Специалисты Neovolt отвечают на вопросы наших читателей: все, что вы хотели знать про батареи

- Почему в ноутбуках нет кнопки для физического отключения батареи при работе от сети?

- В ноутбуках нет кнопки для физического отключения батареи при подключении к сети, поскольку резкое отключение питания может привести к повреждению подсистемы памяти или других компонентов. Кроме того, не все модели ноутбуков способны работать без аккумулятора, энергия которого иногда используется в ресурсоёмких приложениях для дополнительного питания вычислительной подсистемы. Ноутбук — это технически сложное устройство, которое следует использовать так, как это задумали инженеры и описали в руководстве пользователя.

Как правильно заряжать устройства

- Как оптимально осуществлять процессы заряда, разряда, хранения аккумуляторов мобильных телефонов, электромобилей? Какие принимать глубину разряда, мощность, температуру?

- Литий-ионная технология позволяет заряжать устройство как удобно, когда удобно и сколько удобно — обо всём заботится контроллер. Главное не заряжать при температуре ниже 0°C (защита от такой зарядки может быть только программная, например, в ОС самого смартфона по датчику температуры — тогда отображается уведомление «Батарея слишком холодная»).

Для максимальной продолжительности срока службы литий-кобальтовых аккумуляторов смартфонов и других мобильных устройств (планшетов, ноутбуков) оптимальна глубина разряда (DoD) в 60%. Однако на практике это будет означать, что вы заряжаете до 70%, а разряжаете до 30%, что неудобно.

Такая отсечка включается в пункте настроек батареи и обычно называется «Умная зарядка» или «Ночная зарядка», когда заряд с 80% до 100% продолжится по заранее предписанной программе). Подобные настройки предусмотрены на новых смартфонах (таких как iPhone 13 или новые Galaxy S22), на старых или бюджетных устройствах обычно ничего подобного нет.

- С точки зрения срока службы аккумулятора, как и когда лучше выполнять заряд и разряд накопителя? Зависит ли старение от мощности и глубины разряда в каждом цикле?

- Всё зависит от типа аккумулятора. Для мобильных устройств с LCO-ячейками глубина разряда и мощность влияют на срок службы. Если на корпусе или в характеристиках указано «Li-ion», «Li-Polymer» или «Li-ion Polymer», то заряжайте при 15%-20%, когда появляется уведомление, а без необходимости не заряжайте выше 80%. Не оставляйте надолго в розетке при 100%-м заряде. Для NiMH и NiCd важным фактором является регулярность тренировочных циклов разряд-заряд и способ хранения (у NiMH с зарядом выше 50%, а у NiCd, наоборот, с минимальным зарядом ниже 20%).

Существует очень много нюансов, если щепетильно относиться к этому вопросу. Так или иначе производители постарались сгладить все краеугольные моменты, чтобы пользователю было комфортно работать с устройством весь заложенный в него срок службы при любых очевидных сценариях эксплуатации.

- Существуют ли критически важные особенности (действия, порядок) при разряде/заряде Li-on АКБ, при их длительном хранении? Каковы эти особенности? Как влияет на дальнейший срок эксплуатации и энергоэффективность АКБ соблюдение всех этих требований? 

- Не заряжайте при t<0°C, не грейте выше +45°С, храните с зарядом 40%-60%, тогда аккумулятор Li-ion прослужит более 500 циклов заряд-разряд, не вздуется и не воспламенится произвольно.

- Насколько сильно коррелируют между собой саморазряд и температура окружающей среды для литий-ионных аккумуляторов?

- Для литий-ионных аккумуляторов саморазряд увеличивается при повышении температуры и уровне заряда. То есть при 100%-м заряде саморазряд Li-ion составит 6% в условиях температуры 0°C и 35% в условиях +60°C. При 40%-м заряде саморазряд Li-ion составит 2% в условиях 0°C и 15% в условиях +60°C. Такие исследования проводил Технический университет Мюнхена.

- Имеется ли зависимость электротехнических параметров современных Li-on АКБ от температуры окружающей среды в месте эксплуатации?

- В теории в более жарком климате износ литий-ионных аккумуляторов происходит быстрее. На практике исследований по сравнению эксплуатации Li-ion в северных странах и экваториальных не производилось. Такие исследования были для свинцово-кислотных аккумуляторов, где срок службы был больше в более холодном климате, что указывается производителями в мануалах и на чём основываются спецификации производства электролита свинцово-кислотных АКБ.

Перспективы развития электротранспорта

- Как вы считаете, насколько перспективно развитие электротранспорта? Будем ли мы через 100 лет все ездить не электрокарах при текущих трендах? Какие есть сдерживающие факторы и насколько они серьезны?

- Электротранспорт является перспективным направлением развития, но есть несколько сдерживающих факторов, которые могут помешать его широкому распространению в ближайшие 100 лет. Самый серьезный — это стоимость аккумуляторов, которую необходимо понижать, чтобы сделать электромобили более доступными. Другие факторы включают отсутствие зарядной инфраструктуры и высокую стоимость её развития, а также выбросы от производства электромобилей и их питания (например, угольными электростанциями). Если эти проблемы удастся решить, то у электротранспорта есть все шансы стать мейнстримом.

- Судя по опыту эксплуатации гаджетов, а также по паспортным данным некоторых промышленных моделей накопителей, литий-ионные аккумуляторы теряют заряд при работе с температурой окружающей среды ниже нуля. Всегда ли это так? Накладывает ли это ограничение на использование электромобилей в странах с холодным климатом?

- В отличие от LCO-ячеек аккумуляторов смартфонов, которые более всех электрохимических систем чувствительны к низким температурам (то есть ниже 0°C), в электромобилях помимо кобальта применяются системы с никелем и марганцем для улучшения характеристик температурной стойкости батареи.

При сильных морозах (ниже -20°C) ёмкость таких ячеек обратимо снижается (уменьшается дальность хода). Однако они всё равно страдают от утолщения анода и литиевого покрытия при попытке заряжать в условиях низких температур ниже 0°C (происходит уже необратимая потеря емкости). Чтобы электромобили можно было заряжать зимой (например, в северных странах) производители предусмотрели систему подогрева тяговой батареи до t>0°C, когда вы подключаете кабель зарядки.

Как проверить емкость и разряд аккумулятора

- Купил на Алиэкспресс аккумулятор для сегвея. Как простым способом проверить его емкость на соответствие заявленной?

Вы можете проверить тестером кулоновским методом — сколько энергии аккумулятор взял и сколько отдал.

- Существуют ли математические модели, позволяющие расчетно оценить деградацию (потерю располагаемой емкости) АКБ в процессе функционирования с учетом особенностей режимов: глубины разряда, передаваемой мощности, окружающей температуры? Применяются ли подобные "счетчики" при работе реальных систем?

- Да, такие модели разработаны и активно используются в исследованиях Стэнфорда, Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского института Toyota (TRI), Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), Национальной лаборатории ускорителей (SLAC NAL) и многих других научных структурах.

Самый современный алгоритм выведен методом машинного обучения и описывается в научной работе: «Оптимизация протоколов быстрой зарядки аккумуляторов с обратной связью с помощью машинного обучения» (документ s41586-020-1994-5). Данная модель позволяет прогнозировать степень деградации аккумулятора при различных способах зарядки. С её помощью сегодня разрабатываются самые оптимальные протоколы зарядки электромобилей в целях максимального увеличения срока службы тяговой батареи.

-  Насколько острым является вопрос старения накопителей существующих систем?

- Для производителей электроники существующие сроки службы аккумуляторов вполне соответствуют заложенным в продукцию эксплуатационным ресурсам и не являются какой-либо проблемой, которую нужно решать. Однако у стареющих литий-ионных аккумуляторов больше риск повреждения или выхода из строя, чем у более свежих. Это основная проблема производителей электромобилей, которые стремятся достичь сравнимого с автомобилями на ископаемом топливе срока службы. Вот для них срок службы — это острый вопрос. И именно благодаря электромобилям сейчас проводятся дорогостоящие исследования новых материалов электродов и электролитов.

- Известна ли цифровая/математическая модель, позволяющая рассчитывать (оценивать) остаточную емкость аккумуляторных батарей в процессе эксплуатации (учитывая при этом характер эксплуатации, количество циклов разряда/заряда и окружающую температуру)?

- Температура и количество циклов разрядки/зарядки — два важных фактора, которые необходимо учитывать при прогнозировании срока службы батареи. Производители электроники часто предоставляют информацию о том, сколько циклов уже израсходовано. Иногда (как в некоторой технике Apple или Toshiba) применяется кулоновский метод измерения тока разряда с интеграцией на всё время разряда, что при известном номинальном значении емкости может показать остаточную емкость в процентах, которую маркетологи назвали «максимальной емкостью».

Стоимость батарей и запасы природных ресурсов

- Примерно до 2019 года средняя стоимость кВт*ч литий-ионного аккумулятора уменьшалась. Что происходит со стоимостью литий-ионных аккумуляторов сейчас? Как влияет на неё рост цен на литий?

- В 2022 году рост цен на литий достигал +572%. Стоимость на пике выросла с $13 400 долларов в 2021 до $32 600 в январе 2022 и до $76 700 в марте (данные Benchmark Mineral Intelligence). Cнижения цен не прогнозируют, согласно последним отчётам КНР с 20% мирового лития. Соответственно, химия для литий-ионных аккумуляторов, которую нам поставляют из Южной Кореи, Японии и Китая, также дорожают все последние месяцы.

- Хватит ли природных ресурсов для производства литий-ионных аккумуляторов в соответствии с планами по их более широкому применению (в автомобилестроении, системах накопления энергии и других)?

- Для аккумуляторов сейчас используют литий самого высокого качества. Его производство дорого стоит, так как сложно извлекать из руды. Запасов лития в ней 86 миллионов тонн (хватит на 286 лет). Наиболее многообещающая разработка сейчас - технология литиевых батарей, для которой подойдёт литий меньшего качества (например, добытый путём опреснения морской воды, где запасы на 760-1500 лет). Что касается других материалов, например, никеля и кобальта, то им нашли альтернативу в литий-железо-фосфатных батареях (уже массово производятся и стремительно развиваются по ёмкости), а также в твердотельных (уже существуют, но пока не налажено производство).

- Достаточен ли запас природных ресурсов в мире для производства Li-on батарей с учетом того, что в последние годы увеличиваются объемы и сферы применения АКБ и средств накопления ЭЭ?

- При существующих технологиях запасов достаточно на две-три сотни лет. При прогнозируемом совершенствовании технологий запасов хватит на тысячу лет.

- Какова средняя стоимость 1 кВт*ч Li-ion на данный момент с учетом всех технологических особенностей? Какая ценовая тенденция, по вашему мнению, будет в ближайшие 5 лет: либо это дальнейшие снижение – тем самым АКБ станут еще более доступнее, или же с ростом цен на сырье стоимость батарей пойдет вверх?

- Цена кВт·ч Li-ion зависит от рынка сбыта. В 2022-м году глобальные геополитические изменения создали условия, когда стало сложно отслеживать эти показатели, отчего специалисты пока не спешат делать прогнозы. Известно одно — для общего процветания должно быть перманентное снижение этой стоимости. Если этого не происходит, то развитие электротранспорта и портативной электроники стагнирует.

Безопасность аккумуляторов и вопросы экологии 

- Что вы можете сказать по поводу взрывоопасности и пожароопасности современных литий-ионных аккумуляторных батарей?

- Если литий-ионная батарея исправна (не бракованная, не повреждена, не вздулась, не старше 3 лет, не находится в глубоком разряде), оснащена контроллером и заряжается от совместимого зарядного устройства при температуре выше 0°C, то риск теплового разгона (который выглядит как взрыв) практически нулевой. Все опасные химические реакции в Li-ion и Li-Polymer связаны исключительно с повреждениями, износом и коротким замыканием.

Последнее происходило с печально известными смартфонами Galaxy Note 7, когда компания Samsung пошла на смелый эксперимент создания свободных форм LCO-ячеек. Инженеры просчитались, создав слишком тонкие места на загибах пласта слоёв анода, сепаратора и катода — именно здесь происходили короткие замыкания с последующим тепловым разгоном.

- Есть ли у современных АКБ особые требования по пожаро-взрыво безопасности?

В исправном состоянии и при штатной эксплуатации абсолютно безопасны. Особые требования существуют к перевозке, из-за чего, например, грузы с литий-ионными батареям по правилам IATA нельзя перевозить вне электроники авиатранспортом, а только наземным. Последние годы решается вопрос ограничений и при перевозке Li-ion контейнерными грузами.

- Есть ли оценки ущерба экологии от использования литий-ионных аккумуляторов?

- Проводятся исследования, в результате которых выявлено, что химические вещества внутри литий-ионных аккумуляторов, если их не утилизировать должным образом, способны загрязнять почву и грунтовые воды и вызывать проблемы со здоровьем у людей, которые вступают с ними в контакт. По этой причине существует потребность всех государств мира в улучшенной инфраструктуре переработки для обращения с отходами литий-ионных аккумуляторов.

Как утилизировать батареи

- В каком состоянии находится вопрос по переработке и рециркуляции аккумуляторов?

- В настоящий момент самые эффективные в мире методы переработки у китайских компаний. Последние 2 года их активно догоняют в США.

В России пока нет унифицированного технологического процесса переработки — развитие в этом секторе может продлиться десятилетие в условиях отечественной экономики. Но многие компании ищут способы изменить ситуацию. Например, мы разрабатываем свой собственный проект переработки для повторного использования литиевых аккумуляторов в промышленности под узнаваемым брендом.

Аккумуляторы будущего

- Возможно ли ещё большее увеличение емкости у литий-ионной технологии?

- Да, с помощью исследований литий-ионной технологии можно ещё больше увеличить ёмкость, включая использование различных химических веществ и улучшение производственного процесса. Однако не все исследования оказываются эффективными. О многих из них мы слышали лишь однажды на этапе привлечения инвестиций.

- Что придет на смену литиевым аккумуляторам в потребительском сегменте и когда?

- Фактически никто не знает. На данный момент более совершенными электрохимическими системами, чем массовые LCO (смартфоны) и NMC (электротранспорт) считаются LFP (пока страдают емкостью, но совершеннее в остальном) и LTO (пока слишком дорого производить). Большие надежды строятся вокруг твердотельных Li-ion (уже существуют, но очень дорогие) и технологии применения менее качественного лития (добытого альтернативными путями). Всё сказанное выше актуально как прогноз массового применения уже в ближайшие 2-3 года.

- Все время на слуху литий-ионные аккумуляторы. Какие есть новые технологии в этой отрасли? Какую перспективную замену им вы видите?

- Помимо литий-ионных, на горизонте есть ряд новых аккумуляторных технологий. Например, натрий-ионные, где вместо ионов лития используются ионы натрия. Это может быть более доступным вариантом для батарей, так как натрий дешевле лития.

Другая технология называется магниево-ионной, в которой также используются ионы магния. Магний даже дешевле, чем натрий, и имеет более высокую плотность энергии, чем ионно-литиевые батареи. Кроме того, продолжаются разработки традиционных свинцово-кислотных и никель-металлогидридных аккумуляторов. 

- Что думаете про Redox накопители?

- Окислительно-восстановительные батареи Redox имеют невыгодное положение сейчас, потому что они могут разряжать только ограниченное количество энергии, они не так эффективны, как другие типы батарей, и требуют большего обслуживания.