Однако очень важно выбрать правильную технологию батареи, чтобы обеспечить безопасность, долговечность и эффективность этих автомобилей.

  • 15 марта 2023 21:15:07
  • Отзывов: 0
  • Просмотров: 218
  • 0

Останніми роками дослідники та науковці невтомно працювали над розробкою нових технологій батарейних елементів, які могли б задовольнити потреби в енергії майбутнього, а також були економічно ефективними та безпечними для навколишнього середовища. Батареї LFP (LiFePO4) вже є основними для електромобілів і мають приблизно подвійний термін служби порівняно з батареями NMC. Водночас Na-іонні батареї додатково підвищать безпеку, температурний діапазон і будуть істотно дешевшими.

Для електровелосипедів і легких електромобілів (LEV) літієві батареї стали кращим вибором через їх доступність і екологічність. Однак дуже важливо вибрати правильну технологію батареї, щоб забезпечити безпеку, довговічність і ефективність цих автомобілів.


Акумуляторні блоки LFP важать лише на 11% більше, ніж блоки NMC, тому немає вагомих причин для виправдання заборони їх використання для електровелосипедів. – Фото Shutterstock


Акумуляторні блоки LFP важать лише на 11% більше, ніж блоки NMC, тому немає вагомих причин для виправдання заборони їх використання для електровелосипедів. – Фото Shutterstock
 

Літій-залізо-фосфорні батареї LFP

 

Незважаючи на ряд переваг літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів над іншими варіантами, багато хто в індустрії електровелосипедів досі дотримуються застарілих переконань, що LFP занадто дорогий і важкий. Тут ми надамо підтверджені факти, щоб розвіяти ці помилкові уявлення. По-перше, акумулятори LFP відомі своєю безпекою. На відміну від інших типів літій-іонних батарей (зокрема NMC), батареї LFP не страждають від теплових розбігів, які можуть призвести до вибухів або пожеж. Крім того, вони мають високий допустимий температурний діапазон і не чутливі до перенапруги, що робить їх ідеальними для електровелосипедів (та інших LEV).
 

По-друге, батареї LFP пропонують подовжений термін служби порівняно з іншими літій-іонними батареями. Приблизно подвоєння терміну служби традиційних технологій літій-іонних акумуляторів означає, що акумулятори LFP працюють довше, перш ніж потребуватиме заміни. Нарешті, якщо порівнювати більші форм-фактори елементів LFP з елементами 18650 NMC, які зазвичай використовуються в електромобілях (EV), вони пропонують лише трохи нижчу щільність енергії, але з покращеною безпекою та перевагами тривалості служби.
 

Виробники електромобілів обирають LFP
 

Протягом останніх років Tesla була в авангарді використання технології LFP. Станом на 2022 рік більше 50% акумуляторів Tesla були LFP. Зараз цю тенденцію наслідують багато інших виробників електромобілів, такі як NIO Inc., BYD Company Ltd., General Motors Company (GM) і Renault SA, які також впроваджують цю технологію у свої автомобілі.
 

Підсумовуючи, блоки батарей LFP на даний момент є найкращим вибором для LEV завдяки їхнім функціям безпеки, подовженому терміну служби та аналогічній щільності енергії, якщо порівнювати блоки батарей на основі NMC (та подібні) на основі 18650 елементів із більшими форм-факторами, можливими (і тим часом поширеними) з LFP. Провідна роль Tesla в розробці технології LFP проклала шлях багатьом іншим виробникам електромобілів наслідувати її приклад і використовувати цю технологію у своїх продуктах.


Удосконалення в технології акумуляторів LFP
 

Станом на березень 2023 року акумуляторні блоки LFP стали дуже конкурентоспроможними з точки зору безпеки та довговічності з NMC та іншими подібними матеріалами, а також з точки зору ціни. Протягом останніх кількох років вартість акумуляторів LFP неухильно знижується, що робить їх доступнішими та доступнішими.


Удосконалення технології виробництва акумуляторів LFP призвело до покращення щільності енергії та ефективності, що призвело до ще нижчих витрат. У результаті експерти галузі погоджуються, що батареї LFP є життєздатною альтернативою NMC та іншим технологіям літій-іонних акумуляторів не лише для електровелосипедів, але й для інших застосувань.


