Сравнение литиевых и свинцовых аккумуляторов

Сравнение литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов при работе в стационарных системах хранения энергии

Greg Albright, Jake Edie, Said Al-Hallaj | AllCell Technologies LLC

Перевод “Ваш Солнечный Дом”.
При полном или частичном копировании ссылка на источник обязательна

Введение

Сегодня существует широкий выбор способов хранения энергии для стационарных систем электроснабжения. В их числе – суперконденсаторы, сжатый воздух, гидроаккумулирующие станции, маховики и заряжаемые аккумуляторные батареи. Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют области их применения. В этой статье рассматриваются 2 технологии аккумуляторных батарей, использующих химическое преобразование для хранения энергии: свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы. Основный вывод исследования: определить наиболее эффективные аккумуляторы можно только после изучения ряда факторов, и уже сейчас есть огромный сегмент рынка, где литий-ионные аккумуляторы показывают меньшую стоимость хранения энергии, чем свинцово-кислотные. На рисунке ниже показаны 11 факторов, которые должны рассматриваться при выборе типа аккумуляторной батареи для данной конкретной системы электроснабжения.

Рис 1: Факторы, влияющие на решение о выборе типа аккумуляторной батареи. С вершины по часовой стрелке: начальная стоимость, срок службы, стоимость инженерных работ, стоимость обслуживания , стоимость установки, стоимость сопутствующих элементов, стоимость утилизации, стоимость доставки, влияние на окружающую среду, надежность, безопасность.


В системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии до недавнего времени доминировали свинцово-кислотные и никелевые (щелочные) аккумуляторные батареи. Никелевые батареи (NiCd, NiMH) практически ушли с рынка ввиду высокой цены и вреда окружающей среде. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются более 100 лет и будут одними из основных в обозримое время вследствие их низкой цены и массового производства.

Литиевые аккумуляторы – это также хорошо проработанная технология и они широко используются в гаджетах и портативных электронных устройствах. Им еще предстоит завоевать свое место в больших системах электроснабжения. Они уже широко применяются в системах, где объем, вес, чувствительность к температуре и малое обслуживание более важны, чем начальная стоимость. На диаграмме ниже показаны типы аккумуляторов, применяемых в системах с возобновляемыми источниками энергии.

Рис 2: Типы перезаряжаемых аккумуляторных батарей
Рис 2: Типы перезаряжаемых аккумуляторных батарей

Базовые понятия о работе аккумуляторов

2.1 Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис 3: Состояния свинцово-кислотного аккумулятора

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов . На рис. 3 показаны химические состояния полностью заряженного и полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

 

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны (см. рис.3).  Различия – в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

  1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
  2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
  3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная “губка” для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. “Буферные” герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных – они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы “глубокого разряда”, которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени. 

2.2 Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO2.

Рис 4: Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese.  Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в “литий-полимерных” аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать “мешочек”  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 групы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese – Оксид марганца лития (LiMn2O4) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO2)). БатареиLiMn2O4и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

В таблице 1 показаны различия между этими 2 химическими процессами. Значения отражают среднюю величину, возможны флуктуации в ту или другую сторону.

Таблица 1: Сравнение литий-ионных технологий аккумуляторов

Параметр LFP LiNCM
Напряжение 3.3 В номинальное (2-3.6 В/эл.) 3.7 В номинальное (2,7-4,2 В/эл.)
Плотность энергии 300 Вт*ч/л 735 Вт*ч/л
Удельная энергия 128 Вт*ч/кг 256 Вт*ч/кг
Мощность 1000 Вт/кг 512 Вт/кг
Количество циклов 2,000 @ 100% DoD 3,000 @ 80% DoD 750 @ 100% DoD 1,900 @ 80% DoD
Срок службы, лет 6 8
Максимальная рекомендуемая температура 40°C 55°C
Безопасность Высокая Средняя

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгорания в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

Сравнение литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными

В таблице 2 приведены основные параметры свинцово-кислотных и литиевых аккумуляторов (LiNCM). Нужно отметить, что обе технологии аккумуляторов имеют большой диапазон параметров, и цифры ниже приведены для очень упрощенного сравнения.

Таблица 2: Сравнение различных технологий аккумуляторов

Параметр СК с жидким электролитом СК герметизированные Литий-ионные (LiNCM)
Плотность энергии, Вт*ч/л 80 100 250
Удельная энергия, Вт*ч/кг 30 40 150
Необходимость регулярного обслуживания Yes No No
Начальная стоимость ($/кВт*ч) 65 120 600[1]
Срок службы, циклов 1,200 @ 50% DoD 1,000 @ 50% DoD 1,900 @ 80% DoD
Типичный допустимый разряд 50% 50% 80%
Чувствительность к температуре Значительно деградирует при температуре выше 25°C Значительно деградирует при температуре выше 45°C
Эффективность

100%@20-часовом разряде
80% @4-часовом разряде
60% @1-часовом разряде

100%@20-часовом разряде
99% @4-часовом разряде
92% @1-часовом разряде
Напряжение элемента, В 2 2 3.7

Типичный допустимый разряд показывает, что для свинцово-кислотные аккумуляторы должны иметь бОльшую номинальную емкость по сравнению с литиевыми для обеспечения хранения одинакового количества энергии.

Вследствие больших различий в технических и экономических характеристиках, выбор “лучшего” типа аккумулятора зависит от конкретной ситуации. Ниже разберем более подробно эти параметры.

3.1 Сравнение по количеству циклов

Литий-ионные аккумуляторы имеют гораздо больше возможных циклов заряда-разряда, особенно при глубоком разряде. Различие увеличивается также при увеличении температуры. Количество циклов для каждого типа аккумуляторной батареи может быть увеличено путем ограничения глубины разряда (DoD), разрядного тока и температуры, но свинцово-кислотные аккумуляторы в общем случае намного чувствительнее к этим факторам.

На рис. 5 показана зависимость остаточной емкости от количества циклов заряда-разряда для различных типов аккумуляторов  при умеренных температурах (около 25°С). Так как количество циклов зависит от глубины разряда, на рисунке показаны различные кривые для разной глубины разряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Видно, что AGM аккумуляторы должны разряжаться на 30% для того, чтобы по количеству циклов их можно было сравнивать с литиевыми аккумуляторами с глубиной разряда 75%. Это означает, что номинальная емкость AGM аккумуляторов должна быть примерно в 2,5 раза больше, чем у литиевых аккумуляторов для того, чтобы обеспечить сопоставимые срок службы и количество сохраняемой энергии.

Рис. 5: Срок службы в циклах при умеренной температуре эксплуатации
Рис. 5: Срок службы в циклах при умеренной температуре эксплуатации

В жарком климате при средних температурах около 33°С, различия между AGM и литий-ионными аккумуляторами усиливается. Количество циклов для свинцово-кислотных аккумуляторов снижается в 2 разар, в то время как для литий-ионных оно сохраняется стабильным до 45°С. На рис. 6 показано это различие.

Рис. 6: Количество циклов, жаркий климат
Рис. 6: Количество циклов, жаркий климат

3.2 Разрядные характеристики

Свинцово-кислотные аккумуляторы отдают меньше емкости при увеличении тока разряда. Это нужно учитывать при проектировании системы электроснабжения. Чем короче время разряда, тем меньшую емкость отдает СК АКБ.

Так,  100 А*ч VRLA АКБ отдаст только 80А*ч при 4-часовом разряде. С другой стороны, 100А*ч литий-ионный аккумулятор отдасть 92А*ч даже при 30-минутном разряде. Из рис.7 видно, что литий-ионные аккумуляторы особенно выгодно применять в системах, где разряд длится менее 8 часов.

Зависимость отдаваемой емкости от разрядного тока
Рис. 7: Зависимость отдаваемой емкости от разрядного тока

3.3 Работа при низких температурах

Оба типа аккумуляторов снижают полезную емкость при понижении температуры. На рис.8 показаны изменения емкости различных аккумуляторов при снижении температуры до -20С. Как видно, литий-ионные аккумуляторы теряют емкость существенном меньше.  На потерю емкости свинцово-кислотных аккумуляторов влияет ток разряда, поэтому на графике присутствует 2 кривые для разных токов разряда – 2-часового и 10-часового.

Зависимость емкости аккумулятора от температуры
Рис. 8: Зависимость емкости аккумулятора от температуры

3.4 Влияние на окружающую среду

Свинцово-кислотные аккумуляторы проигрывают литий-ионным в части экологической безопасности. Они требуют во много раз больше сырья, чем литий-ионные, для получения одинаковой полезной емкости для хранения энергии. Экологический ущерб при добыче сырья для свинцово-кислотных аккумуляторов гораздо выше; получение свинца также потребляет много энергии, что в свою очередь ведет к связанным с генерацией энергии выбросам загрязняющих веществ в окружающую среду.  Несмотря на то, что свинец очень ядовит, готовые свинцово-кислотные батареи не представляют риска для здоровья человека. К положительным моментам можно отнести то, что более 97% свинца из отработанных аккумуляторов можно повторно использовать.

Процесс производства литиевых аккумуляторов также имеет некоторые проблемы для экологии. Основные компоненты литиевого аккумулятора требуют добычи карбоната лития, меди, алюминия и железа. Особенно ресурсоемким является добыча лития, но, к счастью, лития в аккумуляторе меньшая часть от общей его массы. Влияние на окружающую среду от производства алюминия и меди, требуемых для него, гораздо выше. Индустрия вторичной переработки литий-ионных аккумуляторов сейчас только зарождается, но уже сейчас понятно, что большая часть материалов также может быть переработана и использована для производства новых аккумуляторов.

3.5 Безопасность

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные аккумуляторы могут войти в “температурный разбег”, когда температура элемента быстро растет и может произойти выброс электролита, вредных газов и даже возгорание. Такое более вероятно для литий-ионных аккумуляторов вследствие того, что они имеют намного большую удельную энергоемкость. При производстве аккумуляторов принимаются многочисленные предохранительные меры, чтобы не допустить запуска процесса перегрева, но полностью исключить его пока не удается.

Рис. 9: Меры безопасности для литий-ионных аккумуляторов
Рис. 9: Меры безопасности для литий-ионных аккумуляторов

3.6 Сравнение по напряжению

При рассмотрении вопроса по замене аккумуляторов в существующей системе на аккумулятор другого типа, наиболее важным является фактор напряжения.На рис.10 показано напряжение 3 аккумуляторных батарей номинальным напряжением 24В. Номинальное напряжение LiNMC АКБ технически составляет 25.9В и для LFP – 25.6В.

Из графика видно, что напряжение литий-ионных АКБ хорошо согласуется с напряжением аналогичных свинцово-кислотных практически во всем диапазоне рабочего напряжения. Для литиевых аккумуляторов потребуется оборудование, которое может работать при более высоком напряжении. Большая часть современного оборудования может работать с такими напряжениями, и имеет регулировки как для свинцовых, так и для литиевых аккумуляторов. 

Рис. 10: Сравнение напряжения аккумуляторов
Рис. 10: Сравнение напряжения аккумуляторовConclusions

Заключение

Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы имеют свои преимущества и недостатки. При принятии решения о выборе технологии необходимо учесть множество факторов – начальную стоимость, срок службы, вес, объем, чувствительность к температуре, удобство и стоимость технического обслуживания, доступность продукта и т.п. Однозначного ответа сейчас нет, но снижение стоимости и доступность литиевых аккумуляторов повышает их привлекательность и делает выбором в ряде ситуаций, особенно в жарком климате и при ежедневном глубоком разряде и заряде.

Безопасность литиевых аккумуляторов существенно лучше у литий-железо-фосфатных аккумуляторов, поэтому именно они получили наиболее широкое применение в стационарных системах энергоснабжения.

Дата публикации оригинала 04/12/12, Источник

  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Английский -> Русский…
       
    • Создать новый список слов…
  • Копировать
  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Английский -> Русский…
       
    • Создать новый список слов…
  • Копировать
  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Английский -> Русский…
       
    • Создать новый список слов…
  • Копировать
  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Русский -> Английский…
       
    • Создать новый список слов…
  • Копировать
  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Английский -> Русский…
       
    • Создать новый список слов…
  • Копировать
  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Английский -> Русский…
       
    • Создать новый список слов…
  • Копировать

Эта статья прочитана 2758 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 68
    Руководство покупателя АКБ для систем электроснабженияАккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам. При этом во многих случаях информация эта однобокая - связано это бывает или с недостаточными знаниями…
  • 52
    Аккумуляторные батареи. ЛикбезКак продлить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов? Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования. Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что…

Google рекомендует

Реклама

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *