Какие металлы есть в аккумуляторе
Обновлено: 04.10.2024
Электромобилю надо в шесть раз больше минералов и металлов, чем бензиновому автомобилю. Основная их часть приходится на литийионный аккумулятор. Так, в среднем батарея Tesla емкостью 60 кВт⋅ч обеспечивает запас хода 330 км, а весит 385 кг. Вот что дает такую массу, по данным Visual Capitalist.
Графит
Несмотря на то что аккумуляторы называются литийионными, в их основе лежит графит.
В настоящее время в добыче графита доминирует Китай: он производит 50% мирового синтетического графита и около 70% «чешуйчатого», который требует дополнительной обработки
Часть батареи: анод
Процент от массы батареи: 28,1%
Алюминий
Алюминий производят из боксита, в числе лидеров по его добыче Австралия, Китай и Гвинея.
Аналитики прогнозируют, что потребность в алюминии вырастет на 40% к концу десятилетия и добычу придется нарастить на 33,3 млн тонн в год
Часть батареи: катод, корпус, токосъемники
Процент от массы батареи: 18,9%
Никель
Металл обеспечивает батарее емкость — значит, спрос на него в сфере электромобилей продолжит расти.
По прогнозам, он вырастет с 81 т в 2020 году до 658—1592 т в 2030-х годах. Сейчас лидеры по добыче никеля — Индонезия, Китай и Россия
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 15,7%
Китай потребляет половину меди в мире и, согласно прогнозам, будет наращивать потребление в среднем на 3% в год. Мировой спрос при этом вырастет с 25 млн тонн в 2021 году до 28 млн тонн к 2026 году и 31,1 млн тонн к 2030 году.
Среди лидеров производства — Чили, Перу и Китай. Мы писали о нескольких компаниях, добывающих медь
Часть батареи: токосъемники
Процент от массы батареи: 10,8%
Сталь
Сталь используют в корпусе батареи электромобиля, чтобы защитить ее от внешних повреждений.
Лидерами по производству в 2021 году стали Китай, Индия и Япония. По прогнозам, спрос на сталь будет расти умеренными темпами — ежегодно в среднем по 2,5% до 2030 года
Часть батареи: корпус
Процент от массы батареи: 10,8%
Марганец
Около 90% марганца использует сталелитейная промышленность, и только 0,2% идет на литийионные аккумуляторы. Тем не менее спрос на него будет расти.
Марганец по химическим свойствам похож на кобальт, но производство кобальта сосредоточено в одной стране — Конго. Чтобы избежать странового риска, производители электромобилей будут диверсифицировать поставки в пользу марганца
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 5,4%
Кобальт
Ожидается, что к 2030 году спрос на кобальт удвоится и составит 315 000 т. Это может повлечь перебои с поставками.
Сейчас 69% мировой добычи этого металла приходится на Конго. Страна может нарастить производство, но лишь частично покроет будущий спрос.
Другое решение: разработка катодов с низким содержанием кобальта или без его использования
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 4,3%
Литий
Литий в последнее время называют «белой нефтью», ведь литийионные батареи — основа будущего энергоперехода.
Ожидается, что спрос на литий утроится к 2030 году — с 600 тысяч тонн в 2022 году до 2,4 млн тонн.
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 3,2%
Железо
Железо используют в катоде литийионной батареи. Сейчас появился тренд на более дешевые литий-железо-фосфатные батареи — чтобы меньше использовать кобальт и никель. Такие батареи меньше хранят заряд, но долговечны и менее взрывоопасны.
Ожидается, что мировой спрос на железную руду удвоится и достигнет 3,5 млрд тонн в 2030 году
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 2,7%
Как разобраться, куда вложить
Читайте нашу рассылку для начинающих и опытных инвесторов. Каждый понедельник рассказываем, куда вложить деньги, чтобы получить доход, и как не отдать их мошенникам
Что еще узнать об электромобилях:
Когда электромобиль станет лучше автомобиля т.е. никогда. Ну или когда владельцев автомобилей обложат такими ограничениями и налогами, что их эксплуатация станет нецелесообразной.
Sergey, почему никогда не станет лучше?)
Сергей, потому, что батарея всегда будет весить полтонны, всегда будет заряжаться минимум час и всегда будет очень плохо чувствовать себя при низких температурах. Физику не обманешь и аккумуляторные EV по сути на пике своего развития уже сейчас и нет никаких фундаментальных предпосылок для дальнейшего развития. Единственное что их может превзойти это авто на топливных ячейках, но там все тормозится высокой ценой водорода и это уже совсем другая конструкция, так что улучшением батареечных авто они не являются.
Какие сплавы используются в аккумуляторах
Наиболее распространенный тип батарей, которые используются в современных автомобилях, — это свинцово-кислотный аккумулятор. Он назван так, потому что имеет в своем составе решетки, изготовленные из свинцовых сплавов. Свинцово-кислотная батарея получила широкое распространение, поскольку обладает весьма большим ресурсом работы и достаточно высокой удельной мощностью.
Свойства сплавов
Свойства сплава, из которого сделаны токоотводы АКБ, напрямую влияют на характеристики работы самого аккумулятора. Одно из главных требований, которые разработчики аккумуляторов предъявляют к сплаву, заключается в том, что он должен быть достаточно твердым и устойчивым к любым нагрузкам, которым АКБ подвергается в процессе работы. Очевидно, что сплав также должен хорошо проводить электрический ток и обладать рядом свойств, позволяющих без нарушения производственной технологии использовать его в процессе литья.
Существуют определенные требования и к коррозионной устойчивости. Это в особенности актуально для положительных токоотводов, так как именно они подвергаются увеличенным нагрузкам при работе аккумулятора. Под воздействием нагрузок положительная решетка способна не только деформироваться, но и покрыться слоем оксида свинца, который препятствует эффективному прохождению тока.
Посторонние и нежелательные примеси в свинцовом сплаве в целом ухудшают его характеристики и негативно влияют на работу АКБ. Происходит это из-за того, что в процессе коррозии положительной решетки эти примеси становятся частью активной массы и способствуют усилению процесса газообразования, а также стимулируют потерю воды.
Типы сплавов для АКБ
Однако добавки в сплавах, из которых производятся решетки для АКБ, конечно же, есть. Долгое время для производства решеток использовался свинцово-сурьмянистый сплав. Такие токоотводы можно найти в обслуживаемых АКБ. Применение сурьмы позволило сделать сплав более текучим, а значит, удобным для использования в процессе литья. Помимо этого, свинцово-сурьмянистый сплав хорошо проводит ток. Но есть и недостатки: наличие в сплаве сурьмы усиливает процесс газовыделения и приводит к повышенной потере воды в АКБ. Именно поэтому в такой аккумулятор необходимо регулярно добавлять воду.
Со временем появились и необслуживаемые аккумуляторы, в которых содержание сурьмы было снижено, а доля других добавок, наоборот, увеличена (добавки олова, мышьяка, серебра). Это позволило сохранить высокие литьевые свойства сплава и повысить его коррозионную стойкость.
Свинцово-кальциевый сплав, который стал использоваться со временем для производства стационарных аккумуляторов, не нашел широкого применения в автомобильных АКБ. Главным образом это обусловлено быстрым снижением емкости заряда. Однако в необслуживаемых гелевых аккумуляторах для производства отрицательных решеток использовался сплав свинца и кальция, а для производства положительных — малосурьмянистые сплавы. Со временем производители стали добавлять в сплав свинца и кальция олово, что улучшило свойства отрицательных токоотводов и позволило использовать при производстве технологию непрерывного литья.
Современный тренд
Говоря о свинцово-кислотных аккумуляторах, важно отметить, что свинцовые сплавы небезопасны для человека и окружающей среды. Добавки, которые содержатся в таких сплавах (сурьма и мышьяк), при химическом взаимодействии или в условиях избыточного заряда могут способствовать образованию токсичных газов. Во многом именно этим обусловлен тот факт, что при изготовлении свинцово-кислотных аккумуляторов производителям приходится использовать все больше автоматизированных операций.
В целом же современное состояние «аккумуляторного» сегмента довольно очевидно. Достаточно вспомнить о том, что одним из глобальных мегатрендов автомобилестроения является стремительный рост производства электромобилей. Именно поэтому усилия разработчиков АКБ в основ-ном направлены на улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов или АКБ из других сплавов, подходящих для использования в электрокарах и гибридах.
Вся правда про аккумуляторы
Самая популярная причина трудных пусков зимой – дохлый аккумулятор. Не единственная, но распространенная. Современные аккумуляторы могут служить по 5-7 лет, но если, например, случались полные разрядки или долгие простои машины без движения (особенно зимой), замена может потребоваться и раньше. Какие бывают аккумуляторы и какие цифры важны в маркировке? Можно ли использовать аккумулятор большей емкости и что такое пусковой ток? Об этом – в нашем специальном материале.
Несмотря на разнообразие коммерческих наименований, все автомобильные аккумуляторы свинцово-кислотные: электролитом служит раствор серной кислоты и дистиллированной воды, а электроды – свинцовые.
Старые батареи были обслуживаемыми, то есть требовали регулярного контроля уровня электролита и долива воды. Но сегодня они уже неактуальны.
Впрочем, есть так называемые малообслуживаемые: они требуют долива воды примерно раз в полгода, зато дешевле и не так сильно боятся глубоких разрядов. Хороший вариант для владельцев старых «Лад» и иномарок.
Однако большинство из нас, скорее всего, предпочтет необслуживаемую батарею: обычно срок ее службы составляет порядка пяти лет, а контролировать уровень электролита не нужно в принципе – зачастую нет даже соответствующей пробки. Большинство недорогих аккумуляторов сделаны по так называемой гибридной технологии: один электрод с добавлением кальция, другой – с сурьмой, но в небольших количествах. Они могут обозначаться литерами Ca+ или Ca/Sb, но не стоит путать их с «чисто кальциевыми».
Под «брендом» кальциевые (Ca/Ca) подразумеваются батареи, у которых оба электрода сделаны из сплава свинца и кальция, а это лучший вариант для снижения потерь воды. В результате кальциевые аккумуляторы могут служить до семи лет, у них низкий саморазряд, а главная проблема – боязнь глубокой разрядки. К примеру, если сигнализация на вашей машины способна за неделю зимней стоянки высосать весь аккумулятор, лучше не покупать кальциевые батареи. А вот для полностью исправной иномарки это интересный вариант, хотя и более дорогой.
Чуть особняком стоят аккумуляторы по технологии AGM, в которых электролит находится не в жидком состоянии, а абсорбирован стекловолокном – это довольно продвинутые батареи, обеспечивающие долгий срок службы (заявляется чуть ли не 15 лет) и высокие пусковые токи. Кроме того, они хорошо переживают частые циклы заряд-разряд, а потому, например, используются в автомобилях с системой Start-Stop.
Наконец, есть гелевые аккумуляторы (GEL), в которых электролит загущен силикагелем до вязкого состояния, а также EFB-аккумуляторы. В чем-то их достоинства похожи на AGM-аккумуляторы, но гелевые еще лучше переносят глубокие разрядки. При этом пусковые токи у гелевых аккумуляторов зачастую ниже.
AGM-аккумуляторы и гелевые ощутимо дороже обычных (6-10 тысяч рублей), EFB занимают промежуточное положение по цене. Чаще всего, эти аккумуляторы применяются в автомобилях с системой Start-Stop или иномарках премиум-класса, где аккумулятор работает в условиях постоянных циклов заряда/разряда.
Рекламные объявления о добавлении серебра и других металлов в основном означают присутствие этих веществ в свинцовых электродах. Зацикливаться на этих особенностях не стоит – важнее параметры аккумулятора.
Для нас с вами важны следующие параметры:
1) Гостовское обозначение 6СТ-55АЗУ, где второе число (55) обозначает номинальную емкость.
2) Наличие или отсутствие слова «Необслуживаемая». При этом уровень «обслуживаемости» батареи может быть зашифрован в гостовском обозначении (последние буквы): N – с большим расходом воды, L – малым, VL – очень малым, VRLA – необслуживаемый.
3) Пусковой ток и стандарт измерения – в данном случае 500 А по стандарту EN (подробности ниже).
4) Технология изготовления: Ca+ обозначает гибридную технологию, при которой один из электродов – с примесью сурьмы, другой – из свинцово-кальциевого сплава. Кальциевые аккумуляторы обозначаются Ca/Ca, гелевые – GEL. Батареи по технологии AGM и EFB – соответствующими аббревиатурами.
Емкость аккумулятора
Поскольку напряжение батарей для легковых автомобилей одинаковое – 12 В, то выбирать тут нечего (у старых мотоциклов 6 В, у грузовой техники – 24 В). Сразу оговоримся лишь, что в основном обозначении аккумулятора (скажем, 6 СТ-60А) первая цифра обозначает не напряжение, а количество последовательно соединенных аккумуляторов внутри батареи, поэтому номинал – 12 В.
Куда интереснее вторая цифра, отражающая номинальную емкость батареи в ампер-часах (А*ч). Многие считают ее чуть ли не основной характеристикой аккумулятора. В бытовом смысле этот параметр показывает, как долго можно крутить двигатель стартером, а в физическом – это запас энергии батареи.
Вообще, емкость, например 60 А*ч, не означает, что аккумулятор способен целый час выдавать ток в 60 А. На самом деле, испытательный цикл обычно длится 20 часов (или 10 часов) – соответственно, если емкость аккумулятора 60 А*ч, то в течение испытательного цикла он должен стабильно выдавать 3 А. Средняя температура при этом – 25 градусов.
Температура влияет на емкость аккумулятора достаточно сильно: скажем, при +5 градусах аккумулятор теряет в среднем 20% емкости, при -30 градусах – до половины. Это одна из причин, почему зимние пуски иногда полностью высасывают батарею.
Емкость аккумулятора падает при его хранении на магазинном складе. Если хотите купить батарею, выдающую гостовские параметры, следите, чтобы с даты изготовления прошло не более месяца или хотя бы не более трех месяцев (зачастую это непросто сделать). Батареи, выпущенные год назад, потеряли часть свойств, лежа на полке.
Некоторые аккумуляторы имеют еще один параметр – RC или резервная емкость в минутах. Он обозначает время разрядки аккумулятора до напряжения 10,5 В при 25 градусах и токе 25 А. Фактически, параметр отражает время, в течение которого автомобиль может ехать с отказавшим генератором. Величина, коррелирующая с номинальной емкостью аккумулятора.
Разумно ли выбирать батарею большей емкости?
Если вы считаете, что стандартного аккумулятора вам в иной день не хватало, то можно попробовать. С точки зрения холодного пуска у батареи большей емкости есть несколько плюсов: во-первых, она обеспечит большее время прокрутки, во-вторых, меньшее падение напряжения при пуске. При этом в нормальных условиях работы нагрузка на генератор не будет ощутимо выше (вопреки популярному мнению), ведь количество энергии, которое машина высасывает из аккумулятора в момент пуска, не зависит от его емкости.
Однако во всем нужно чувство меры. Во-первых, аккумулятор слишком уж большой емкости может спровоцировать повышенные пусковые токи (за счет меньшего падения напряжения), что вредно для стартера. Во-вторых, если вы постоянно запускаетесь на лимите его возможностей, время зарядки его может возрасти, а в каких-то случаях (при кратковременных поездках) возможностей генератора не хватит, чтобы поддерживать батарею заряженной. В случае со свинцовыми аккумуляторами такой режим снизит ресурс.
В общем, аккумулятор большой емкости стоит расценивать как некий «неприкосновенный запас», которым вы будете пользоваться лишь иногда. Если же автомобиль не в состоянии нормально пускаться с аккумулятором стандартной емкости, то проблема не в аккумуляторе: нужна диагностика топливной системы и зажигания (свечи, форсунки, и т.п.)
Обозначения импортных аккумуляторов зачастую скуднее, но основные параметры те же: номинальные напряжение, емкость и ток холодной прокрутки с указанием стандарта. Кстати, загадочные цифры 570 500 065 обозначают то же самое: первые три цифры – это номинальная емкость +500 (в данном случае – 70 А*ч), последние три цифры – это пусковой ток, деленный на 10 (в данном случае 650 А). Но это только для европейских аккумуляторов. Обратите также внимание на маркировку технологии (EFB) и пометку, что аккумулятор предназначен для машин с технологией Start-Stop, хотя эти обозначения не обязательны и носят, скорее, рекламный характер.
Пусковой ток
На самом деле, пусковые качества батареи при исправном двигателе определяются не столько его емкостью, сколько током холодной прокрутки, который указывается на аккумуляторе (может обозначаться CCA).
Скорее всего, на батарее будет указан пусковой ток с пометкой EN. Это название стандарта, полное имя которого – EN 60095. В России ему соответствует ГОСТ 959-2002.
Число в амперах показывает, какой ток аккумулятор выдает в специальном цикле холодных испытаний. Сначала батарею замораживают до -18 градусов, после чего она должна выдержать 10-секундный разряд указанным током при падении напряжения до 7,5 В, а затем после небольшой паузы еще один цикл разряда: ток 60% от номинала, падение напряжение до 6 В в течение 90 или 150 секунд (в зависимости от исполнения). Батареи, адресованные России, выдерживают более жесткий стандарт.