Легкі електромобілі
 

Хоча ця стаття в основному присвячена електровелосипедам, представлена ​​тут інформація також стосується інших типів легких електромобілів (LEV). Оскільки різниця між електровелосипедами та іншими додатками LEV продовжує стиратися з часом (наприклад, електровелосипед високого класу може мати продуктивність, як у електросамоката низького класу), важливо зазначити, що переваги LFP батареї, про які йдеться в цій статті, стосуються всіх інших електромобілів, включаючи вантажні електровелосипеди.


Обчислення щільності енергії NMC 18650 проти LFP 33140
 

Існує стійкий міф про те, що батареї LFP занадто важкі та дорогі для використання в електровелосипедах. Однак це помилкове уявлення вже не є точним і сягає корінням у минулу епоху. Завдяки технологічному прогресу акумулятори LFP стали життєздатним і економічно ефективним варіантом для виробників електровелосипедів.


Вага клітинки NMC 18650 становить 54 грами вкл. тримач клітини; об'єм (включаючи зварювання та ізоляцію) становить 22 x 68 мм. Вага комірки LFP 33140 становить 276 грам; об'єм 35 х 143 мм. Порівнюючи номінальну ємність акумуляторів для електровелосипедів, NMC і LFP мають ємність 2,5 А·год і 15 А·год відповідно. Для створення наз. Акумуляторна батарея 48 В 15 Ач, для батареї NMC потрібно 70 елементів 18650, тоді як для батареї LFP потрібно лише 16 елементів LFP 33140. Загальна вага елемента батареї NMC становить близько 3,78 кг, тоді як батарея LFP важить приблизно 4,41 кг.


Додавання алюмінієвого корпусу, який також замінює багажник і електроніку, збільшує вагу приблизно на 2 кг. У результаті батареї LFP приблизно на 10,9% важчі за батареї NMC; однак, оскільки ємність LFP трохи вища і становить 1,5%, фактична різниця у вазі становить лише близько 9,5%. Крім того, об’єм акумуляторної батареї LFP менш ніж на 20% більший, ніж об’єм акумуляторної батареї NMC.


Можливість вдосконалення технології LFP
 

Останній елемент LFP на 4680 Тесла показав, що збільшення щільності енергії акумуляторів LFP далеке від завершення. Ця нова розробка показує, що ще є можливості для вдосконалення технології LFP, що призведе до ще більш ефективних і економічно вигідних акумуляторів для електровелосипедів у майбутньому. Підводячи підсумок, за останні десять років спостерігалося помітне та постійне збільшення щільності енергії акумуляторних блоків LFP. Цей прогрес можна пояснити технологічним прогресом (який був спричинений значно більшими обсягами виробництва), а також удосконаленням виробничих матеріалів і процесів. Крім того, більший форм-фактор цих батарей також сприяє їх підвищеній щільності енергії.


Останній елемент LFP на 4680 Тесла показав, що збільшення щільності енергії акумуляторів LFP далеке від завершення. – Фото Shutterstock


Останній елемент LFP на 4680 Тесла показав, що збільшення щільності енергії акумуляторів LFP далеке від завершення. – Фото Shutterstock
 

Коли справа стосується електровелосипедів, вага є вирішальним фактором, який слід враховувати. Акумуляторні блоки LFP важать лише на 11% більше, ніж блоки NMC, тому не залишилося вагомих причин для виправдання заборони на їх використання. Крім того, використання батарей LFP значно підвищує безпеку та подвоює термін служби батареї. Зараз ціни NMC і LFP за ват-годину можна порівняти, і зростає ймовірність того, що LFP стане економічно ефективнішим варіантом.


Термін служби батареї в роках
 

Однією з головних проблем з акумуляторними блоками NMC на основі 18650 є те, що елементи, які не контактують безпосередньо з корпусом або оточені іншими елементами, отримують набагато менше охолодження. Це призводить до підвищення температури елемента, що може зменшити термін служби акумулятора (у роках). Проте батареї LFP мають набагато більші елементи (15 А·год), ніж акумуляторні блоки NMC на основі 18650 (2,5 А·год), що забезпечує кращий тепловий контакт із корпусом. Крім того, на відміну від інкапсульованих елементів в акумуляторних блоках NMC, елементи LFP не оточені іншими елементами в додатках для електровелосипедів. У сукупності ці фактори призводять до нижчої температури елементів LFP-батарей. Це суттєва перевага, оскільки висока температура елемента може зменшити термін служби акумулятора та загальну продуктивність.

З алюмінієвим корпусом (багажного типу або в рамі) батареї LFP можуть легко мати проектний термін служби до 8 років. Навпаки, акумуляторні блоки NMC часто страждають від скорочення терміну служби через нерівномірне охолодження та високі температури елементів. Тому батареї LFP є більш надійним і довговічним вибором для акумуляторів електровелосипедів.


Тривалість циклу
 

З терміном служби 2000 циклів @ DoD (глибина розряду) = 100%, клітини LFP мають приблизно подвійний термін служби порівняно з (відносно дорожчими) елементами NMC. Як і NMC, батареї LFP мають приблизно подвійний термін служби під час заряджання на 80% від максимальної ємності. При менших відсотках заряду термін служби циклу поступово збільшується. Очевидно, що це найбільш актуально для інтенсивних користувачів, таких як транспорт і поїздки.

У світі електровелосипедів радіус дії є вирішальним фактором. Щоб забезпечити оптимальну продуктивність, рекомендовано заряджати батареї NMC і LFP до 80% за замовчуванням. Однак, якщо користувачеві потрібен розширений радіус дії під час певної поїздки, просте натискання кнопки батареї протягом ≥1 секунди може активувати режим 100% для наступної поїздки. Цю функцію можна легко впровадити в будь-яку розумну BMS.


Реальний приклад акумулятора LFP для електровелосипеда
 

Представляємо абсолютно новий дизайн акумуляторної батареї для багажника, яка використовує 33140 елементів LFP у конфігурації 16S1P (48 В – 15 Ач). Цей інноваційний дизайн, створений для ECOpro Technology, має екструдований алюмінієвий корпус (коричневого кольору), кожна комірка якого з’єднана з теплопровідною штучною гумою (синього кольору), яка також виконує функцію амортизатора. Використання цього великого форм-фактора дозволяє спростити зварювання, знизити витрати та підвищити надійність. Крім того, тепловий контакт, який забезпечує гума, гарантує, що кожна комірка залишається прохолодною по всій своїй довжині 140 мм, що призводить до довшого загального терміну служби порівняно з вертикально розміщеними комірками 18650 або 21700.


Акумуляторні елементи LTO
 

На завершення цього розділу, присвяченого поточним технологіям акумуляторів, ми порівняємо літієвий LTO (оксид титанату літію) – менш відомий варіант у світі електровелосипедів – з двома більш часто використовуваними елементами, LFP (літій-залізо-фосфат) і NMC ( Нікель Марганець Кобальт).

Що стосується максимального струму заряду: 1C, літієві елементи LTO перевершують елементи LFP і NMC. Ці елементи можуть витримувати високі швидкості заряджання без перегріву або швидкого деградації. Це робить їх ідеальними для додатків, які потребують швидкої зарядки, наприклад для транспортування електровелосипедів. Примітка: комірки LTO можуть витримувати більші струми заряду, навіть до 2,5C, але це суттєво скоротить і без того низький (порівняно з LFP) життєвий цикл. На відміну від цього, LFP-елементи мають нижчу максимальну швидкість заряджання, ніж літієві LTO-елементи: 0,5C, але все ще пропонують гідний рівень заряду. 

Елементи NMC знаходяться між ними з помірним максимальним струмом заряду 0,7C (обидва за номінального терміну служби). Одне дослідження показало, що збільшення струму заряду NMC з 0,5C до 1C призвело до 40% скорочення терміну служби.


