Насущная потребность людей в хранении электрической энергии привела к появлению технологии аккумуляторов. С изменением потребностей технология батарей обновляется и совершенствуется быстрыми темпами.
Развития технологий сталкиваются с такими ограничениями, как ограниченность пригодных материалов и технический барьер. Также всегда стоит вопрос о том что батареи загрязняют окружающую среду.
Одноразовые батарейки не только загрязняет окружающую среду, но и требует частой замены, что очень неудобно. Большим шагом вперед стало появление вторичных батарей.
Литий-ионный аккумулятор (LIB)
Литий-ионный аккумулятор (LIB) - это высокоэффективная перезаряжаемая батарея, принцип действия которой основан на перемещении ионов лития между положительным и отрицательным электродами. Этот тип батареи состоит из четырех основных частей: положительного электрода (литийсодержащее соединение), отрицательного электрода (углеродный материал), электролита и диафрагмы. В соответствии с различными материалами катода литий-ионные батареи можно разделить на различные типы, такие как кобальтат лития, манганат лития, фосфат железа лития и тернарные батареи. Они широко используются в бытовой электронике, новых энергетических транспортных средствах и системах хранения энергии.
Принцип работы литий-ионных батарей в том, что ионы лития удаляются во время зарядки от плюса и перемещаются через электролит к минусу. Там они встраиваются в материал отрицательного электрода. Далее происходит следующий цикл - цикл разрядки - когда из отрицательного электрода ионы снова встраиваются в положительный электрод во время разрядки.
Этот тип батарей очень популярен на рынке благодаря высокой плотности энергии, длительному сроку службы и возможности работы при высоких и низких температурах.
В нашем ассортименте также есть повербанки на основе литий ионных батареек. В первую очередь наши компактные повербанки GoGadget Boost 5 и GoGadget Boost 10 rev.2 22,5 и GoGadget Boost 10 Plus 35
Более наглядно и подробно об этом процессе вы можете прочитать в нашей статье по ссылке. В этот статье проиллюстрирован вес процесс зарядки и разрядки аккумулятора, а также вкратце рассказывается история создания батарей.
В последние годы мировой рынок поставок литий-ионных батарей продолжает расти, и в 2022 году объем поставок литиевых батарей достигнет 957,7 ГВт-ч, увеличившись на 70,3% в годовом исчислении, причем особенно значительный рост наблюдается в области батарей для электропитания и хранения энергии. В Китае, являющемся важным мировым производителем и экспортером литиевых батарей, объем поставок литиевых батарей в 2022 году достиг 750 ГВт-ч, увеличившись за год более чем на 130 %.
Технологическое развитие литий-ионных батарей также прогрессирует, включая применение новых материалов и разработку новых продуктов. Например, быстро разрабатываются инновационные продукты, такие как батареи с высоким содержанием никеля и низким содержанием кобальта, батареи с кремниевым анодным материалом и твердотельные батареи, что повышает производительность и безопасность батарей.
Основными показателями эффективности литий-ионных батарей являются емкость батареи, внутреннее сопротивление, напряжение, время разрядной платформы, множитель заряда/разряда, скорость саморазряда, эффективность и срок службы цикла. Эти показатели определяют область применения аккумуляторов и их производительность.
Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)
Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы - это ранние и широко распространенные перезаряжаемые батареи, в которых в качестве электродных материалов используются оксид никеля и кадмия, а в качестве электролита - гидроксид калия. Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают рядом преимуществ, среди которых способность выдерживать разряды большой силы тока, высокая устойчивость к перезарядке и разрядке, простота обслуживания и низкая скорость саморазряда. Эти батареи могут повторять зарядку и разрядку более 500 раз, они экономичны и долговечны, а их напряжение при разрядке меняется очень незначительно, что делает их очень подходящими для источников постоянного тока.
Принцип работы никель-кадмиевого аккумулятора основан на химической реакции между гидроксидом никеля на положительном электроде и кадмием на отрицательном электроде. Во время разряда кадмий на отрицательном электроде реагирует с гидроксид-ионами в гидроксиде натрия, образуя гидроксид кадмия и высвобождая электроны, а диоксид никеля на положительном электроде реагирует с водой, образуя гидроксид никеля и гидроксид-ионы. Процесс зарядки происходит в обратном порядке: под действием электрического тока гидроксид кадмия и гидроксид никеля возвращаются в исходное состояние.
Однако никель-кадмиевые батареи имеют и некоторые недостатки. Наиболее заметным является «эффект памяти», если батарея не полностью разряжена перед зарядкой, длительное использование приведет к уменьшению емкости батареи. Кроме того, кадмий токсичен, представляет угрозу для окружающей среды и здоровья человека, поэтому использование никель-кадмиевых аккумуляторов было ограничено и постепенно прекращено.
Области применения никель-кадмиевых аккумуляторов включают портативную электронную технику, профессиональное оборудование для фотоаппаратов, электроинструменты, системы аварийного освещения, резервное питание телекоммуникаций и системы хранения солнечной энергии. Они сохраняют свою работоспособность в течение длительного времени, и могут использоваться в широком диапазоне температур.
Cвинцово-кислотная батарея
Свинцово-кислотные аккумуляторы - это широко распространенные перезаряжаемые батареи, известные своей простой конструкцией, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Они состоят из свинца и оксида свинца в качестве электродных материалов и серной кислоты в качестве электролита, а процесс зарядки и разрядки происходит за счет электрохимических реакций. Свинцово-кислотные батареи способны обеспечить стабильный источник постоянного тока с высокой скоростью разряда и возможностью глубокого цикла, и особенно подходят для использования в качестве стартового источника питания для автомобилей и системы резервного питания. Однако их относительно низкая плотность энергии приводит к тому, что тяжелые батареи содержат опасные вещества и требуют безопасной переработки и утилизации.
Несмотря на ограничения свинцово-кислотных батарей в плане портативности и плотности энергии, они остаются конкурентоспособными в конкретных областях применения, особенно там, где требуется высокая надежность и экономичность. С ростом экологической осведомленности и технологическими разработками процессы производства и переработки свинцово-кислотных батарей оптимизируются для снижения их воздействия на окружающую среду. В то же время технология свинцово-кислотных батарей продолжает развиваться, например, за счет улучшения материалов и конструкции, что позволяет повысить производительность и срок службы и обеспечить их актуальность в контексте современных требований к энергоснабжению.
Другие типы
Существует множество типов вторичных батарей, в дополнение к двум приведенным выше примерам, есть натриево-серные батареи, литиево-серные батареи и другие типы.
Принцип работы
Принцип работы вторичных аккумуляторов также основан на преобразовании химической и электрической энергии. В процессе зарядки и разрядки химические реакции внутри батареи являются обратимыми, что позволяет ей проходить многократные циклы зарядки и разрядки. При разрядке химическая энергия преобразуется в электрическую и высвобождается; при зарядке электрическая энергия заставляет химическую реакцию идти в обратном направлении, подготавливая батарею к следующему разряду.
Возьмем, к примеру, литий-ионный аккумулятор - вот как он работает:
Наглядно в формате кратких видео весь процесс представлен в нашей статье по ссылке .
Характеристики вторичных аккумуляторов
Вторичные батареи, также известные как перезаряжаемые батареи или аккумуляторы, могут заряжаться и использоваться снова после разряда посредством обратимой химической реакции, что имеет широкий спектр применения и занимает важное место на рынке. Ниже перечислены основные характеристики вторичных батарей:
Перерабатываемые
По сравнению с одноразовыми батареями важнейшей особенностью вторичных аккумуляторов является возможность многократной зарядки и разрядки для последующей переработки, что делает их более экономичными и экологичными при длительном использовании. Также благодаря этой особенности вторичные батареи имеют отличный от других батарей основной параметр - срок службы цикла, который служит показателем пригодности батареи к переработке.
Высокая эффективность преобразования энергии
Вторичные батареи должны заряжаться и разряжаться циклически, что требует высокой эффективности преобразования энергии, чтобы производительность не снижалась слишком быстро после многих циклов. Поэтому электролит, материалы положительного и отрицательного электродов должны обладать высокой эффективностью, чтобы эффективно преобразовывать накопленную химическую энергию в электрическую.
Разновидности
Существует множество типов вторичных аккумуляторов, включая литий-ионные, никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, свинцово-кислотные и т.д., и разные типы имеют различные эксплуатационные характеристики и области применения.
Широкий спектр применения
Вторичные батареи широко используются в портативных электронных устройствах, электромобилях, системах хранения энергии, аэрокосмической промышленности, медицинском оборудовании и других областях благодаря возможности вторичной переработки, хорошей эффективности преобразования энергии и общей экономической чистоте, поэтому они имеют широкий спектр применения.
Области применения
Портативные электронные устройства
Вторичные батареи играют важную роль в портативных электронных устройствах, обеспечивая необходимую мобильную энергию, которая позволяет носить с собой и использовать такие устройства, как смартфоны, ноутбуки, планшеты и т. д., вдали от стационарных источников питания. Обладая высокой плотностью энергии и длительным сроком службы, эти батареи отвечают требованиям современных электронных устройств к компактности и длительному времени работы. По мере развития технологий вторичные батареи становятся все более безопасными, а усовершенствование возможностей быстрой зарядки значительно повышает удобство использования.
Кроме того, с появлением носимых устройств спектр применения вторичных батарей еще больше расширился. Эти устройства часто предъявляют особые требования к форме, размеру и интеграции батареи, что стимулирует разработку полностью твердотельных батарей и других новых технологий. Благодаря своей высокой безопасности и гибкости, полностью твердотельные батареи предоставляют разработчикам большую свободу дизайна, помогая персонализировать и функционализировать устройства. В то же время дальнейшая миниатюризация и уменьшение веса вторичных батарей способствуют развитию портативных электронных устройств, повышая их производительность и расширяя спектр применения.
Электромобили (EV)
Вторичные батареи играют важную роль в электромобилях (EV), где они являются основным источником энергии для транспортного средства. Обладая высокой плотностью энергии и мощности, эти батареи способны обеспечить быструю зарядку и большой запас хода, удовлетворяя потребность в эффективном хранении энергии в современных электромобилях. По мере развития технологий вторичные батареи, в том числе литий-ионные, становятся все более безопасными, надежными и долговечными. Кроме того, производители батарей работают над дальнейшим улучшением их характеристик за счет новых материалов и конструктивных инноваций, чтобы не отставать от стремительного роста рынка электромобилей.
Между тем, с ростом популярности электромобилей переработка и повторное использование батарей также стали предметом пристального внимания промышленности. Вышедшие из эксплуатации батареи электромобилей все еще сохраняют значительную часть своей энергоемкости, которая может быть использована в других ситуациях, таких как системы хранения энергии и резервного питания, для достижения градиентной утилизации батарей. Это не только помогает снизить общую стоимость использования батарей, но и является важным способом содействия устойчивому развитию энергетики и циркулярной экономики. Правительство и предприятия работают над оптимизацией процесса переработки батарей, повышением коэффициента утилизации ресурсов и снижением воздействия на окружающую среду, разрабатывая политику и изучая инновационные модели.
Системы хранения энергии
Использование вторичных батарей в системах накопления энергии крайне важно, так как они обеспечивают эффективное управление энергией. Эти батареи сглаживают прерывистую мощность возобновляемых источников энергии, повышая стабильность и надежность сети и обеспечивая необходимую энергетическую поддержку во время пиковых нагрузок на сеть. Благодаря технологическому прогрессу, особенно снижению стоимости, использование вторичных батарей для хранения энергии быстро растет, активно поддерживается политикой и, как ожидается, продолжит расти высокими темпами в ближайшие годы.
В то же время появляются новые технологии хранения энергии, такие как накопители энергии на сжатом воздухе, жидкостные проточные батареи и натриево-ионные батареи, что еще больше стимулирует рынок накопителей энергии. Хотя в процессе быстрого развития могут возникнуть такие проблемы, как избыток мощностей, торговые барьеры и адаптация международных стандартов, в целом применение вторичных батарей в системах хранения энергии является многообещающим и, как ожидается, будет играть еще более важную роль в глобальной энергетической трансформации и модернизации.
Военная и аэрокосмическая промышленность
Вторичные батареи, особенно литий-ионные, широко используются в военной технике, такой как переносные боевые системы, подводные лодки, торпеды и беспилотные летательные аппараты, благодаря высокой плотности энергии, высокому напряжению, длительному сроку службы и хорошим показателям безопасности. Они обеспечивают долговечный и стабильный источник энергии, снижают вес солдат и повышают оперативную гибкость и мобильность.
На космических аппаратах вторичные батареи, являясь важной частью системы электропитания, обеспечивают стабильную электрическую энергию для полезной нагрузки и различных сервисных систем. Литий-ионные батареи постепенно вытесняют традиционные кадмиево-никелевые и никель-водородные аккумуляторы на космических аппаратах благодаря высокой удельной энергии и длительному сроку службы. Они используются не только в небольших зондах, но и в крупном космическом оборудовании, таком как Международная космическая станция
Медицинское оборудование
Вторичные батареи играют важнейшую роль в медицинском оборудовании, где они обеспечивают стабильное и надежное питание широкого спектра портативных и стационарных медицинских приборов. К таким устройствам относятся кардиостимуляторы, дефибрилляторы, мониторы уровня глюкозы в крови, портативные аппараты УЗИ, электрокардиографы и многое другое. Хотя высокая плотность энергии и длительный срок службы вторичных батарей делают их идеальными для медицинских приборов, они должны соответствовать строгим стандартам безопасности и производительности, чтобы обеспечить надежность в критически важных медицинских приложениях.
В медицинской сфере вторичные батареи разрабатываются и производятся в соответствии с особыми правилами безопасности и стандартами сертификации, такими как IEC 62133, UL 2054, ISO 13485 и IEC 60601-1. Эти стандарты касаются биосовместимости батарей, их безопасности и специальных требований при использовании вблизи пациентов. Производители батарей для медицинских приборов должны гарантировать, что их продукция разработана, изготовлена и обслуживается в соответствии с этими строгими требованиями безопасности и производительности, чтобы снизить риск для пациентов и обеспечить безопасное использование. Кроме того, батареи должны быть адаптированы к условиям окружающей среды, таким как высокая температура, низкая температура и высокая влажность, чтобы соответствовать различным сценариям использования в медицине.
Состояние рынка и будущие тенденции
Текущие и будущие тенденции рынка вторичных батарей могут быть проанализированы с точки зрения глобального размера рынка, тенденций развития технологий, а также влияния политики и нормативных актов.
Анализ объема мирового рынка
Во-первых, с точки зрения объема мирового рынка, отрасль вторичных батарей находится на стадии бурного развития. По мере трансформации глобальной энергетической структуры и роста спроса на устойчивую энергию расширяется применение вторичных батарей в различных областях, что стимулирует быстрый рост рынка. Например, увеличение спроса на портативные электронные устройства, электромобили и системы хранения возобновляемой энергии привело к новому витку роста в отрасли вторичных батарей. Ожидается, что в ближайшие годы этот рынок продолжит расти высокими темпами.
Тенденции развития технологий
Во-вторых, с точки зрения тенденций технологического развития, технология вторичных батарей продолжает прогрессировать, а плотность энергии, срок службы и безопасность значительно улучшились. Литий-ионные батареи доминируют благодаря высокой энергетической плотности, низкой скорости саморазряда и лучшим характеристикам цикла. В то же время появляются новые аккумуляторные технологии, такие как гибкие батареи и ферментные биотопливные батареи, которые открывают новое направление развития отрасли. Развитие этих технологий не только улучшает характеристики батарей, но и дает возможность решить проблемы воздействия на окружающую среду и устойчивости батарей.
Последствия для политики и регулирования
Наконец, влияние политики и нормативных актов не менее важно для развития индустрии вторичных батарей. Например, введение в действие нового закона ЕС о батареях оказало огромное влияние на производителей батарей и индустрию медицинского оборудования, в которой используются батареи. В новом законодательстве особое внимание уделяется безопасному использованию и обращению с батареями, а также устанавливаются новые требования к съемности, заменяемости и утилизации отработанных батарей. Реализация этих правил может увеличить нагрузку на производителей медицинского оборудования, повлиять на дизайн устройств, политику ESG и операции по утилизации отходов. В то же время эти нормы стимулируют развитие отрасли в более экологичном и устойчивом направлении.
Полная замена батарей
Вторичные батареи все чаще становятся ключевой технологией хранения энергии в современном обществе. Благодаря возможности вторичной переработки, высокой эффективности преобразования энергии, разнообразию типов, широкому спектру применений и экологичности, они поддерживают развитие многих отраслей промышленности, от портативных электронных устройств до электромобилей, от систем хранения энергии до военной и аэрокосмической. Благодаря постоянному технологическому прогрессу, особенно быстрому развитию литий-ионных батарей, плотность энергии, срок службы и безопасность вторичных батарей значительно повысились, что еще больше укрепило их позиции на рынке.
В настоящее время мировой рынок вторичных батарей переживает период бурного роста, чему способствуют трансформация структуры мировой энергетики и рост спроса на устойчивые источники энергии. Технологические инновации, включая применение новых материалов и разработку новых продуктов, способствуют улучшению характеристик батарей и снижению их стоимости. В то же время положительное влияние политики и нормативных актов, таких как введение в действие нового закона ЕС о батареях, направляет отрасль в более экологичное и устойчивое русло, а также ставит перед производителями медицинских изделий новые задачи и требования.
