Основной принцип работы любого аккумуляторного элемента — протекание в нем электрохимической реакции, т. е. при приложении к контактам элемента постоянного напряжения, на его пластинах (электродах) накапливается электрическая энергия, а при приложении нагрузки — происходит ее расходование. Протекает такая реакция на протяжении большого количества циклов заряда/разряда.
В зависимости от используемого материала электродов и применяемого типа электролита существуют различные вариации аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои особенности.
Какие бывают аккумуляторы?
1. Свинцовые и гелевые аккумуляторы
Несмотря на солидный возраст технологии, свинцовые аккумуляторы до сих пор применяются в системах резервного питания, автомобильном транспорте, системах накопления возобновляемых источников энергии.Для источников бесперебойного питания (ИБП) используют свинцовые аккумуляторы определенного типа. Такими аккумуляторами являются источники питания типа AGM (Absorbent Glass Mat), в которых абсорбированным электролитом (не жидким) пропитан специальный пористый мат из стекловолокна. К преимуществам свинцовых аккумуляторов относятся их низкая стоимость и возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды (от - 40 до + 40 °С). Иногда свинцовые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, ошибочно называют гелевыми. Это не так. На самом деле, гелевые аккумуляторы - отдельный тип свинцовых источников питания.
Гелевыми называются аккумуляторы, электролитом в которых выступает раствор серной кислоты в желеобразном состоянии. Принцип работы гелевого аккумулятора аналогичен принципу работы обычных свинцово-кислотных АКБ — заряженный источник медленно отдает заряд (применимо в солнечной энергетике, питании моторов кресел для инвалидов, гольф-каров и т.д.) . Во время этого процесса напряжение падает, а плотность электролита уменьшается. Гелевые источники питания требовательны к напряжению, силе тока, «глубине» разряда, поэтому использование нерегулируемых зарядок может испортить АКБ.
2. Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы
Практически все современные мобильные устройства оснащены литий-ионными аккумуляторами. Именно их разработка дала толчок к развитию легких и миниатюрных источников питания. Сильными сторонами Li-ion являются высокая плотность аккумулируемой энергии. Именно по этой причине эти аккумуляторы используются для электромобилей, самокатов, велосипедов, ручного электроинструмента и других устройств с электродвигателями.Стоит отметить, что «литий-ионный аккумулятор» — это обобщенное название целой группы электрохимических элементов, переносчиком заряда в которых выступают ионы лития. Разница заключается в составе материала катода и типе электролита.
Li-ion аккумуляторы при высокой удельной емкости обладают малым весом. Для их зарядки нужно не так много времени. У них практически отсутствует эффект памяти и саморазряд.
Свинцовые и гелевые VS. литий-ионные аккумуляторы в современных системах резервирования
1. Гелевые и свинцово-кислотные щелочные аккумуляторы - это все одна группа аккумуляторов, которая имеет высокий саморазряд по сравнению с литий-ионными (ЛИ). Если ЛИ будут иметь саморазряд в среднем 6% в течение года, то свинцово-кислотные такой же процент получат в течение дня. Поэтому системы резервирования, которые используют в качестве емкости питания гелевые или щелочные аккумуляторы, будут нуждаться в постоянной подзарядке, тем самым существенно снижая эффективность солнечной генерации.
2. Если дом подключен к внешней сети и система резервирования заряжена литий-ионными аккумуляторами, то, зарядившись, они больше не будут потреблять электроэнергию. Это одно из существенных преимуществ по сравнению с другими типами аккумуляторов.
3. Если вы подключите к системе резервирования на базе гелевых аккумуляторов солнечные панели, то основная часть полученной энергии будет расходоваться на заряд самих аккумуляторов. То есть не будет возможности использовать солнечную энергию в момент потребления.
4. С литий-ионными батареями ситуация иная. Солнечную энергию можно будет использовать и на питание нагрузки в моменте, и на подзарядку батарей, если они были разряжены. Батареи зарядятся намного быстрее при равных условиях, они будут сохранять заряд и не будут потреблять энергию в течение дня из-за низкого саморазряда. То есть все “солнечное” электричество будет направлено на нагрузку.
5. Системы ИБП с щелочными и гелевыми аккумуляторами требуют постоянной зарядки для поддержания собственной работы. Характеристики циклов заряда/разряда крайне низкие по сравнению с литий-ионом. По нашему опыту, применение этих аккумуляторов обосновано только при сроке резервирования не более 30 минут. Так при сроках резервирования час и более, количество АКБ существенно возрастает, а производительность уже через два года будет составлять менее 50% от первоначальной.
6. Литий-ионным аккумуляторам нужно минимум энергии для поддержания собственной работы, количество их циклов больше, в среднем, в 5 раз. Данные аккумуляторы в разы меньше по размерам и легче по весу, и не требовательны к глубине разряда.
Как это работает при эксплуатации
Расскажем на примере, как это работает. Представьте, у нас есть система 10 кВт*час на гелевых аккумуляторах (ГА) и у нас есть система 10 кВт*час на литиевых аккумуляторах (ЛИ). Система на ГА нам позволит питать нагрузку мощностью 3 кВт в течение часа. Причем через год это время сократится до 40 минут, а через два года это время упадет до 15 минут. То есть в среднем, через два-три года, такие аккумуляторы требуют замены, потому что они деградируют и держат мало заряда.
Литий-ионный аккумулятор, имеющий 10 кВт*час емкости, может отдать 100% в нагрузку. Соответственно, нагрузка в 3 кВт будет питаться от литий-ионных аккумуляторов почти 4 часа и через два года она также будет питаться 4 часа. Деградация наступит где-то на 7-8 год, в зависимости от модификации ЛИ аккумуляторов, но это не значит, что они перестанут работать. ЛИ смогут работать при 60% потери емкости (которая наступит на 15 год эксплуатации), при условии соблюдения “благоприятного режима” эксплуатации, и учетом полного разряда раз в день. В среднем, в течение первых 7 лет, ЛИ аккумуляторы редко уменьшают свою емкость более чем на 15%.
Во время разработки энергосистемы WATTS, у нас стояла задача найти технологию, которая позволила бы аккумулировать максимально возможный объем полезной энергии на кг веса. Около года мы анализировали различные модификации источников тока и подобрали для себя аккумуляторы LiNiMnCoO2 (известные как NMC), как наиболее энергоемкие с учетом параметров саморазряда и эффективной мощности. NMC обладают втрое большей энергоемкостью, чем LiFePO4 (LFP) и безопаснее чем NCA (LiNiCoAlO2).
Типы Li-ion батарей, используемых в модулях WATTS:
1. NMC. Имеет хорошие общие характеристики и превосходит другие типы по удельной энергии. Этот вид аккумуляторов является предпочтительным для электромобилей и имеет самую низкую скорость самонагрева.
Источник: Boston Consulting Group
2. LFP. Литий-фосфат обладает высокой безопасностью и длительным сроком службы, но умеренной удельной энергией и повышенным саморазрядом.
Источник: Cadex
3. NCA. Этот тип аккумуляторов отличает высокая плотность энергии и мощности, а также долгий срок службы. Отрицательные характеристики - предельная безопасность незначительная.
Источник: Cadex
Таким образом, опираясь на наш опыт, наиболее эффективными, безопасными и качественными аккумуляторами для систем резервирования являются литий-ионные аккумуляторы. Они оптимальные по характеристикам, заряду-разряду, и сроку службы.
И в конце хочется подытожить, что один из важнейших принципов нашей работы - это забота об экологии и окружающей среде. Поэтому, мы занимаемся утилизацией литий-ионных аккумуляторов, так как понимаем, что они, как и любые электрохимические источники тока, наносят существенный вред почве и воздуху, если их выбрасывать как обычный бытовой мусор. Мы -за безопасную окружающую среду и безопасные системы резервирования.