Как с годами менялась плотность аккумуляторов и действительно ли мы не добились прогресса в этой области? [ОТВЕТИМ]

В Интернете мы часто натыкаемся на комментарий о том, что прогресс в технологии аккумуляторов незначителен. Говорят, что уже несколько десятков лет у нас практически одно и то же, и мы только маркируем то, что мы что-то делаем. То, что ноутбуки сегодня работают несколько часов без доступа к розетке, якобы связано с производителями электроники, а не с прогрессом в области электрических ячеек. Посмотрим, так ли это на самом деле.

Оглавление

• Плотность энергии / емкость аккумулятора тогда и сегодня
  • Свинцовые батареи: долгие по сей день, 20-50 процентов
  • NiCd элементы: 40 лет назад, 0,05 кВтч / кг, 100 процентов
  • NiMH элементы: 30 лет назад, 0,1 кВтч / кг, 200 процентов
  • Первые литий-ионные / литий-полимерные элементы: 20 лет назад, 0,15 кВтч / кг, 300 процентов
  • Другие литий-ионные элементы: 10 лет назад, 0,2 кВтч / кг, 400 процентов
  • Современные литий-ионные элементы: СЕГОДНЯ, 0,25 кВтч / кг, 500 процентов
  • Период: будущее
    • Период: далекое будущее

Список вверху был создан НАСА. Он показывает гравиметрическую (вертикальная шкала, Втч / кг) и объемная (горизонтальная шкала, Втч / л) плотность различных типов ячеек. На самом деле не имеет значения, о каком масштабе мы будем говорить, поэтому для удобства давайте сосредоточимся на гравиметрическая шкала, то есть показывающая, сколько энергии мы упакуем в ячейку данной массы.

Приведенная выше таблица на самом деле рассказывает всю историю, но в ней отсутствует одна шкала: время. Добавим ее.

Свинцовые батареи: долгие по сей день, 20-50 процентов

Свинцово-кислотный классические свинцово-кислотные батареи. Они используются и по сей день в пусковых целях, они появились в прототипе электромобиля, представленного в пробе 1978 года. Они могут хранить менее 50 Втч энергии на килограмм элемента (0,05 кВтч / кг) – вот почему показанный автомобиль внизу – длинный грузовой отсек, но на одной зарядке он преодолевает всего около 100 км.

Польский электромобиль на свинцово-кислотных элементах, то есть классических аккумуляторах (с) Сонда, 1978 г.

NiCd элементы: 40 лет назад, 0,05 кВтч / кг, 100 процентов

NiCd – это никель-кадмиевые элементы. Они использовались в течение нескольких десятилетий в семидесятых годах и предлагали ок. 50 Wh/kh (0,05 kWh/kg) и со временем нам мало что удалось сделать с такой низкой плотностью энергии. Эти элементы уже практически полностью сняты с рынка из-за содержания кадмия, который является высокотоксичным металлом.

Для нас это отправная точка для сравнений, поскольку никель-кадмиевые элементы открыли эру портативных беспроводных инструментов, игрушек и электронных устройств.

NiMH элементы: 30 лет назад, 0,1 кВтч / кг, 200 процентов

NiMH-элементы представляют собой никель-металлогидридные элементы. Они были доступны на рынке с середины 1-х годов, и именно они были использованы при создании знаменитого GM EVXNUMX. Они предложили ок. 70-110 Втч / кг (0,07-0,11 кВтч / кг) и не содержал токсичного кадмия. По сравнению с никель-кадмиевыми элементами мы увеличиваем мощность на 100% за 10-20 лет. К сожалению, никель-металлгидридные элементы были настолько многообещающими, что автомобильные и нефтяные компании купили на них патенты, а затем … заперли их в сейфе.

> ВИДЕО: Кто убил электромобиль – СТОИТ СМОТРЕТЬ!

