Сравнение заряда батареи

Технологический прогресс регулярно набирает обороты вскоре после крупного прорыва. Не так с электричеством. Электроэнергия была открыта около 1600 года нашей эры (или раньше). В то время никто не знал, что с ним делать, кроме как создавать искры и экспериментировать с подергиванием лягушачьих лапок. Металлическое покрытие с помощью электролиза началось только в 1800-х годах. Но вскоре после этого первая электрическая лампа питалась от первичной батареи с помощью угольных электродов. Когда в середине 1800-х годов была обнаружена связь с магнетизмом, были изобретены генераторы, которые производили постоянный поток электричества. Затем последовали двигатели, которые обеспечили механическое движение, а лампочка Эдисона, казалось, победила тьму.

Изобретение электронной вакуумной лампы в начале 1900-х годов стало значительным следующим шагом на пути к высоким технологиям, позволившим использовать генераторы частоты, усиление сигналов и цифровое переключение. Это привело к радиовещанию в 1920-х годах и позволило создать первый рабочий цифровой компьютер (ENIAC) в 1946 году. Открытие транзистора в 1947 году проложило путь к интегральной схеме десятью годами позже. Наконец, микропроцессор открыл век информации и произвел революцию в нашем образе жизни.

В то время как большие первичные батареи существуют уже 200 лет, никель-кадмиевые герметичные никель-кадмиевые батареи в том виде, в каком мы их знаем сегодня, ровесники транзистора (1947 г.). В то же время батареи стали очень важным источником энергии, и спрос на них неуклонно растет.

В 2000 году общее количество энергии, потребляемой батареями портативных компьютеров и мобильных телефонов во всем мире, оценивается в 2 500 мегаватт. Давайте проведем небольшое сравнение мощности с различными видами транспорта с самого начала до сегодняшнего дня.

* Мощность двигателя измеряется в (л.с. или кВт), а реактивная тяга - в фунтах, кН. Крейсерскому Боингу 747 требуется тяга в 55145 фунтов (245 295 Н). Это относится к 87 325 л.с. или 65 000 кВт. При взлете самолет развивает полную тягу в 219 000 фунтов (973 кН) при требуемой мощности 105 000 л.с. или 78 300 кВт.

Аккумуляторная батарея и большой реактивный самолет Boeing 747

Путешественники испытают волнующий взлет гигантского реактивного самолета. Полностью загруженный в 400 тонн Boeing 747 требует 90 мегаватт (МВт) энергии, чтобы подняться в воздух. Это относится к 120 000 лошадиных сил (л.с.). Потребление энергии во время круиза снижено наполовину, или 45 МВт (60 000 л.с.). Глобальный заряд аккумуляторов, потребляемых мобильными телефонами и ноутбуками, может удержать в воздухе 56 самолетов Boeing 747. 

Могучий океанский лайнер весом 81 000 тонн и длиной более 300 метров (1000 футов) приводился в движение четырьмя паровыми турбинами мощностью 160 000 л.с. Энергия, потребляемая во всем мире мобильными телефонами и ноутбуками, могла бы обеспечить питание 20 кораблей Queen Mary с 3000 пассажирами и экипажем на борту, движущихся со скоростью 28,5 узлов (52 км / ч). Queen Mary была спущена на воду в 1934 году и сейчас является музеем в Лонг-Бич, Калифорния.

Двигатель мощностью 275 л.с. (200 кВт) приводит в движение внедорожник или большой автомобиль. Средний семейный дом рассчитан на потребление 20 кВт. У большого транспортного средства достаточно мощности, чтобы обеспечить электроэнергией 10 домов и удовлетворить потребности в пиковом токе. Это очень важно, если учесть, что в большинстве автомобилей есть только водитель.

Активному человеку требуется 3500 калорий в день, чтобы оставаться в форме, что соответствует примерно 4000 ватт за 24 часа (1 калория пищи = 1,16 ватт-час). Путешествуя пешком, человек преодолевает около 40 км в день (25 миль). На рисунке 1 мы сравниваем энергию на пассажиро-километр для загруженного Boeing 747, бывшего океанского лайнера Queen Mary, экономного внедорожника и здорового человека на велосипеде и пешком. Цифры приблизительные. 

Рисунок 1: Энергетические потребности различных видов транспорта. Воздушные перевозки требуют наименьшего количества энергии на пассажиро-километр с точки зрения механизированных перевозок. Лодка становится работоспособной для тяжеловесных грузов. Абсолютно наименьшая потребность в энергии - это человек на велосипеде
___________________ 
* 4,186 джоулей требуется для повышения температуры 1 г воды на 1 градус Цельсия.
 

Как обстоят дела с новым химическим составом батарей?

Литий-ионный - лучший вариант для портативных приложений. Среди самых популярных литий-ионных аккумуляторов - цилиндрические элементы 18650 и различные призматические элементы в металлическом корпусе. 

Литий-ионный полимер хорошо подходит, когда геометрия элемента должна быть менее 4 мм или когда требуются специальные пакеты. Пакеты из литий-ионно-полимерных аккумуляторов высокой мощности позволяют удобно складывать их друг в друга, чтобы создать мощный и компактный аккумулятор с оптимальным распределением пространства. Однако есть надбавка к цене. Литий-ионный полимер стоит примерно на 10% дороже, чем литий-ионный, без увеличения емкости. При штабелировании ячеек пакета необходимо учитывать некоторое распределение места для набухания. 

Литий-ионные испытания в медицинских приборах и гибридных автомобилях дают неоднозначные результаты. Основные препятствия - короткий срок службы и высокая цена. Эти рынки по-прежнему будут обслуживаться более прочными и дешевыми свинцовыми и никелевыми батареями. 

На горизонте нет нового химического состава аккумуляторов, который заменит классический свинцово-кислотный для рынков автомобилей и колесной техники. Свинцово-кислотный продукт зрелый, а производственные затраты низкие. Свинцово-кислотные аккумуляторы со спиральной намоткой, технология, аналогичная свинцово-кислотному оборудованию с регулируемым клапаном, и абсорбирующий стеклянный мат (AGM) постепенно заменяют залитый автомобильный аккумулятор в высокопроизводительных приложениях. Опять же, эти более совершенные батареи имеют надбавку к цене, но более длительный срок службы окупит вложения.