Сегодня значительно выросло количество фотоэлектрических станций, и, соответственно растет и спрос на аккумуляторные батареи. Многие хотят получить автономию, независимость от сети, а для этого нужно иметь буфер.
Стоимость аккумуляторных батарей может достигать стоимости половины всей системы электропитания в проектах частных солнечных станций. Но это утверждение в большей степени относится к автономным системам. Для других вариантов - аккумуляторов требуется меньше, а иногда они вовсе не нужны. Всё зависит от поставленных целей: автономия, резервное питание или "зеленый" тариф.
Отметим сразу, что автономная станция это не самый экономный вариант. Если у Вас есть сеть, то даже при нынешних тарифах выгоднее использовать сеть. Собственную солнечную станцию прежде всего строят при необходимости в энергетической независимости, мотивом не редко становится сознание причастности к новейшим технологиям и коммерческие перспективы в будущем (возможно, недалеком - с учетом стремительного и неуклонного роста тарифов на электроэнергию).
Типы солнечных станций
Сейчас четко выделяются три типа солнечных электростанций. Прежде всего, это сетевые (on-grid) станции, где выработка идет напрямую на внутридомовую нагрузку, а излишки (или вся выработанная энергия) отправляются в сеть. Для такой системы необходим договор "зеленого" тарифа. В такой электростанции аккумуляторы отсутствуют. А зависимость от сети сохраняется, ведь ею придется воспользоваться при ненастной погоде, да и отдавать электричество можно, только когда внешняя сеть под напряжением.
Второй тип солнечной станции - это гибридная солнечная электростанция. В этой системе присутствует и сеть и аккумуляторы. Такие станции делают потребителя независимыми: есть автономия - определенный запас энергии в аккумуляторах, также мы используем энергию солнечных батарей, но при этом мы пользуемся и сетью, берем из нее сколько нужно, и можем продавать энергию в ту же сеть. Как правило, аккумуляторы ставятся на гибридные объекты мощностью до 30 кВт.
И третий тип сети - это автономная система, когда вообще нет сети общего пользования: удаленное или как говорится "островное" расположение. Также это может быть просто проблемное подключение или нехватка мощности из-за квотирования поставщиком энергии. Под автономными станциями также можно подразумевать и такие, которые снабжены нормальным подключением к сети, но отдача выработанной энергии солнечными батареями в нее не производится (off-grid). В автономной солнечной станции аккумуляторы играют ведущую роль, и здесь нужно особенно тщательно думать и считать, какие АКБ выбирать.
Требования к АКБ состоят из: полного обеспечения потребности домохозяйства в электроэнергии. Следовательно должен достаточный запас по ёмкости, а что самое важное - аккумуляторы должны обладать хорошим циклическим ресурсом (особенно это важно для "островных" СЭС). В экономическом плане это большие инвестиции, и, учитывая износ аккумуляторов, можно понять, что деньги практически никогда не окупятся. Зато приобретаем комфорт и независимость, а при отсутствии альтернатив - нет другого варианта. Заметим также, что для автономной солнечной станции может потребоваться и даже необходим (на случай длительной непогоды, особенно зимой) еще и резервный источник электропитания - бензо, дизель - или газовый генератор, который сможет подзарядить аккумуляторы.
Обзор АКБ
1. Литий-кобальтовый аккумулятор (LiCoO2)
2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4)
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMnCo2 или NMC)
4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)
5. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор (LiNiCoAlo2)
6. Литий-титанатный аккумулятор (Li4Ti5O12)
Разные подвиды литий-ионной электрохимической системы именуются по типу своего активного вещества, и могут обозначаться как полностью словами, так и в укороченном виде - химическими формулами. Объединяет литиевые аккумуляторы то, что все они относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам. Такие формула не очень удобны для прочтения или запоминания ввиду своей сложности, поэтому и они упрощаются - к буквенной аббревиатуре.
