150-200 Вт·ч/кг.

Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки.

При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев - кобальтом) и кислородом.

Емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от того, какое количество ионов лития может располагаться между слоями графита. Однако благодаря кремнию сегодня можно добиться более эффективной работы аккумуляторов.

Для сравнения: для связывания одного иона лития требуется шесть атомов углерода. Один атом кремния, напротив, может удерживать четыре иона лития.

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).

Кремний повышает емкость

Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.

Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius , созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких лю­дей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года – министр энергетики США).

Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.

В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них - применение пористого кремния , который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.

Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок . В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).

«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.

Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния , которые непосредст­венно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.

Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.