Знаете ли вы какие металлические материалы используются в аккумуляторах электромобилей?
Современные аккумуляторы для электромобилей представляют собой сложные системы, в которых используются металлы, названия которых мы знаем еще со школьных уроков химии, но в реальности с ними мало кто сталкивался. Напомним основные характеристики кобальта и марганца, которые содержатся в аккумуляторах.
Кобальт
Кобальт (химическая марка Со, лат. Cobaltum) — голубоватый, ферромагнитный, твердый металл. Он используется в металлургии для улучшения свойств сплавов, при окраске стекла и керамики, а также имеет важное биологическое значение.
В своем обычном состоянии кобальт устойчив к воздуху и воде. В мелкодисперсном состоянии кобальт, как и железо, пирофорен (самовоспламеняется на воздухе). Он растворяется в разбавленных кислотах, таких как соляная, серная и азотная кислоты, но очень неохотно и медленно.
При нормальных температурах кобальт менее реакционноспособен, но при более высоких температурах он часто соединяется со многими элементами, образуя пламя (сера, фосфор, мышьяк, сурьма, олово, цинк, кремний, бор, галогены). Однако он не соединяется с азотом и водородом.
Историческое развитие
О первом применении соединений кобальта мы узнаем из египетских археологических находок. Они датируются 2600 г. до н.э. и представляют собой керамические и стеклянные жемчужины, окрашенные синим кобальтом.
В Средние века горняки называли кобальтовыми рудами, которые, несмотря на их металлический вид, не могли быть металлургически переработаны в металл.
Название кобальт основано на немецком названии эльфов-коболдов, которые были довольно злобными и проповедовали шахтерский труд.
Наличие кобальта ухудшало качество и перерабатываемость добываемых никелевых руд, а примеси кобальта еще больше угрожали их здоровью, так как при их обжиге выделялись опасные ядовитые газы. Позже это обозначение было ограничено рудами, которые трудно поддавались металлургической обработке и окрашивали стекло в синий цвет.
Крупнейшие запасы руды со значительной долей кобальта находятся в России, Китае, Австралии, Демократической Республике Конго и Замбии.
Производство
Основу производства кобальта составляют сплавы, которые получают при металлургической переработке никелевых, медных и свинцовых руд, содержащих мышьяк, где кобальт присутствует преимущественно в виде арсенида.
Сплавы производили оксиды кобальта, которые использовались в производстве кобальтовых красок и не обязательно должны были быть в очень чистом состоянии. Однако сегодня в основном производится металлический кобальт.
Самая большая проблема в производстве заключается в удалении никеля, который составляет значительную часть кобальтовых руд.
Использование
Цена кобальта довольно высока из-за его относительно низкой распространенности и сложности добычи, а в некоторые периоды биржевая цена кобальта достигает стоимости серебра.
Поэтому в металлургии он в основном применяется только в тех случаях, когда его нельзя заменить каким-либо более дешевым металлом и его обычно сплавляют в сплавы только в относительно небольших количествах.
Литий-ионный аккумулятор
Большая часть кобальта используется для изготовления литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые благодаря своей высокой удельной емкости, примерно 250 Вт-ч/кг, в последние годы постепенно практически вытеснили из всех портативных устройств старые типы аккумуляторов (NiMH, NiCd).
Потребление кобальта продолжит значительно расти вместе с развитием электрической мобильности и необходимостью производить в больших количествах литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время являются единственным практическим способом достижения приемлемого запаса хода и рационального веса электромобилей.
Например, легковой автомобиль массой 300 кг с литий-ионной аккумуляторной батареей имеет дальность около 500 км.
Другие типы батарей (включая другие типы батарей на основе лития) в лучшем случае достигают половины удельной емкости литий-ионных батарей. Для той же дальности вес этих других батарей должен быть удвоен.
Мировое потребление кобальта к 2010 году до разработки литий-ионных аккумуляторов составляло примерно 50 000 тонн. В 2016 году потребление кобальта составило 100 000 тонн, из них около половины на производство литий-ионных аккумуляторов.
Легковой машине с запасом хода 500 км требуется примерно 10 кг кобальта и 7 кг лития для 300-килограммовой батареи.
Недостаточные запасы кобальта могут ограничить развитие электромобилей в будущем больше, чем запасы лития.
Марганец
Марганец (химическая марка Mn, лат. Marganese) — светло-серый, парамагнитный, твердый металл. Используется в металлургии в качестве добавки к различным сплавам, катализаторам и цветным пигментам.
Двуокись марганца известна с древних времен, когда ее применяли в производстве стекла. Считался разновидностью магнетита.
В Средние века уже различали магнезии или магнезиус ляпис (магнетит, магнитный камень, магнитный железняк) и пиролюзит (диоксид марганца, MnO2).
Немного позже стеклодувы дали пиролюзиту название «бурель» в соответствии с его способностью обесцвечивать мыло из железного стекла и изменили его название на марганцевый или ляпис-марганцевый.
Представление о том, что пиролюзит — это железная руда, сохранялось до середины 18 века. В это время, однако, окончательно сошлись во мнении, что эта руда должна содержать и другой, пока неизвестный металл.
Он был открыт в 1774 году шведским химиком Карлом В. Шеелем, который в этом году представил Стокгольмской академии наук неопровержимые доказательства.
В том же году был выделен марганец. Он был выделен Йоханом Готлибом Ганом при нагревании пиролюзита с древесным углем и маслом при высоких температурах.
Марганец в чистом виде не производился до 1930-х годов путем электролиза растворов солей марганца. Марганец получил первое название марганец в 1774 году.
Марганец — элемент с относительно большим присутствием на Земле и в космосе. В земной коре среднее содержание марганца составляет около 0,9–1 г/кг, что соответствует 0,1% или 1000 ppm (частей на миллион = частей на 1 миллион частиц) и занимает двенадцатое место. В морской воде его концентрация составляет около 2 мкг на литр.
Подсчитано, что на один атом марганца во Вселенной приходится около 5 миллионов атомов водорода. В природе марганец почти всегда встречается одновременно с железными рудами.
Использование
Существенная часть мирового производства марганца расходуется на производство стали – это около 95% мирового производства марганца, а также марганцевых бронз и алюминиевых сплавов.
Остальное потребляется в стекольной и керамической промышленности и в производстве химикатов. Некоторые соединения марганца использовались, а некоторые до сих пор используются в качестве красителей.
Естественные цвета марганца включают умбру, а искусственные — марганцево-коричневый (щелочной карбонат марганца), марганцево-белый (карбонат марганца), марганцево-зеленый (иногда также кассельский зеленый) и перманентно-фиолетовый.
В сталелитейной промышленности марганец в первую очередь служит компонентом, связывающим серу и кислород при плавке, которые необходимо удалять из высококачественной стали.
Таким образом, он служит добавкой для десульфурации и раскисления, которая превращает образовавшиеся соединения S и O в шлак и, таким образом, очищает расплав.
Однако после завершения плавки некоторые процент элементарного марганца остается, в некоторых случаях только в виде непрореагировавшего избытка после удаления S и O, иногда содержание преднамеренно выше, чтобы достичь других механических свойств получаемой стали.
В дополнение к марганцу стали всегда содержат железо, хром и, как правило, никель в качестве основных компонентов.
Еще одним чрезвычайно важным марганцевым сплавом является дюралюминий. Это название относится к группе очень легких и механически стойких сплавов на основе алюминия и магния с меньшим содержанием меди и марганца.
Гальванические элементы
Самый старый серийно выпускаемый электрический гальванический элемент (батарея) состоял из цинкового катода и анода, который представлял собой графитовый диск, помещенный в пасту с высоким содержанием диоксида марганца MnO2.
Ячейка этого гальванического элемента обеспечивала напряжение примерно 1,5 В. При потреблении тока элементарный цинк окисляется до Zn+2, а четырехвалентный марганец восстанавливается до Mn+2.
Какие сплавы используются в аккумуляторах
Наиболее распространенный тип батарей, которые используются в современных автомобилях, — это свинцово-кислотный аккумулятор. Он назван так, потому что имеет в своем составе решетки, изготовленные из свинцовых сплавов. Свинцово-кислотная батарея получила широкое распространение, поскольку обладает весьма большим ресурсом работы и достаточно высокой удельной мощностью.
