Разработки в области накопления электрической энергии

Разработки в области свинцово-кислотных батарей

Свинцово-кислотные батареи не претерпели принципиальных изменений по самой ранней конструкцией (изобретенной Гастоном Планше в 1859 г.). Однако постепенные изменения и, в частности, развитие систем точного контроля степени заряда, позволило перейти к использованию необслуживаемых герметичных батарей. На рис. 5.9 показана типичная современная батарея.

Другие разработки были направлены на создание батарей для специфических, таких как дополнительные батареи в автоприцепах, электрокарах или источники электропитания газонокосилок и тяговых устройств. Эти батареи допускают глубокую разрядку и. в случае батарей автоприцепа, могут также иметь вентиляционные трубы, предназначенные дня выхода газов наружу. Некоторые батареи для промышленных транспортных средств отличаются повышенной.

Процессы в свинцово-кислотных батареях похожи даже с учетом вариантов конструкции. Однако стоит упомянуть батареи, гель вместо жидкого электролита. Преимущество этих, что они не текут и не требуют периодического обслуживания.

Основная проблема состоит в том, что скорость химической реакции в таких батареях уменьшена. Хотя это не проблема для некоторых типов источников, ток, кратковременно потребляемый стартером транспортного средства при пуске, очень высок. Поэтому емкость по критерию тока холодного пуска (ССЛ) дл* этого типа батареи часто ниже, чем для обычной батареи

эквивалентного размера.

Электролит тина твердого геля, используемый

в некоторых типах этих батарей, называется триксотропическим. Данный термин означает, что из-за высокой вязкости гель останется неподвижным, даже если батарея будет перевернута. Другие преимуществе электролита типа твердого геля состоит в том, что сеть пористых дорожек сформирована через электролит. Если батарея будет перепряжена, то кислород, выделяемый на положительной пластине, начнет двигаться к отрицательной пластине, где соединится со свинцом и серной кислотой, образуя сульфат свинца и воду:

О, + 2Рb - 2РbО,

РbО + H2SO4 – PbSO4+ H2O.

Это преобразование воды означает, что батарея действительно не требует обслуживания. Процедура заряда здесь происходит так же, как в обычных батареях.

К настоящему времени глеевые батареи не слишком подходят для применения в обычных автомобилях, но они являются отличным выбором для транспортных средств специальною назначения, запускаемых от внешнего источника энергии. Батареи обычного автомобиля, использующие гелиевый электролит; появились на рынке несколько лег назад, сопровождаемые громкими заявлениями об их надежности и долговечности. Однако эти батареи не стали популярными. Возможно, это произошло

потому, что их пусковой ток был недостаточно высок из-за низкой скорости химической реакции.

Интересным развитием в «нормальных» свинцово- кислотных батареях оказалось использование для сеток положительных пластин антимонида свинца (PbSb) и кальцина свинца (PbCa) для сеток отрицательных пластин. Это имело следствием существенное сокращение потери воды и увеличение срока службы. Пластины упаковываются в микропористый сепаратор в форме пакета, на каждой стороне которого находятся сетки из стекловолокна. Пакетные сепараторы фильтруют примеси и, следовательно, поддерживают электролит в хорошем состоянии.

Щелочные батареи

Свинцово-кислотные батареи традиционно требовали значительного объема обслуживания для поддержания их в хорошем состоянии. Впрочем, с появлением герметичных необслуживаемых батарей это уже не так. Однако когда батарея должна регулярно подвергаться высокой скорости заряда- разряда или оставаться в бездействии в течение долгого времени, свинцово-кислотный элемент не идеален. С другой стороны, щелочные элементы требуют минимального обслуживания и значительно более стойки к «электрическим злоупотреблениям» вроде глубокого разряда и перезаряда.

Недостатки щелочных батарей состоят в том, что они массивна, имеют меньшую энергетическую эффективность и более дороги, чем их свинцово-кислотный эквивалент. Впрочем, для некоторых применений срок жизни щелочных батарей и минимальные требования к обслуживанию того стоит. Автобусные и рейсовые компании, а также некоторое крупные транспортные операторы используют щелочные батареи.

Щелочные батареи, используемые на транспортных средствах, - это, вообще говоря, никель-кадмиевыебатареи, поскольку другой основной тип таких батарей—для такого применения. Главные

компоненты никель-кадмиевыеэлемента (NiCd) для транспортных средств следующие:

♦ положительная пластина гидрат никеля (NiOOH);

♦ отрицательная пластина- кадмий (Cd);

♦ электролит - гидроокись калия (КОН) и вода (H2O).

В процессе заряда кислород перемешается от отрицательной пластины к положительной, и в обратном направлении - при разряде. Когда батареи заряжена полностью, отрицательная пластина становится чистым кадмием, а положительная пластина становится гидратом никеля. Химическое уравнение, представляющее эту реакцию, в упрощенном виде выглядит так:.

2NiOOH + Cd + 2Н20 + КОН

2Ni (ОН)3 + CdO2 + КОН.

Две молекулы H2O фактически улетают я виде водорода (Н) и кислорода (О2), поскольку в течение всего времени заряда имеет место газообразование. Именно потребление поды элементами указывает на то, что они работают так, как следует из уравнения. Состав электролита в течение реакции не изменяется. Это означает; что величина относительной плотности не будет указывать степень заряда. Эти батареи нечувствительны к перезаряду, потому что как только окись кадмия превратилась в кадмий, дальнейшая реакция невозможна.

Напряжение элемента полностью заряженной батареи — 1,4 В, но оно быстро падает до 1,3 В, как только начинается разрядка. Элемент разряжается до напряжения 1.1 В. На рис. 5.10 показана упрошенная схема NiCd элемента аккумуляторной батареи.

Некоторую надежду для использования в электрических системах транспортных средств подают Ni-MH (никель-металлгилридиые) батареи.

Батарея ZEBRA

Комиссия по исследован им м батарей с нулевым выбросом (Zero Emission Battery Rccearch Activity—ZEBRA) приняла батарею на основе соединения никель-хлорид натрия для использования ее в программе разработки электрического транспортного средства. Основные материалы батареи — никель и попаренная соль. Когда батарея заряжается, на одной стороне керамического электрода хлорид никеля, а натрий на другой. При разрядке электроды изменяют свое состояние обратно к исходным материалам. Каждый элемент батареи имеет напряжение 2,58 В.

Батарея работает при внутренней температуре 270-350 *С и требует встроенного нагревателя. Корпус батареи представляет собой «термос», гарантирующий, что температура наружной поверхности никогда не 30 С. Батарея ZEBRA имеет плотность энергии 90 (Вт/ч)/кг, что вдвое больше значения для батареи снинцово-кислотного типа.

При эксплуатации на электрическом транспортном средстве (electric vehicle - EV) пакет батареи состоит из 44К индивидуальных ячеек, дающих напряжении около 289 В. Плотность энергии - 8J (Вт/ч)/кг, масса пакета - 370 кг (более ¼ полной массы транспортного средства), размеры — 993x793x280 мм. Пакет можно перезарядить всего за один час, используя внешний источник энергии. Этот тип батареи находится в настоящее время о пробной эксплуатации на автомобиле класса А компании Mercedes.

Ультра-конденсаторы

Ультра-конденсаторы - это конденсаторы очень высокой емкости, но относительно малого размера. Это достигается применением электродов из нескольких различных материалов, приготовленных при использовании специальных процессов. Некоторые ультра-конденсаторы базируются на использовании поверхности

большой плошали, двуокиси рутения (RuO:) и угольных электродах. Рутении чрезвычайно дорог и доступен только в очень ограниченных количествах.

Электрохимические конденсаторы используются в энергоемких областях, таких как клеточная электроника, кондиционирование, промышленные лазеры, медицинское оборудование, мощная бытовая электроника, электрические и гибридные транспортные средства. В обычных транспортных средствах можно применить ультра-конденсаторы, чтобы снизить требования к мощности генераторов переменного тока в случае пиковых нагрузок, возникающих при работе усилителя привода руля и тормозов. Ультра-конденсаторы могут накапливать энергию торможения, рассеиваемую в обычных тормозах в миле тепла, и могут использоваться, чтобы повысить к.пл. энергосистемы.

Одна система, эксплуатируемая на гибридном автобусе, использует 30 ультра-конденсаторов. накапливающих (600 кДж электрической энергии (она имеет электрическую емкость 20 Ф при напряжении 400 В). Весит такая батарея конденсаторов 950 кг. Использование этой технологии позволяет использовать энергию, которая в другом случае была бы попросту потеряна (например,

затраченную на торможение). Конденсаторы можно зарядить за очень короткое время, и они могут быстро отдавать ее - например, для быстрого разгона.

Топливные элементы

Энергия окисления традиционного топлива, сопровождаема» обычно выделением тепла, может быть преобразована непосредственно в электричество внутри топливного элемента. Все процессы окисления включают в себя передачу электронов между топливом и окислителем, и в топливном элементе используется сходный процесс преобразования энергии непосредственно в электричество. Химический процесс в батарее сопровождается окислением на отрицательном полюсе и восстановлением на положительном. Чтобы достичь разделения этих реакций в топливном элементе, требуется анод, катод и электролит. Электролит в таком элементе подастся непосредственно с топливам.

Оказалось, что топливо в виде водорода при соединении с кислородом обещает стать самым эффективным источником энергии. Топливные элементы очень надежны и бесшумны в работе, но в настоящее время очень дороги. На рис. 5.11 схематически показано строение топливного элемента.

Работа топливного элемента на водороде происходит следующим образом. Водород под годится к электроду (аноду) из пористого никеля, покрытого катализатором, и диффундирует в электролит. При этом электроны отрываются от атомов водорода. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь. На электроде, к которому аналогичным образом подается кислород, образуется избыток отрицательно заряженных водородных анионов (ОН~). Кислород также переводит в раствор электролита. Анионы движутся через электролит к аноду. Используемый электролит- раствор гидроокиси калия (КОН). Бода образуется как побочный продукт реакции, в которой участвуют ионы водорода, электроны

и атомы кислорода. Если использовать элемент при высокой температуре, создаваемой самим топливным элементов, то можно получить к.пл. более 80% при хорошем показателе плотности энергии. Одна ячейка топливного элемента часто упоминается как «стек».

Рабочая температура этих элементов варьируется, типичное значение около 200 *С. Здесь также используется высокое давление, которое может составлять 30 Бар. Главными проблемами, которые предстоит преодолеть, прежде чем топливный элемент станет реальной альтернативой другим формам сохранения энергии для массового рынка, являются именно давление и хранение водорода. В следующем разделе, однако, показывается путь решения «водородной» проблемы.