Например, кобальтит лития, один из самых распространенных материалов для литий-ионных аккумуляторов, имеет химическую формулу LiCoO2 и аббревиатуру LCO. Из соображений простоты также может использоваться короткая словесная форма - "литий-кобальт". Кобальт является основным активным веществом и именно по нему характеризуется тип батареи. Другие типы литий-ионной электрохимической системы также аналогично сводятся к краткой форме. В данном разделе перечислены шесть наиболее распространенных типов Li-ion.
Высокий показатель удельной энергоемкости делает литий-кобальтовый аккумулятор популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер. Аккумулятор состоит из графитового анода и катода из оксида кобальта. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются к нему от анода. При зарядке направление меняется на противоположное. Недостатком литий-кобальтовых аккумуляторов является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). На рис. 1 показана структура такого аккумулятора.
Рисунок 1: Структура литий-кобальтового аккумулятора. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, при зарядке - от катода к аноду.
Литий- кобальтовый аккумулятор не может заряжаться или разряжаться при силе тока выше его С-рейтинга. Это означает, что ячейка типоразмера 18650 емкостью 2400мАч может заряжаться или разряжаться силой тока не превышающей 2400 мА. Принудительный быстрый заряд или подключение нагрузки, требующей больше чем 2400 мА, приведет к чрезмерному стрессу и перегреву. Для быстрой зарядки производители рекомендуют С-рейтинг 0,8С или около 2000 мА. При использовании системы защиты аккумулятора она автоматически ограничивает заряд и разряд до безопасного уровня - около 1С.
Гексагональный график (рис.2) суммирует производительность литий-кобальтового аккумулятора с точки зрения таких характеристик - удельная энергоемкость, которая отвечает за время работы; удельная мощность, или способность обеспечить большую силу тока; безопасность; производительность при высоких и низких температурах; срок службы и долговечность; стоимость. Другими важными характеристиками, не учтенными на этом графике, являются токсичность, возможность быстрой зарядки, саморазряд и срок возможного хранения.
Рисунок 2. Оценка усредненного литий-кобальтового аккумулятора. Литий-кобальтовая электрохимическая система выделяется высокой удельной энергоемкостью, но предлагает средние показатели удельной мощности, безопасности и срока службы.
Таблица характеристик
Кобальт лития: LiCoO2 катод (≈60% кобальта), графитовый анод
Сокращенное обозначение: LCO или Li-кобальт
Разработан в 1991 году
Таблица 3. Характеристики литий-кобальтового аккумулятора.
2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMN2O4)
Устройство литий-ионного аккумулятора с марганцевой шпинелью было впервые опубликовано в журнале "Materials Research Bulletin" в 1993 году. В 1996 году компания Moli Energy коммерциализировала литий-ионную ячейку с литий-марганцевой шпинелью в качестве материала катода. Трехмерная структура шпинели улучшает поток ионов на электроде, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления и улучшению обработки тока. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термическая стабильность, но срок жизни и количество циклов ограничены.
Низкое внутреннее сопротивление такой ячейки обеспечивает быструю зарядку и высокое возможное значение силы тока разряда. В типоразмере 18650 литий-марганцевый аккумулятор может разряжаться силой тока в 20 -30 А с умеренным теплообразованием. Кроме того, он способен выдерживать импульса до 50 А в течение одной-двух секунд. Непрерывная же нагрузка в 50А приведет к нагреву аккумулятора, который не должен превышать 80оС во избежание деградации. Литий марганцевые аккумуляторы используются для мощных инструментов, медицинского оборудования, а также в гибридном и электротранспорте.
На рисунке 4 представлена графическая иллюстрация трехмерного кристаллического каркаса материала катода. Этим материалом является шпинель, у которой начальная ромбовидная решеточная структура трансформируется в трехмерную.
Рисунок 4. Структура литий-марганцевого аккумулятора. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели имеет трехмерную каркасную структуру, которая появляется после начального формирования. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, но имеет более умеренную удельную энергоемкость чем кобальт.