Даже если вы не вполне поняли смысл предыдущего абзаца, знайте: ток холодной прокрутки определяет «силу» аккумулятора, причем именно в мороз. Если он низкий, то в холода стартер будет крутиться вяло, и не спасет даже увеличенная емкость. При выборе аккумулятора старайтесь, чтобы этот параметр не был ниже тех, что рекомендует производитель.
При этом есть еще один стандарт DIN (DIN 43559 или ГОСТ 959-91), при котором условия испытаний другие: нагрузку дают в течение 150 секунд, а напряжение не должно упасть ниже 6 В (не ниже 9 В через 30 секунд). Поскольку условия более жесткие, обычно токи по DIN примерно в 1,7 раза ниже, чем по стандарту EN – имейте это в виду. Скажем, если батарея выдает 420 А (EN), это соответствует примерно 255 А (DIN).
Есть еще американский стандарт SAE – его условия наиболее «мягкие», поэтому величины пусковых токов самые большие. Очень важно при выборе аккумулятора уточнить стандарт, по которому измерен пусковой ток, иначе под видом суперспособного аккумулятора можно купить обычный, просто с величиной тока по SAE (грубо, она на 10% больше, чем по стандарту EN).
В принципе, не надо бояться, что большой пусковой ток окажется вреден автомобилю: этот параметр отражает не столько реальный ток, который потечет через стартер (этот ток определяется сопротивлением цепи и напряжением), а предельные возможности аккумулятора в мороз. Грубо говоря, аккумулятор с низким пусковым током не выдаст нужной мощности, даже если стартер его «попросит» об этом.
Малыш Renault Sandero комплектуется в России аккумулятором с весьма серьезными параметрами.
Для сравнения у Suzuki SX4 аккумулятор емкостью 35 А*ч и пусковым током всего 300 А
Может ли батарея не подойти к автомобилю?
Да. Во-первых, при выборе аккумулятора нужно знать его размеры, во-вторых, полярность (прямая или обратная) и тип клемм (европейские, японские, американские). Вообще, лучший способ не промазать – это обратиться в специализированный салон или воспользоваться интернет-подбором. И уже потом из многообразия батарей, физически помещающихся под капотом, выбрать с оптимальными для вас параметрами.
Знаете ли вы какие металлические материалы используются в аккумуляторах электромобилей?
Современные аккумуляторы для электромобилей представляют собой сложные системы, в которых используются металлы, названия которых мы знаем еще со школьных уроков химии, но в реальности с ними мало кто сталкивался. Напомним основные характеристики кобальта и марганца, которые содержатся в аккумуляторах.
Кобальт
Кобальт (химическая марка Со, лат. Cobaltum) — голубоватый, ферромагнитный, твердый металл. Он используется в металлургии для улучшения свойств сплавов, при окраске стекла и керамики, а также имеет важное биологическое значение.
В своем обычном состоянии кобальт устойчив к воздуху и воде. В мелкодисперсном состоянии кобальт, как и железо, пирофорен (самовоспламеняется на воздухе). Он растворяется в разбавленных кислотах, таких как соляная, серная и азотная кислоты, но очень неохотно и медленно.
При нормальных температурах кобальт менее реакционноспособен, но при более высоких температурах он часто соединяется со многими элементами, образуя пламя (сера, фосфор, мышьяк, сурьма, олово, цинк, кремний, бор, галогены). Однако он не соединяется с азотом и водородом.
Историческое развитие
О первом применении соединений кобальта мы узнаем из египетских археологических находок. Они датируются 2600 г. до н.э. и представляют собой керамические и стеклянные жемчужины, окрашенные синим кобальтом.
В Средние века горняки называли кобальтовыми рудами, которые, несмотря на их металлический вид, не могли быть металлургически переработаны в металл.
Название кобальт основано на немецком названии эльфов-коболдов, которые были довольно злобными и проповедовали шахтерский труд.
Наличие кобальта ухудшало качество и перерабатываемость добываемых никелевых руд, а примеси кобальта еще больше угрожали их здоровью, так как при их обжиге выделялись опасные ядовитые газы. Позже это обозначение было ограничено рудами, которые трудно поддавались металлургической обработке и окрашивали стекло в синий цвет.
Крупнейшие запасы руды со значительной долей кобальта находятся в России, Китае, Австралии, Демократической Республике Конго и Замбии.
Производство
Основу производства кобальта составляют сплавы, которые получают при металлургической переработке никелевых, медных и свинцовых руд, содержащих мышьяк, где кобальт присутствует преимущественно в виде арсенида.
Сплавы производили оксиды кобальта, которые использовались в производстве кобальтовых красок и не обязательно должны были быть в очень чистом состоянии. Однако сегодня в основном производится металлический кобальт.
Самая большая проблема в производстве заключается в удалении никеля, который составляет значительную часть кобальтовых руд.
Использование
Цена кобальта довольно высока из-за его относительно низкой распространенности и сложности добычи, а в некоторые периоды биржевая цена кобальта достигает стоимости серебра.
Поэтому в металлургии он в основном применяется только в тех случаях, когда его нельзя заменить каким-либо более дешевым металлом и его обычно сплавляют в сплавы только в относительно небольших количествах.
Литий-ионный аккумулятор
Большая часть кобальта используется для изготовления литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые благодаря своей высокой удельной емкости, примерно 250 Вт-ч/кг, в последние годы постепенно практически вытеснили из всех портативных устройств старые типы аккумуляторов (NiMH, NiCd).
Потребление кобальта продолжит значительно расти вместе с развитием электрической мобильности и необходимостью производить в больших количествах литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время являются единственным практическим способом достижения приемлемого запаса хода и рационального веса электромобилей.
Например, легковой автомобиль массой 300 кг с литий-ионной аккумуляторной батареей имеет дальность около 500 км.
Другие типы батарей (включая другие типы батарей на основе лития) в лучшем случае достигают половины удельной емкости литий-ионных батарей. Для той же дальности вес этих других батарей должен быть удвоен.
Мировое потребление кобальта к 2010 году до разработки литий-ионных аккумуляторов составляло примерно 50 000 тонн. В 2016 году потребление кобальта составило 100 000 тонн, из них около половины на производство литий-ионных аккумуляторов.
Легковой машине с запасом хода 500 км требуется примерно 10 кг кобальта и 7 кг лития для 300-килограммовой батареи.
Недостаточные запасы кобальта могут ограничить развитие электромобилей в будущем больше, чем запасы лития.
Марганец
Марганец (химическая марка Mn, лат. Marganese) — светло-серый, парамагнитный, твердый металл. Используется в металлургии в качестве добавки к различным сплавам, катализаторам и цветным пигментам.
Двуокись марганца известна с древних времен, когда ее применяли в производстве стекла. Считался разновидностью магнетита.
В Средние века уже различали магнезии или магнезиус ляпис (магнетит, магнитный камень, магнитный железняк) и пиролюзит (диоксид марганца, MnO2).
Немного позже стеклодувы дали пиролюзиту название "бурель" в соответствии с его способностью обесцвечивать мыло из железного стекла и изменили его название на марганцевый или ляпис-марганцевый.
Представление о том, что пиролюзит — это железная руда, сохранялось до середины 18 века. В это время, однако, окончательно сошлись во мнении, что эта руда должна содержать и другой, пока неизвестный металл.
Он был открыт в 1774 году шведским химиком Карлом В. Шеелем, который в этом году представил Стокгольмской академии наук неопровержимые доказательства.
В том же году был выделен марганец. Он был выделен Йоханом Готлибом Ганом при нагревании пиролюзита с древесным углем и маслом при высоких температурах.
Марганец в чистом виде не производился до 1930-х годов путем электролиза растворов солей марганца. Марганец получил первое название марганец в 1774 году.
Марганец — элемент с относительно большим присутствием на Земле и в космосе. В земной коре среднее содержание марганца составляет около 0,9–1 г/кг, что соответствует 0,1% или 1000 ppm (частей на миллион = частей на 1 миллион частиц) и занимает двенадцатое место. В морской воде его концентрация составляет около 2 мкг на литр.
Подсчитано, что на один атом марганца во Вселенной приходится около 5 миллионов атомов водорода. В природе марганец почти всегда встречается одновременно с железными рудами.
Существенная часть мирового производства марганца расходуется на производство стали – это около 95% мирового производства марганца, а также марганцевых бронз и алюминиевых сплавов.
Остальное потребляется в стекольной и керамической промышленности и в производстве химикатов. Некоторые соединения марганца использовались, а некоторые до сих пор используются в качестве красителей.
Естественные цвета марганца включают умбру, а искусственные - марганцево-коричневый (щелочной карбонат марганца), марганцево-белый (карбонат марганца), марганцево-зеленый (иногда также кассельский зеленый) и перманентно-фиолетовый.
В сталелитейной промышленности марганец в первую очередь служит компонентом, связывающим серу и кислород при плавке, которые необходимо удалять из высококачественной стали.
Таким образом, он служит добавкой для десульфурации и раскисления, которая превращает образовавшиеся соединения S и O в шлак и, таким образом, очищает расплав.
Однако после завершения плавки некоторые процент элементарного марганца остается, в некоторых случаях только в виде непрореагировавшего избытка после удаления S и O, иногда содержание преднамеренно выше, чтобы достичь других механических свойств получаемой стали.
В дополнение к марганцу стали всегда содержат железо, хром и, как правило, никель в качестве основных компонентов.
Еще одним чрезвычайно важным марганцевым сплавом является дюралюминий. Это название относится к группе очень легких и механически стойких сплавов на основе алюминия и магния с меньшим содержанием меди и марганца.
Гальванические элементы
Самый старый серийно выпускаемый электрический гальванический элемент (батарея) состоял из цинкового катода и анода, который представлял собой графитовый диск, помещенный в пасту с высоким содержанием диоксида марганца MnO2.
Ячейка этого гальванического элемента обеспечивала напряжение примерно 1,5 В. При потреблении тока элементарный цинк окисляется до Zn+2, а четырехвалентный марганец восстанавливается до Mn+2.
Какие аккумуляторы используются в современных электромобилях
Электромобиль является наиболее современным транспортным средством, и автолюбители все больше пересаживаются на них во многих странах мира. Уже около миллиона человек по всему миру активно пользуются электрокарами, ведь в отличие от традиционных автомобилей, работающих на сжигаемом топливе, электрокар более экономичен в эксплуатации и в целом более практичен.
Тем не менее, при смене транспортного средства на электрическое, у водителя неизбежно возникают вопросы касательно обслуживания, ремонта, стоимости аккумуляторов и т. д. Несмотря на все эти вопросы, оказывается, что электромобили в конечном счете все равно обладают рядом преимуществ перед обычными автомобилями. И в данной статье мы поговорим конкретно об аккумуляторах для электрокаров.
Итак, электрокары — это автомобили, которые для своей езды используют электрическую энергию, запасаемую в аккумуляторе. Данная технология позволяет сделать электромобиль вдвое дешевле в эксплуатации, по сравнению с автомобилем на бензине, а также более маневренным на дороге. Уже сегодня существует несколько типов аккумуляторов для электрокаров: литий-ионные, литий-серные, алюминий-ионные и металл-воздушные.
В случае необходимости любой аккумулятор может быть заменен, для этого достаточно загнать электрокар в специализированный автосервис. Мастер правильно подключит все разъемы, наладит соединение батареи с бортовым компьютером, сделает соответствующие программные настройки, которые позволят электрической машине работать как прежде. Что касается «заправки» электричеством, то сегодня в мире уже функционируют зарядные станции для электрокаров мощностью 350 кВт.
Литиевые аккумуляторы
На сегодняшний день наиболее востребованы аккумуляторы для электрокаров двух типов: литий-ионные и металл-воздушные. Они не требуют обслуживания в течение года, и зачастую эксплуатация электрокара оказывается с ними бесперебойной и продолжительной.
Безусловно, литий-ионные батареи — самый часто устанавливаемый вариант аккумуляторов, просто в силу ряда явных достоинств: достаточно высокая плотность энергии, высокое напряжение, низкий саморазряд (максимум 20% в год и 6% в месяц), отсутствие эффекта памяти, срок эксплуатации — до 10 лет.
Стоят такие аккумуляторы недешево, и позволить их себе может отнюдь не каждый автолюбитель (зависит, кроме прочего от марки авто). Есть конечно и другие недостатки: диапазон рабочих температур от -20 до +50 °С обуславливает опасность перегрева батареи, плюс незащищенность от избыточного заряда.
Металл-воздушные аккумуляторы
Металл-воздушные аккумуляторы появились на рынке не так давно, но уже пользуются неплохим спросом у любителей электрокаров. На данный момент можно утверждать, что такие батареи достаточно износостойки и качественны. Кроме того они компактны, мало весят, недороги, легко утилизируются, при этом обеспечивают транспортному средству оптимальный пробег. К недостаткам можно отнести: внезапную остановку, необходимость качественного фильтра, чувствительность к низким температурам.
Литий-серные аккумуляторы
Литий-серные аккумуляторы для электрокаров относятся к малообслуживаемым батареям, однако выдерживают они всего до 60 циклов заряда-разряда. Технология дорабатывается, совершенствуется, чтобы сделать литий-серные аккумуляторы более эффективными, и вообще считается весьма перспективной.
Многие фирмы работают над аккумуляторами данного типа. АКБ на данной основе обладают повышенной емкостью и более широким диапазоном рабочих температур, по сравнению с литий-ионными батареями. Главное препятствие, которое необходимо сейчас преодолеть — малое количество циклов заряда-разряда.
Алюминий-ионные аккумуляторы
Менее всего пользователями электрокаров востребованы алюминий-ионные аккумуляторы, поскольку они пока имеют мало циклов заряда-разряда и слабую производительность катодов. Соответственно и спрос на них минимален. Сейчас китайские разработчики пытаются усовершенствовать алюминий-ионные аккумуляторы, и есть основания предполагать, что в будущем они станут использоваться более активно. Алюминий-ионные аккумуляторы считаются более безопасными и обещают быть более дешевыми.
В электрокаре, как правило, для питания бортовой сети используется отдельный аккумулятор. Тяговый аккумулятор служит только для питания электродвигателя, поэтому именно к тяговому аккумулятору предъявляются более жесткие требования касательно мощности и стойкости, ведь именно благодаря ему и питаемому от него электрическому приводу электромобили такие маневренные по сравнению с бензиновыми.
Лучшие технологии аккумуляторов для электрокаров
Питание электрического мотора в электрокаре должно всегда быть обеспечено на самом высоком уровне, поэтому в технологии создания батарей всегда идут усовершенствования. Большие надежды сейчас возложены на графен — особую форму углерода. Он недорог в производстве, и батарея с ним получается в четыре раза дешевле чем литиевая.
Многие страны уже занимаются изготовлением тяговых батарей на основе графена. В теории зарядка на 1000 километров пробега будет занимать всего около 8 минут. В ближайшем будущем графеновые аккумуляторы однозначно заявят о себе на практике, тем более в Германии электрокары на них уже с успехом тестируют.
Аккумуляторы для электрокаров сегодня
Пока большинство аккумуляторов, установленных в электрокарах, - литий-ионные, железо-фосфатные и свинцово-кислотные. Аккумуляторы любого типа набираются в виде ячеек, соединяемых параллельно и последовательно в огромные сборки требуемой емкости.
Поскольку электрокары различаются между собой по мощности, то и батареи у них не одинаковы, то есть состоят из разного количества ячеек. У некоторых моделей напряжение тягового аккумулятора составляет менее 400 вольт, у других — 800.
Новая батарея рассчитана на продолжительный период эксплуатации, и ее полного заряда хватает на максимальный пробег, но со временем аккумулятор изнашивается и нуждается в замене. А в случае повреждения части ячеек, модульная конструкция аккумулятора позволяет его ремонтировать.
И тут важно понимать, что подбор новой батареи, в случае истощения имеющийся, производится индивидуально, соответствующим образом программируется и бортовой компьютер. Причем и ремонтом и заменой батареи занимается мастер, имеющий профильное образование.
Изначально ресурс тяговой батареи электрокара ограничен заявленным производителем сроком ее эксплуатации, это обычно от 5 до 10 лет, в зависимости от модели изделия. Со временем емкость среднестатистической батареи снижается: в первые пару лет она теряет до 10% емкости, далее — до 20% за три года, а потом — по 1% в год. Так или иначе, в определенный момент батарею неизбежно придется менять. Но иметь запасной аккумулятор под рукой много лет не нужно.
Б/У аккумуляторы от электрокаров не выбрасывают. Их часто устраивают в системы автономных домашних систем электроснабжения на солнечных батареях, что весьма практично. Если же батарея больше не нужна, ее следует правильно и безопасно для окружающей среды утилизировать, обычно этим занимаются сами производители аккумуляторов.
Читайте также: