Узкое звено в развитии альтернативной энергетики
Для создания комфортных условия жизни в загородном доме, расположенном вдали от линий электропередач и магистрального газопровода, нужна электрическая энергия. Ее основное преимущество состоит в способности преобразования в любой другой вид энергии, необходимой современному человеку, с высоким КПД.
Чтобы отапливать дом, снабжать его водой, освещать территорию, иметь возможность использовать различные инструменты и приспособления, достаточно одной электрической энергии.
К тому же электрическая энергия может быть передана практически без потерь, как на большие, так и на малые расстояния.
Одним из самых распространенных способов получения электрической энергии является сжигание углеродсодержащего топлива. Этот процесс наносит настоящий сокрушающий удар по состоянию экологии, а также приводит к стремительному сокращению запасов, не возобновляемых источников энергии.
Поэтому развитие альтернативной энергетики рассматривается как один из самых перспективных способов получения электричества, кстати, доступный практически повсеместно и не требующий особых капитальных затрат.
Сегодня не нужно быть «Кулибиным», чтобы в загородном доме установить солнечные батареи и, по сути, получить настоящую электростанцию, способную полностью удовлетворить потребности одной отдельно взятой семьи в электрической энергии.
Но одно дело получить электричество (сегодня можно найти немало описаний забавных способов получения электричества с помощью совершенно необычных источников, вплоть до разрезанной картофелины или лимона), а другое, использовать его не в момент получения, а тогда, когда в этом есть необходимость. Электричество нужно сохранить, предварительно сделав его запас.
Казалось бы, этот вопрос решен: давно изобретены химические аккумуляторы. Действительно, современные автономные электрические сети работают с использованием химических аккумуляторов, в ходе эксплуатации которых постоянно возникает одна проблема: недостаточная их емкость.
К тому же аккумуляторы имеют серьезные ограничения в эксплуатации, приходится опасаться как перезаряда аккумуляторов, так и их слишком сильного разряда. Да и громоздкость этих устройств трудно отнести к их достоинствам.
Если учесть, что все большее количество людей проявляют интерес к альтернативной энергетике, и особенно к использованию солнечных батарей, то можно отметить, что актуальность вопроса разработки емкого, компактного и легкого химического аккумулятора возрастает с каждым днем.
Литий ионные аккумуляторы
На сегодняшний день литий ионные аккумуляторы считаются наиболее перспективными. Их возможности пока до конца не изучены и многие современные ученые считают, что именно этот вид химических аккумуляторов позволит делать необходимые для автономной электрической сети запасы электрической энергии.
Именно по этой причине, проекты, связанные с разработкой и внедрением литий ионных аккумуляторов, хорошо финансируются и имеют поддержку на государственном уровне.
На сегодняшний день аккумуляторы этого типа нашли применение в сотовых телефонах и ноутбуках. По этой причине нет смысла говорить о форме аккумулятора, можно только сказать об их общем устройстве, основной задачей которого является более плотная компоновка электродов. Для этого электроды стараются скрутить в рулон.
Литий ионные аккумуляторы имеют систему безопасности, расположенную под крышкой устройства. Речь идет об устройстве, предназначенном для предупреждения перегрева аккумулятора. При слишком сильном поднятии температуры автоматически увеличивается его сопротивление.
Также имеется возможность вести контроль уровня давления внутри аккумулятора. При его повышении выше критической отметки происходит разрыв электрической связи между положительной клеммой и катодом. Такая система безопасности позволяет назвать литий ионные аккумуляторы умными устройствами.
Но и это не все. Литий ионные аккумуляторы могут иметь собственную систему контроля перезаряда или слишком сильного разряда аккумуляторной батареи, а также защиту от короткого замыкания. При их использовании необходимость в контролере заряда просто отпадает.
Попробуем с помощью несложных математических расчетов определить перспективы развития ЛИБ и представить, как будет выглядеть ЛИБ, предназначенная для автономной электрической сети.