Свойства сплавов
Свойства сплава, из которого сделаны токоотводы АКБ, напрямую влияют на характеристики работы самого аккумулятора. Одно из главных требований, которые разработчики аккумуляторов предъявляют к сплаву, заключается в том, что он должен быть достаточно твердым и устойчивым к любым нагрузкам, которым АКБ подвергается в процессе работы. Очевидно, что сплав также должен хорошо проводить электрический ток и обладать рядом свойств, позволяющих без нарушения производственной технологии использовать его в процессе литья.
Существуют определенные требования и к коррозионной устойчивости. Это в особенности актуально для положительных токоотводов, так как именно они подвергаются увеличенным нагрузкам при работе аккумулятора. Под воздействием нагрузок положительная решетка способна не только деформироваться, но и покрыться слоем оксида свинца, который препятствует эффективному прохождению тока.
Посторонние и нежелательные примеси в свинцовом сплаве в целом ухудшают его характеристики и негативно влияют на работу АКБ. Происходит это из-за того, что в процессе коррозии положительной решетки эти примеси становятся частью активной массы и способствуют усилению процесса газообразования, а также стимулируют потерю воды.
Типы сплавов для АКБ
Однако добавки в сплавах, из которых производятся решетки для АКБ, конечно же, есть. Долгое время для производства решеток использовался свинцово-сурьмянистый сплав. Такие токоотводы можно найти в обслуживаемых АКБ. Применение сурьмы позволило сделать сплав более текучим, а значит, удобным для использования в процессе литья. Помимо этого, свинцово-сурьмянистый сплав хорошо проводит ток. Но есть и недостатки: наличие в сплаве сурьмы усиливает процесс газовыделения и приводит к повышенной потере воды в АКБ. Именно поэтому в такой аккумулятор необходимо регулярно добавлять воду.
Со временем появились и необслуживаемые аккумуляторы, в которых содержание сурьмы было снижено, а доля других добавок, наоборот, увеличена (добавки олова, мышьяка, серебра). Это позволило сохранить высокие литьевые свойства сплава и повысить его коррозионную стойкость.
Свинцово-кальциевый сплав, который стал использоваться со временем для производства стационарных аккумуляторов, не нашел широкого применения в автомобильных АКБ. Главным образом это обусловлено быстрым снижением емкости заряда. Однако в необслуживаемых гелевых аккумуляторах для производства отрицательных решеток использовался сплав свинца и кальция, а для производства положительных — малосурьмянистые сплавы. Со временем производители стали добавлять в сплав свинца и кальция олово, что улучшило свойства отрицательных токоотводов и позволило использовать при производстве технологию непрерывного литья.
Современный тренд
Говоря о свинцово-кислотных аккумуляторах, важно отметить, что свинцовые сплавы небезопасны для человека и окружающей среды. Добавки, которые содержатся в таких сплавах (сурьма и мышьяк), при химическом взаимодействии или в условиях избыточного заряда могут способствовать образованию токсичных газов. Во многом именно этим обусловлен тот факт, что при изготовлении свинцово-кислотных аккумуляторов производителям приходится использовать все больше автоматизированных операций.
В целом же современное состояние «аккумуляторного» сегмента довольно очевидно. Достаточно вспомнить о том, что одним из глобальных мегатрендов автомобилестроения является стремительный рост производства электромобилей. Именно поэтому усилия разработчиков АКБ в основ-ном направлены на улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов или АКБ из других сплавов, подходящих для использования в электрокарах и гибридах.
Что лучше Ni-Cd или Ni-Mh аккумуляторы: разница и отличия
Ni-Cd или Ni-Mh — что лучше для портативной техники? В этой заметке вы узнаете, какие отличия у этих двух типов аккумуляторов и насколько существенная разница между элементами с маркировкой «NiMh» и «NiCd» на корпусе.
Отличия Ni-Cd от Ni-Mh простыми словами
Ni-Cd (NiCd) — это никель-кадмиевый аккумулятор, в основе которого никелевый катод Ni(OH)2 и анод из гидроксида кадмия Cd(OH)2. Дешёвый и выносливый (долго служит), но прихотливый в зарядке.
Ni-Mh (NiMh) — это никель-металл-гидридный аккумулятор, в основе которого никелевый катод (оксид никеля NiO) и анод в виде водородного металлогидридного электрода (сплав La-Ni-Co). Более ёмкий и эффективный, но с меньшим ресурсом и дороже.