Емкость литий-марганцевого аккумулятора примерно на треть меньше литий-кобальтового. Гибкость конструкции позволяет оптимизировать батарею под разные задачи и создавать модели с улучшенными показателями долговечности, удельной мощности или удельной энергоемкости. Например, версия в типоразмере 18650 с улучшенными показателями имеет емкость только 1100 мАч, в то время как оптимизированная под емкость - 1500 мАч.
На рисунке 5 показан гексагональный график типичного литий-марганцевого аккумулятора. Характеристики могут казаться не особо впечатляющими, но последние разработки имеют улучшенные показатели удельной мощности, безопасности и продолжительности жизни.
Рисунок 6: Характеристики обычного литий-марганцевого аккумулятора. Несмотря на умеренную общую производительность, новые модели демонстрируют улучшенную удельную мощность, безопасность и продолжительность жизни.
Большинство литий-марганцевых аккумуляторов комбинируются с литий-никель-марганец-кобальтовыми (NMC) для повышения удельной энергоемкости и продления срока службы. Этот союз позволяет использовать сильные стороны обеих систем и называется LMO (NMC). Именно эти комбинированные аккумуляторы используются в большинстве электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volf и BMW i3. LMO - часть такого аккумулятора, которая составляет около 30%, обеспечивает высокие ускорительные возможности электродвигателя, а NMC часть отвечает за размер автомобильного пробега.
Исследования в литий-ионной системе в значительной степени тяготеют к объединению литий-марганцевых ячеек с никель-марганец-кобальтовыми. Эти три активных металла могут легко комбинироваться для получения необходимого результата, будь то повышение удельной мощности, нагрузочных характеристик или долговечности аккумулятора. Этот широкий диапазон возможностей необходим для удовлетворения единым технологическим подходом и рынка потребительских аккумуляторов, где на первом месте стоит емкость; и промышленности, где необходимы аккумуляторные системы с хорошими нагрузочными характеристиками, с длительным сроком службы и с надежной безопасной эксплуатацией.
Кобальт лития: LiMn2O4 катод, графитовый анод
Сокращенное обозначение: LNO или Li-марганцевый (шпинельная структура)
Разработан в 1996 году
Таблица 6. Характеристики литий-марганцевого аккумулятора.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMNCoO2 или NMC)
Одним из наиболее успешных вариантов исполнения литий-ионной электрохимической системы является сочетания никеля, марганца и кобальта (NMC) в катоде. По аналогии с литий-марганцевыми, эти системы могут быть оптимизированы под емкость или мощность. Например, NMC аккумулятор в типоразмере ячейки 18650 для умеренной нагрузки имеет емкость 2800 мАч и может обеспечивать силу тока в 4 - 5 А; а версия в том же типоразмере, но оптимизированная под мощностные показатели имеет емкость только 2000 мАч, но максимальная сила тока разряда у нее - 20А.Показатель емкости можно увеличить и до 4000 мАч, если добавить кремний в состав анода. Но с другой стороны, это значительно уменьшит нагрузочные характеристики и долговечность такого аккумулятора. Столь неоднозначные свойства кремния появляются из-за его расширения и уменьшения при зарядке и разрядке, что приводит к механической неустойчивости конструкции аккумулятора.
Секрет технологии NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогией может служить обыкновенная поваренная соль, где по отдельности ее компоненты, натрий и хлор, весьма токсичны, но их соединение образует полезное пищевое вещество. Никель известен своей высокой удельной энергоемкостью, но низкой стабильностью; марганец же имеет преимущество в виде шпинельной структуры, которая обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но и приводит к недостатку - низкой удельной энергоемкости. Сочетание же этих металлов позволяет компенсировать недостатки друг друга и в полной мере использовать сильные стороны.
NMC аккумуляторы используются для мощных инструментов, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Состав катода, как правило, сочетает никель, марганец и кобальт в равных частях, то есть каждый металл занимает трать от общего объема. Такое распределение также известно как 1-1-1. Сочетание в таком соотношении выгодно своей стоимостью, так как содержание дорогого кобальта по сравнению с другими версиями батареи относительно невелико. Еще одна успешная комбинация NMC содержит 5 частей никеля, 3 части кобальта и 2 части марганца. Эксперименты по поиску удачных комбинаций этих активных веществ продолжаются и сейчас. На рисунке 7 продемонстрированы характеристики NMC аккумулятора.
Рисунок 7: Оценка характеристик NMC аккумулятора. NMC имеет хорошую общую производительность и отличную удельную энергоемкость. Данная аккумуляторная батарея является предпочтительным выбором для электротранспорта и имеет самый низкий уровень самонагрева.
В последнее время именно NMC семейство литий-ионных аккумуляторов становится наиболее популярным, так как благодаря возможности комбинации активных веществ стало возможным сконструировать экономную батарею с хорошей производительностью. Никель, марганец и кобальт могут быть легко смешаны, чтобы удовлетворить широкий спектр требований для электротранспорта или систем аккумулирования энергии, специфика которых предполагает регулярную циклическую работу. Семейство NMC аккумуляторов активно развивается в своем многообразии.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксид: LiNiMnCoO2 катод, графитовый анод
Сокращенное обозначение: NMC (NCM, CNM, MNC, MCN аналогично комбинации металлов)
Разработан в 2008 году
Таблица 8. Характеристики литий-никель-марганц-кобальт-оксидного (NMC) аккумулятора.
4. Литий-железо-фосфатныйаккумулятор (LiFePo4)
В 1996 году в Университете Техаса были проведены исследования, в результате которых был открыт новый материал для котода литий-ионного аккумулятора - фосфат железа. Литий-фосфатная система обладает хорошими электрохимическими свойствами и низким внутренним сопротивлением. Основными преимуществами таких аккумуляторов являются высокие показатели силы тока и длительный срок службы, к тому же они обладают хорошей термической стабильностью, повышенной безопасностью и стойкостью к неправильному использованию.
Литий-фосфатные аккумуляторы более стойкие к перезаряду; если в случае длительного времени к ним приложено высокое напряжение, то даградационные последствия будут заметно меньше в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. Но напряжение ячейки в 3.2В снижает показатель удельной энергоемкости до уровня, даже меньшего, чем у литий-марганцевого аккумулятора. Для большинства электрических батарей холодная температура снижает производительность, а жаркая -сокращает срок службы, литий-фосфатная система не является исключением. У ее также более высокий показатель саморазряда в сравнении с другими итий-ионными аккумуляторами. На рисунке 9 показаны характеристики литий-фосфатного аккумулятора.
Литий-фосфатные аккумуляторы часто используются в качестве замены стартерным свинцово-кислотным. Четыре ячейки такой батареи обеспечат напряжение в 12.8 В - аналогично напряжению шести двухвольтовых ячеек свинцово-кислотного. Генератор транспортного средства подзаряжает свинцово-кислотный аккумулятор до 14.4В (2,4 В на ячейку). Для четырех литий-фосфатных ячеек предельное напряжение будет 3,6 В, после подзарядку следует отключить, чего не происходит в обычном транспортном средстве. Литий-фосфатные аккумуляторы стойкие к перезаряду, но даже они при длительном сохранении повышенного напряжения деградируют. Низкие температуры также могут стать проблемой при использовании литий-фосфатного аккумулятора в качестве замены обычному стартерному.
Рисунок 9: Оценка характеристик литий-фосфатного аккумулятора. Литий-фосфатная электрохимическая система обеспечивает отличную безопасность и долгий срок службы, но удельная энергоемкость имеет умеренные показатели, также стоит отметить высокий саморазряд.
Литий-феррофосфат: LiFePO4 катод, графитовый анод
Сокращенное обозначение: LFP или Li-фосфат
Таблица 10. Характеристики литий-железо-фосфатного аккумулятора.
5. Литий-никель-кобальт- алюминий-оксидный аккумулятор (LiNiCoAlO2)
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор, или сокращенно NCA, был разработан в 1999 году и схож с NMC аккумулятором, выделяясьвысокой удельной энергоемкостью, достаточно хорошей удельной мощностью и длительным сроком службы. Слабыми местами являются безопасность и стоимость. На рисунке 11 приведены шесть ключевых характеристик этого аккумулятора. NCA электрохимическая система представляет собой дальнейшее развитие литий-никелевой, добавление алюминия дало повышение стабильности.
Рисунок 11: Оценка характеристик NCA аккумулятора. Высокие показатели энергоемкости и плотности энергии вкупе с хорошей долговечностью делают NCA аккумуляторы интересными для электротранспорта. Но высокая стоимость и показатели безопасности являются недостатком этой электрохимической системы.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксид: LiNiCoAlO2 катод (≈ 9% кобальта), графитовый анод
Сокращенное обозначение: NCA или Li- алюминий
Таблица 12. Характеристики литий-никель-кобальт-алюминий-оксидного (NCA) аккумулятора.
5. Литий-титанатный аккумулятор (Li4Ti5O12)
Аккумуляторы с титанатом лития в составе известны еще с 1980-х. В классическом литий-ионном аккумуляторе анод графитовый, в рассматриваемом же - из нанокристаллов титаната лития. Графит присутствует в составе литий-титанатного аккумулятора, но уже в роли катода. У этого аккумулятора номинальное напряжение ячейки 2,4В, он может быть очень быстро заряжен и обеспечивает высокий ток разряда - 10С, то есть в 10 раз превышающий показатель его емкости. Количество циклов заряда/разряда больше, чем у обычного литий-ионного. Литий-титанатный аккумулятор безопасен, имеетотличные низкотемпературные характеристики - при минус 30оС его емкость сохраняется на уровне 80%. Но стоимость такого аккумулятора высока, а показатель удельной энергоемкости в 65 Вт*ч/кг позволяет конкурировать разве что с никель-кадмиевыми. Номинальное напряжение ячейки литий-титанатного аккумулятора составляет 2,8 В; работоспособным аккумулятор считается до значения 1,8 В. На рисунке 13 представлены характеристики литий-титанатного аккумулятора. Его типичные области применения - электрические силовые агрегаты, системы аккумулирования электроэнергии и уличное освещение на солнечных элементах.
Рисунок 13: Характеристики литий-титанатного аккумулятора. Литий-титанатные аккумуляторы имеют отличные показатели безопасности, производительности при низких температурах и долговечности. Ведутся разработки поувеличению удельной энергоемкости и удешевлению производства.
Титанат Лития: графитовый катод, Li4Ti5O12 анод
Сокращенное обозначение: LTO или Li-титанат
Таблица 14. Характеристики литий-титанатного аккумулятора.
На рисунке 15 сравнивается удельная энергоемкость свинцовых, никелевых и литиевых электрохимических систем. В то время, как литий-алюминиевая (NCA) система является явным победителем по этому параметру, не стоит забывать и о других важных характеристиках, где преимущество находится к других систем. В отношении удельной мощности и термической стабильности лидерами являются литий-марганцевая (LMO) и литий-фосфатная системы (LFP). Литий-титанатная (LTO) не отличается выдающейся энергоемкостью, но по продолжительности жизни и низкотемпературным характеристикам ей нет равных. Наиболее полное соответствие требованиям питания электрических силовых агрегатов, безопасности и количеству циклов заряда/разряда по праву делают литий-кобальтовую (LCO) систему самой распространенной на сегодняшний день.
Рисунок 15. Показатели удельной энергоемкости свинцовых, никелевых и литиевых аккумуляторных батарей. NCA обладают самой высокой удельной энергоемкостью. Тем не менее, марганцевые и фосфатные превосходят по удельной мощности и термической стабильности. Литий-титанатные имеют наибольший срок службы. (Последнее обновление 2016г)