Цикл життя
 

Цикл життя означає кількість разів, коли акумулятор можна заряджати та розряджати до того, як він досягне кінця свого терміну служби (зазвичай: 80% нової ємності). У цьому відношенні клітини LFP відомі своїм винятковим терміном служби (зазвичай 2000 циклів) порівняно з літієвими елементами LTO та NMC (500–1000 циклів, залежно від якості/вартості). Це пояснюється тим, що вони мають нижчу швидкість розкладання з часом через стабільний хімічний склад.

З іншого боку, літієві елементи LTO мають приблизно на 50% коротший термін служби, але компенсують це, пропонуючи чудові можливості швидкої зарядки без шкоди для безпеки. Комірки NMC пропонують пристойну продуктивність циклу, але (значно) не таку хорошу, як LFP.
 

Безпека
 

Коли справа доходить до безпеки, клітини LFP широко вважаються найбезпечнішим доступним варіантом. Це пов’язано з їхнім стабільним хімічним складом, що робить їх менш сприйнятливими до перегріву або термічного розбігу (займання). Іншим безпечним варіантом є літієвий LTO, який забезпечує чудову безпеку завдяки своїй стабільності при високих температурах і популярний у програмах швидкої зарядки.

Хоча клітини NMC також можуть бути безпечними, вони вимагають обережного поводження під час виробництва та контролю під час використання. На жаль, моніторинг безпеки ще не впроваджено в галузі електровелосипедів, незважаючи на мої пропозиції, зроблені ще 8 років тому. Ця відсутність моніторингу є вразливою для клітин NMC. Загалом, коли справа доходить до міркувань безпеки, LFP і літієвий LTO є кращими варіантами акумуляторних блоків завдяки їхній властивій стабільності в різних умовах.


Вартість
 

Коли справа доходить до вибору технологічного рішення, вартість завжди є важливим фактором, який слід враховувати. Загалом клітини LFP мають тенденцію бути (незабаром стануть) дещо доступнішими, ніж клітини NMC нижчого класу (500 циклів життя) завдяки їх простішому процесу виробництва та меншій вартості матеріалів. З іншого боку, комірки LTO коштують приблизно на 50% (500 циклів життя) до 150% (1000 циклів життя) дорожчі.

Однак ціни можуть змінюватися залежно від таких факторів, як ємність клітинки, місцезнаходження виробника тощо. Оскільки виробництво комірок LTO зростає, розумно очікувати, що їх вартість з часом (також) зменшиться. Раніше це спостерігалося з осередками NMC, а нещодавно з осередками LFP, головним чином завдяки зусиллям далекоглядного генерального директора Tesla Ілона Маска.

Виходячи з поточних цін на LTO, моя особиста рекомендація полягала б у тому, щоб вибрати для транспортних електровелосипедів LFP-батареї великого розміру. Якщо поєднати це з відсотком заряду 80%, ви можете розраховувати на термін служби до 4000 циклів.


Технології акумуляторних батарей майбутнього
 

Оскільки світ рухається до більш сталого майбутнього, попит на високопродуктивні батареї значно зріс. У цьому розділі ми обговоримо деякі з найперспективніших технологій акумуляторних батарей майбутнього, з особливим акцентом на натрій-іонних акумуляторних елементах.
 

  1. Твердотільні батареї: у цих батареях використовуються твердотільні електроліти замість рідких або гелеподібних електролітів, які містяться в літій-іонних батареях. Ця технологія все ще перебуває на ранніх стадіях, але є багатообіцяючою завдяки вищій щільності енергії та підвищеній безпеці.

  2. Літій-сірчані батареї: літієво-сірчані батареї мають потенціал накопичувати більше енергії, ніж літій-іонні батареї, що робить їх чудовим варіантом для електромобілів. Однак їх термін служби в даний час (надто) обмежений через схильність сірки розчинятися під час циклів заряджання.

  3. Натрій-іонні батареї: натрій-іонні батареї — це надшвидка технологія, що розвивається, яка, як очікується, зробить революцію в акумуляторній промисловості завдяки низькій вартості та великій кількості сировини порівняно з традиційними літій-іонними батареями.


Зосередьтеся на натрій-іонних акумуляторах
 

На даний момент натрій-іонні батареї (SIB - також відомі як натрій-іонні батареї) представляють собою найбільш життєздатну технологію акумуляторів майбутнього. Тому я зосереджуся виключно на цій перспективній технології. SIBs використовують іони натрію як носії заряду замість іонів літію. Хоча ці батареї мають подібну конструкцію до традиційних літій-іонних елементів, вони використовують різні матеріали для електродів і електролітів. Цікаво, що я отримав зобов’язання від великого постачальника SIB відповідати загальним форм-факторам, які використовуються в акумуляторних елементах LFP (наприклад, 33140), що робить процес оновлення до цієї багатообіцяючої технології безперебійним.

Важливою перевагою натрій-іонних батарей є їхня вища безпека порівняно з традиційними (особливо NMC) літій-іонними елементами. Через нижчу реакційну здатність натрію порівняно з літієм SIBs менш сприйнятливі до теплових реакцій, які можуть спричинити пожежі або вибухи в погано сконструйованих або дефектних елементах, особливо тих, які мають хімію NMC. Хоча батареї LFP вже вважаються безпечними, технологія SIB пропонує ще більший рівень безпеки та спокою для користувачів.


SIBS ще не комерціалізовано
 

Очікуваний термін служби натрій-іонних акумуляторів все ще залишається предметом досліджень і розробок. Хоча деякі дослідження показали багатообіцяючі результати, ця технологія ще не набула широкого поширення, що ускладнює точне порівняння циклу циклу SIB з іншими хімікатами акумуляторів. Загалом, незважаючи на те, що SIB демонструють великий потенціал як більш безпечна та стійка альтернатива традиційним літій-іонним елементам, їхній точний термін служби порівняно з іншими хімічними елементами залишається предметом активних досліджень.

Натрій-іонні елементи будуть значно більш економічно ефективними, ніж традиційні літій-іонні елементи через велику кількість натрію в природі. На відміну від літію, для видобутку якого потрібні дорогі гірничі роботи, натрій є загальнодоступним і доступним ресурсом. Хоча прогнозування майбутніх витрат SIB залежить від кількох факторів, загальновизнано, що нижча вартість у чотири рази є реалістичним очікуванням. Це робить технологію SIB привабливим варіантом для додатків, які потребують високопродуктивних акумуляторів за нижчою ціною.


SIB проти LFP
 

Вага та об’єм натрієво-іонних акумуляторів порівняно з акумуляторами LFP все ще є предметом активних досліджень і розробок. У той час як ранні зразки SIB показали перспективу як легка та високоенергетична альтернатива традиційним літій-іонним елементам, їх точна вага та об’ємні характеристики залишаються незрозумілими. Загалом, хоча SIB можуть запропонувати деякі переваги з точки зору ваги та об’єму, необхідні подальші дослідження, щоб повністю зрозуміти їхній потенціал у цьому відношенні.

Підсумовуючи, технологія натрій-іонних акумуляторів (SIB) демонструє великі перспективи як життєздатна альтернатива традиційним елементам на основі літію завдяки своїм розширеним функціям безпеки, порівнянному чи навіть довшому терміну служби та значно нижчій вартості порівняно з іншими варіантами, які зараз доступні на ринку. ринку. Оскільки дослідження в цій захоплюючій новій галузі тривають, ми можемо очікувати подальших розробок, які допоможуть нам задовольняти наші постійно зростаючі потреби в енергії стабільно та безпечно. Я очікую, що до 2024 року буде досягнутий значний прогрес у розвитку технології SIB, що прокладе шлях для її масового збуту в 2025 або 2026 роках. У міру того, як науково-дослідні роботи продовжуватимуть просуватися, ми можемо очікувати появи більш конкретної інформації про можливості та потенційні застосування цієї багатообіцяючої нової технології акумуляторів.

З іншого боку, батареї LFP добре зарекомендували себе та були ретельно випробувані в різних сферах застосування. Ці батареї зазвичай забезпечують тривалий термін служби до 4000 циклів при глибині розряду 80%. Це робить батареї LFP на даний момент найпривабливішим варіантом для додатків, які вимагають високого рівня надійності та довговічності, таких як електровелосипеди.

 
Оставить отзыв ↓
 
Ещё никто не оставил отзывов.