Ниже мы сделали подробное сравнение плюсов и минусов. В конце статьи вы найдёте особенности хранения NiCd и NiMh, основные характеристики элементов и параметры заряда, подробности взаимозаменяемости, например, в шуруповёртах или других автономных инструментах.
В чём разница между Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторами?
Основные отличия Ni-Cd от Ni-Mh элементов заключены по характеристикам ёмкости, эффекту памяти и экологичности. Как правило, батареи с маркировкой «NiMh» на корпусе дольше питают устройство (у них больше ёмкость), не страдают от «эффекта памяти» (почти отсутствует) и не наносят вреда окружающей среде.
Решение Ni-Cd заменить на Ni-Mh
В прошлом веке (примерно до середины 1990-х годов) в отрасли портативной электроники преобладали никель-кадмиевые (NiCd) батареи. В дальнейшем промышленники стали переходить на никель-металл-гидридные (NiMh) аккумуляторы из-за обостряющихся экологических норм.
Все сравнительные особенности (плюсы и минусы) указаны при условии примерно одинаковых габаритов и формы обоих типов аккумуляторов. Если отходить от этого условия, то могут быть значительные отклонения по количеству циклов (вплоть до 2000 циклов у NiMh, Лебедев О.А. Химические источники тока. — СПб.: ЛЭТИ, 2002. — 55с., Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003. — 224с.). В остальном интересны следующие у аккумуляторов Ni-Mh и Ni-Cd отличия.
Аккумуляторы типа Ni-Cd (NiCd)
Изобретены в 1899-м году Вальдемаром Юнгнером (Waldemar Jungner) и получили широкое распространение в 1980-х годах после успешных экспериментов по наращиванию активного материала с увеличением ёмкости на 60%. Никель-кадмиевые (NiCd) элементы питания остаются одними из самых прочных и устойчивых, что особенно актуально в таких ответственных отраслях, как авиастроение.
- • Недорогие (самый дешевый тип аккумуляторов при пересчёте на цикл).
- • Высокая производительность нагрузки (способны отдавать большой ток).
- • Долгий срок службы (до 1000 циклов заряда/разряда).
- • Способны получатьсверхбыструю зарядку (нужен контроль температуры и избыточного давления внутренних газов).
- • Длительный срок хранения (может храниться в разряженном состоянии, перед использованием необходимо активировать).
- • Складирование и транспортировка безопасны (принимаются авиакомпаниями в качестве груза).
- • Эффективны при экстремальных температурах (от -50°C до +40°C, зарядка при температуре ниже 0°C).
- • «Гибкий» форм-фактор (широкие возможности создания в любых размерах и вариантах установки).
- • Меньше ёмкость и больше вес (по сравнению с альтернативными типами при тех же размерах).
- • «Эффект памяти» (необходимо полностью разряжать перед зарядкой).
- • Кадмий токсичен (металл со сложным и трудоёмким процессом утилизации).
- • Высокая степень саморазряда (нужно заряжать после хранения, иначе теряется до 10% за первый месяц).
- • Периодически требуется «тренировка» аккумулятора (3-4 цикла заряда/разряда для восстановления).
- • Низкое напряжение со снижением от 1,5 (при первых 10%) до 1,2 В (требует много элементов для достижения высокого напряжения).
Аккумуляторы типа Ni-Mh (NiMh)
Впервые исследования в области гидрида никеля и металла проводились в 1967-м году в Женевском научно-исследовательском институте Баттеля и упирались в ограничение образования никель-водорода (NiH) из-за нестабильности гидрида металла. В 1980-х был открыт новый гидридный сплав, с которым разработку удалось завершить в 1987-м с улучшением ёмкости на 40% в сравнении со стандартными NiCd-аккумуляторами.
- • Высокая удельная ёмкость (до 40% больше от стандартной ёмкости NiCd и меньший вес).
- • В большинстве случаев отсутствует «эффект памяти» (частота обслуживания снижена в 2-3 раза).
- • Экологически чистые (выгодная переработка, не содержат кадмий, ртуть, свинец, вредные химические вещества).
- • Складирование и транспортировка безопасны (принимаются авиакомпаниями в качестве груза).
- • Эффективны при отрицательных температурах (но в меньшей степени, чем NiCd).
- • Более высокая цена у NiMh, чем у NiCd.
- • Сложный алгоритм зарядки (более длительный, чувствителен к перезаряду, плохо поглощает перезаряд, должен быть на меньшем токе).
- • Требуют особое зарядное устройство (со стадийным алгоритмом и контролем перезаряда).
- • Излишнее тепловыделение (при быстрой зарядке и во время разрядки на высокой нагрузке).
- • Меньшая производительность при экстремальных температурах (в сравнении с NiCd).
- • Небольшой срок службы (до 500 циклов, значительно сокращается из-за глубокого разряда).
- • Скорость саморазряда почти в 2 раза выше (20% в течение первых 24 часов и растёт на 10% в месяц).
Замена гидридного материала уменьшает саморазряд и уменьшает коррозию сплава, но это сокращает и удельную энергию. Аккумуляторы для электрических силовых агрегатов используют это улучшение для достижения требуемого ресурса и длительного срока службы.
Что лучше — NiCd или NiMh?
Обычно нужно установить тот или иной аккумулятор, например, в электроинструмент. Работать предстоит на улице или в неотапливаемом помещении холодными зимними вечерами. В таком случае характеристики Ni-Cd подойдут лучше.
У NiCd лучшая эффективность на холоде и возможность заряжать при минусовых значениях температуры выручат при работе с тем же шуруповёртом в российских реалиях.
Во всех стандартных тепличных ситуациях Ni-Mh объективно выигрывает по своим техническим характеристикам у более древнего типа аккумуляторов Ni-Cd, у которых и «эффект памяти» и меньшая ёмкость. Однако в этом случае важно соблюдать правила зарядки по инструкции производителя, чтобы элемент питания прослужил как можно дольше.
Есть ли что-то лучше NiMh?
Если вас беспокоит высокая степень саморазряда Ni-Mh, то обратите внимание на усовершенствованный тип LSD Ni-Mh. Такие элементы питания стоят дороже, но оправдывают инвестиции в условиях, когда между зарядкой и непосредственно эксплуатацией проходит значительное время (например, пульты дистанционного управления).
LSD Ni-Mh — это никель-металл-гидридный аккумулятор с низким саморазрядом (Low Self-Discharge, LSD). В процессе хранения он теряет максимум 10-20% ёмкости в год и работает почти также эффективно при экстремальных температурах, как и NiCd. Срок службы увеличен до 1000-1500 циклов разряда/заряда с более высокими значениями тока под нагрузкой.
Усовершенствованные никель-металлогидридные аккумуляторые с низким саморазрядом впервые появились в 2005-м году благодаря усилиям компании Sanyo. Сегодня их производством занимается множество других брендов. Они замедляют электрический разряд за счёт более качественного разделения анода и катода с помощью полиолефинового сепаратора.
Если Ni-Cd заменить на Ni-Mh, то какой зарядник подойдёт?
Вы можете продолжить заряжать старым зарядником устройство после замены NiCd на NiMh и наоборот. Однако следует иметь ввиду, что если для Ni-Cd используется специальный адаптер (старого, даже древнего типа), то после замены аккумулятора на Ni-Mh не стоит им пользоваться.
Сейчас зарядных устройств специально для никель-кадмиевых аккумуляторов практически не существует (обязательно напишите в комментарии, если видели их в продаже).
Главное, что вам следует знать — сперва полностью разряжайте Ni-Cd и Ni-Mh, а лишь затем подключайте зарядное устройство. Так вы избежите «эффекта памяти» и всегда будете получать полностью работоспособное оборудование после зарядки. Следуйте этому правилу даже с Ni-Mh, у которого хоть и намного в меньшей степени, но всё равно проявляется эта проблема.
Есть ли особые требования для хранения Ni-Cd и Ni-Mh?
Когда нужно максимально сберечь штатные характеристики аккумуляторов обоих типов, следует придерживаться некоторых рекомендаций от производителей. Их мы выделили в этот список.
- • В сухом прохладном месте (при высоких температурах усиливается саморазряд).
- • С любым промежуточным процентом заряда (кроме полного разряда или полного заряда).
- • Оптимально зарядить до уровня 40%-60%.
- • В процессе хранения 1 раз в 3 месяца дозарядите (иначе саморазряд сократит процент).
- • Храните NiCd и NiMh не дольше 5 лет.
- • Перед началом эксплуатации после длительного хранения активируйте (полностью разрядите и зарядите).
При возникновении вопросов напишите их в комментарии или отправьте в виде личного сообщения нам ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.