Для выполнения расчетов составим модель устройства.
В общем виде батарея состоит из трех частей ( форма принципиального значения не имеет: она может быть цилиндрической, а может представлять собой параллелепипед)
Первая часть – активная, состоит из скрученных электродов, помещенных в электролит.(can)
Затем корпус, крышка, клеммы и предохранители.
Корпус сделан из тонкой стали, с толщиной стенок b=0.3-0.5 мм. (wall) Вспомогательные части батарейки (фиолетовые на рисунке) можно считать одним цилиндром, с радиусом, равным внутреннему радиусу трубы, в которой располагается батарея. (add)
Теперь, на основе математических расчетов, оценить технические характеристики аккумулятора, пригодного для накопления энергии в автономной электрической сети. Напомним, что аналогия проводится с аккумуляторными батареями, предназначенными для питания телефонов и аналогичных устройств.
Ниже приводятся параметры двух батарей такого типа
Очевидно, что объем цилиндра, его составляющих частей, а также массы устройства можно представить в следующем виде
где
х- это высота цилиндра
у – произведение значения высоты на условную плотность вспомогательной части аккумулятора (на рисунке фиолетовый цвет)
Если конструкции аккумуляторов подобны, и сделаны они из одинаковых составляющих элементов, то можно предположить, что емкость аккумулятора пропорциональна массе его наполнения (начинки)
Используя приведенные выше формулы, можно составить системы уравнений.
Значения выделенных матриц уже известны.
Все это позволяет вычислить объем и массу электродов и электролита.
Емкость электродов равна емкости батареи, а их значения равны между собой. Если знать удельные емкости электродов, можно найти объем, занимаемый ими в батарее
Зная объем электрода и общий объем батареи, можно вычислить значение объема, занимаемого электролитом.
Параметры модели уточняются путем уменьшения ошибки по массе.
Зная параметры существующих сегодня литий ионных аккумуляторов, и используя полученные расчеты, можно прогнозировать значения недостающих параметров будущих аккумуляторов.
Ниже приведено графическое изображение подобного прогноза.
Как видно из приведенной диаграммы, увеличение емкости аккумуляторной батареи должно происходить за счет увеличения емкости анода.
Итак, данный расчет проведен на основе аккумуляторных батарей для ноутбуков и телефонов, и может вызывать сомнения в том, что аккумуляторы такого качества и соответствующей емкости будут представлены потребителям в ближайшее время, ведь речь идет об автономной электрической сети.
Выбор материала для анода
Литий, как материал, идеально подходящий, с химической точки зрения, для изготовления анодов, был предложен еще в начале восьмидесятых годов прошлого столетия. Но при его использовании при повторных циклах зарядки аккумуляторов, было отмечено непредсказуемое поведение анода, а точнее произвольному соединению атомов лития, образующих «ветви», способные дотянуться до катода, что неизменно приводило к короткому замыканию.
Поэтому было решено использовать не сам металл литий, а лишь соединения, вмещающие его ионы. Наиболее подходящим для этих целей стал графит.
При этом нужно обратить внимание на тот факт, что в литий ионных аккумуляторах электролит не принимает участия в химическом процессе. Возникает закономерный вопрос: « если электролит не участвует в процессе, то где именно происходят реакции окисления и восстановления?»
Процесс идет между литием, содержащимся в аноде и металлом, содержащимся в катоде. Поэтому литий ионный аккумулятор это не просто идея использовать новый элемент для изготовления анода и катода, а открытие совершенно нового принципа работы химического аккумулятора.
Приведенный ниже рисунок как нельзя лучше иллюстрирует принцип работы литий ионного аккумулятора.
В чем особенности лития
Литий одновалентный химический элемент. Его внешний электрон имеет слабо выраженную связь с ядром и может быть легко потерян. К тому же он имеет маленькие размеры, что делает его незаменимым в процессах, происходящих в АКБ.
Благодаря слабой связи с ядром, электрон легко отрывается и устремляется по проводнику (электролиту) к катоду, где так же легко «устраивается» на орбите металла, компенсируя отсутствие четвертого электрона, стремящегося уйти к кислороду. Итогом такого вторжения иона лития является то, что четвертый электрон металла уходит к кислороду, образуя при этом направленное электрическое поле, втягивающее электрон лития в слои кислорода.
В литий ионных аккумуляторах взаимодействие идет не между электронами, находящимися на первом или втором энергетическом уровне, а между электронами четвертого уровня, что и объясняет такую большую энергию литий ионных аккумуляторов.
Электролит в аккумуляторах этого типа участия в процессе окисления и восстановления не принимает, но он является проводником для электрона лития. Это значит, что электролит должен иметь высокую электронную проводимость. При этом хорошо, если он будет недорогим и нетоксичным.
Анод в литий ионном аккумуляторе имеет особое значение: он должен иметь слабые связи с «приходящим» ионом лития, не должен препятствовать процессу внедрения иона или его ухода.
В настоящее время ведутся поиски оптимального материала для изготовления анодов в ЛИБ (литий ионных батареях).
Рассматривается три вида материалов, различающихся по способу размещения лития в их структуре
Сплав, при котором литий растворяется в кристалле другого вещества. Например, сплав с германием или с кремнием. При этом образовавшееся вещество имеет высокую емкость. К недостаткам нужно отнести структурные изменения.
Литий размещается в структуре анода. При этом получается анод с высокой степенью структурной стабильности, но имеющий малую емкость.
Реакции обмена, в ходе которых литий вытесняет металл из оксида, замещая его. Отличается высокой емкостью
Как видите, найти идеальный материал для анода непросто. Одним из самых интересных решений является использование для этого углерода, а точнее графита. (напомним, что алмаз тоже углерод)
Графит является прекрасным проводником электричества, к тому же он имеет слоистую структуру, в которой слои между собой слабо связаны. При внедрении в них атомов лития деформации слоев графита практически не бывает.
Применение графитового анода дает хорошие результаты, но это только начало поиска идеального анода.
ООО Сатурн и его аккумуляторы
ООО Сатурн в городе Краснодаре занимается выпуском оборудования, предназначенного для космических станций и модулей. По своей сути система обеспечения этих объектов электрической энергией практически ничем не отличается от автономной электрической сети, расположенной в частном доме.
К сожалению, в нашей стране немало районов, в которых электричество также недоступно, как и в космосе. Поэтому аналогии в данном вопросе вполне уместны. К тому же, напомним, что первые солнечные батареи были установлены именно на космических кораблях, и лишь затем нашли свое применение в земных условиях.
Так вот, в настоящее время это предприятие выпускает именно литий ионные аккумуляторы (ЛИАБ) емкостью от 10 до 120Ач призматической формы. Первые аккумуляторы уже проходят испытания в составе системы ГЛОНАСС.
Каждый аккумулятор выполнен в виде герметичного блока из сплава магния и алюминия. В его конструкции предусмотрена прочная монолитная плита, являющаяся основанием. Это делает его прочным и устойчивым, а также позволяет устанавливать аккумуляторы в любом месте. Это важно для космических кораблей, для потребителей намного важнее то, что есть надежда в скором будущем купить литий ионные аккумуляторы и использовать их для своей автономной электрической сети.
Литий ионные аккумуляторы, производимые ООО Сатурн в городе Краснодаре
Основные технические характеристики литий-ионных аккумуляторов (ЛИГП)
Напомним, что в начале статьи говорилось о том, что многие современные ученые считают , что в ближайшее столетие развитие аккумуляторов будет идти за счет разработки новых моделей литий ионных батарей.
Их использование в космосе, а также пример ООО Сатурн, подтверждает это.