Первые литий-ионные / литий-полимерные элементы: 20 лет назад, 0,15 кВтч / кг, 300 процентов

В середине девяностых годов начали появляться первые вариации литий-ионных (полимерных) элементов. На основе диоксида кобальта (LiCoO₂) предлагал около 120 Втч / кг в начале, чтобы превысить 150 кВтч в конце десятилетия. Это означало увеличение на хорошие 40 процентов по сравнению с NiMH-элементами, разработанными параллельно (см. Параграф ранее).

Другими словами: с середины семидесятых до конца девяностых годов мы добиваемся ТРЕХВРЕМЕННОГО увеличения емкости на единицу массы элемента.

Другие литий-ионные элементы: 10 лет назад, 0,2 кВтч / кг, 400 процентов

Прогресс в технологии производства элементов и попытки использовать марганец позволили нам преодолеть барьер в 200 Втч / кг (0,2 кВтч / кг), который больше не отображается на диаграмме. Итак, за тридцать лет мы получили 300 процентов мощности в той же единице массы. Наилучшими результатами здесь являются литий-полимерные элементы, то есть те, в которых все содержимое электрода закрыто в полимерный мешок. У них есть некоторые недостатки – газ, выделяющийся при перезагрузке, может привести к вздутию клеток, но малый вес и высокая плотность заманчивы.

Современный литий-полимерный аккумулятор (в) LG Chem

К сожалению, на этом схема, подготовленная НАСА, заканчивается.

Современные литий-ионные элементы: СЕГОДНЯ, 0,25 кВтч / кг, 500 процентов

Первые элементы NMC 811 (содержащие никель-марганец-кобальт в соотношении 8-1-1) только выходят на рынок, что позволяет упаковывать до 250 Втч на каждый килограмм элемента (0,25 кВтч / кг). Это первое поколение этих ячеек с графитовым анодом. О следующем мы расскажем чуть позже.

Кроме того, Tesla использует 3 ячеек в Model 2170 (на самом деле: 21700; большие на фото ниже). Они достигли уровня около 0,22 кВтч / кг, но на уровне всей батареи, а не отдельных элементов. Отдельные ячейки, вероятно, предлагают 0,25-0,3 кВтч / кг.

> 2170 (21700) ячеек в батареях Tesla 3 лучше, чем NMC 811 в _future_

Период: будущее

Ожидается, что следующее поколение элементов NMC 811 с ​​литиевым анодом появится в начале следующего десятилетия и будет также производиться на польском заводе LG Chem. Предварительные расчеты показывают, что плотность энергии в ячейках с самого начала должна достигнуть 0,3 кВтч / кг и быстро приблизиться к 0,4 кВтч / кг.

Это означает, что с начала нашего обратного отсчета мы достигнем 600 процентов емкости NiCd элемента в единице массы, что является XNUMX-кратным увеличением количества энергии, которое может храниться в элементе.

> Плотность энергии в батареях? Как в чёрном порохе. А вам нужен ДИНАМИТ

Период: далекое будущее

Сейчас считается, что в следующем десятилетии на рынке дебютируют батареи, оснащенные твердотельными элементами, плотность которых будет составлять 0,4 кВтч / кг. Они должны быть более безопасными, чем современные элементы с жидкими электролитами, и позволят нам как минимум удвоить удельную энергию батареи по сравнению с автомобилями, которые мы видим сегодня.

> Самая быстрая зарядка “электрика”? Toyota в … 2022 году

Это означает, что Сегодняшний Nissan Leaf, оснащенный звеньями будущего, сможет проехать 480 километров вместо 240 километров без подзарядки.. При этом размер аккумуляторного отсека и его вес сильно не изменится.

Примечание редактора: в приведенном выше списке мы описали электрические элементы, то есть основные элементы конструкции батареи. Ячейка может быть или не быть батареей – батарея обычно представляет собой набор ячеек, управляемых вспомогательным механизмом управления (BMS). Когда мы пишем «сейчас», мы имеем в виду продукты, которые только что появились на рынке. По понятным причинам ссылки в автомобильных приложениях отстают от настоящего времени на 1-3 года.

Это может вас заинтересовать: