Литий-ионные батареи для электротранспорта и энергетики

Литиево-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, широко распространённый в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты, литиево-полимерным аккумулятором. Первый литиево-ионный аккумулятор разработала корпорация Sony в 1991 году.

Характеристики

• Энергетическая плотность: 110 … 200 Вт*ч/кг
• Внутреннее сопротивление: 150 … 250 мОм (для батареи 7,2 В)
• Число циклов заряд/разряд до потери 20% ёмкости: 500—1000
• Время быстрого заряда: 2-4 часа
• Допустимый перезаряд: очень низкий
• Саморазряд при комнатной температуре: 5-10% в месяц
• Напряжение максимальное в элементе: 4,18..4,20 В (полностью заряжен)
• Напряжение минимальное: 3,4..3,6 В(полностью разряжен)
• Ток нагрузки относительно ёмкости (С):
  • — пиковый: больше 2С
  • — наиболее приемлемый: до 1С
• Диапазон рабочих температур: −20 — +60 °C
• обслуживание: не регламентируется

Устройство

Вначале в качестве отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля), в дальнейшем применяется графит. В качестве положительных пластин применяют оксиды лития с кобальтом или марганцем. 

При заряде литий-ионных аккумуляторов протекает следующая реакция:

• на положительных пластинах: LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe−
• на отрицательных пластинах: С + xLi+ + xe− → CLix

При разряде протекает обратная реакция.

Преимущества технологии

• Высокая энергетическая плотность.
• Низкий саморазряд.
• Отсутствует эффект памяти.
• Простота обслуживания.

Во всем мире активно развивается электротранспорт. Усилия крупных автоконцерной направлены на создание недорогих экономичных пассажирских автомобилей. Это обусловлено тем, что существующие батареи имеют ограниченную емкость, которой не хватает на обеспечение пробега транспортных средств (ТС) с двигателями небольшшой мощности.

Наиболее коммерчески привлекательным является разработка и внедрение муниципального пассажирского электротранспорта, малотоннажных грузовых электромобилей. Этот сегмент позволяет получать субсидии и активно поддерживается правительствами разных стран. Трудности создания батарей, имеющих достаточный заряд для обеспечения пробега ТС с мощными двигателями, кроется как раз в невысокой емкости отдельных элементов. Технология литий-ионных аккумуляторов позволяет производить батареи емкостью 600 А*ч и выше, которые могут быть использованы для оснащения автобусов и грузовых автомобилей.

В ближайшее время начнется активное движение по переходу на электротранспорт и в России. Учитывая, что зарубежный электротранспорт без действующих субсидий будет достаточно дорог, то можно ожидать образования ниши спроса на переоборудование существующих автомобилей с ДВС в электротранспорт.

Преимущества автотранспорта

• Снижение расходов на электроносители
• Снижение расходов на ремонт двигателя
• Вывод загрязнения из черты города в места генерации электроэнергии
• Общее снижение загрязняющих выбросов в атмосферу
• Возможность использования энергии альтернативных источников

Преграды на пути внедрения электротранспорта

• Отсутствие энергоёмких, дешевых и надежных батарей для питания электродвигателя
• Небольшая емкость батарей ограничивает пробег электромобиля и вызывает потребность в их частой перезарядке
• Ограниченное число таких перезарядок батарей
• Ограниченный срок службы батарей
• Высокая стоимость производства батарей
• Длительное время для заряда батарей
• Потребность в дорогостоящей сопутствующей инфраструктуре (дооснащение бензозаправок и автопарков станциями подзарядки)

Замена автотранспорта с двигателями внутреннего сгорания на электротранспорт — это конкретный шаг на пути повышения энергоэффективности нашей экономики. Стоимость 100 км пробега транспорта с электродвигателем примерно в 4 раза ниже, чем у аналогичного транспортного средства с ДВС. Автобусы, оснащенные электродвигателями более просты в обслуживании, безопасны, стоимость их эксплуатации более чем в 5 раз ниже стоимости эксплуатации автобуса с ДВС.

Сравнение экономичности эксплуатации транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания и электротранспорта на примере миниавтобуса и автобуса.

Параметры электротранспорта от компании Лиотех:

Пассажирский  мини-электроавтобус

• Размеры:          7,0 х 2,0 х 2,7m
• Максимальная мощность:     90 квт. (120 л.с.)
• Номинальная мощность:       45 квт. (60 л.с.)
• Полный снаряженный вес:   5,8 тонн
• Общее число мест:           20-30
• Максимальная скорость        100 км/ч
• Подъем в гору:           ≥ 22%
• Пробег без подзарядки:           ≥300км
• Батарея рассчитана на:           600 000 км

Батарея:

• Кол-во элементов в батарее:  110
• Рабочее напряжение батареи:  278 ~ 472 Вольт
• Максимальная энергоемкость:  283 КВт*час
• Макс. кол-во перезарядок:  ≥3000
• Температура эксплуатации:  -35oC ~ +75oC
• Вес батареи  2112 кг
• Вес батареи  (11 % веса ТС)
• Элемент батареи:  TS-LFP600AHA
• Номинальная емкость:  600AH
• Рабочее напряжение:  2,5V ~ 4,25В
• Вес элемента  19.8kg±200g
• Размеры  363×306×56(mm)
• Удельная емкость:  30,4 Ач/кг   46,0 Ач/л
• Удельная энергия:  150 Вт*ч/кг  320 Вт*ч/л
• Макс. ток разряда (рабоч.) :   ≤  3 CА
•                                  (пиковый) :  ≤10 CА
• Ресурс (80% DOD) :  ≥ 2000 циклов
•              (70% DOD) :   ≥ 3000 циклов
• Саморазряд :  ≤ 3% в месяц
• Себестоимость:  0,69 $/А*ч

Пассажирский электроавтобус

на примере Scania DC916

• Размеры:                     12 х 2,5 х 3,2 м
• Мощность двигателя :                      230 л.с.
• Полный снаряженный вес:             19,5 тонн
• Пассажировместимость:                 89 чел.
• Максимальная скорость:                100 км/ч
• Расход топлива л. (на 100 км):       33 (при 60 км/час)
• Пробег без подзарядки:                    ≥300 км
• Батарея рассчитана на:                      600 тыс. км 

Батарея:

• Кол-во элементов в батарее:  110
• Рабочее напряжение батареи:  278 ~ 472 Вольт
• Максимальная энергоемкость:  283 КВт*час
• Макс. кол-во перезарядок:  ≥3000
• Температура эксплуатации:  -35oC ~ +75oC
• Вес батареи  2112 кг
• Вес батареи  (11 % веса ТС)
• Элемент батареи:  TS-LFP600AHA
• Номинальная емкость:  600AH
• Рабочее напряжение:  2,5V ~ 4,25В
• Вес элемента  19.8kg±200g
• Размеры  363×306×56(mm)
• Удельная емкость:  30,4 Ач/кг   46,0 Ач/л
• Удельная энергия:  150 Вт*ч/кг  320 Вт*ч/л
• Макс. ток разряда (рабоч.) :   ≤  3 CА
•                           (пиковый) :  ≤10 CА
• Ресурс (80% DOD) :  ≥ 2000 циклов
•              (70% DOD) :   ≥ 3000 циклов
• Саморазряд :  ≤ 3% в месяц
• Себестоимость:  0,69 $/А*ч

Применение литий-ионных батарей в стационарные системы регулирования частоты и мощности

Чтобы гарантировать надежное функционирование электросетей поставщики электроэнергии и операторы электросетей должны поддержать частоту переменного тока как можно ближе к 50 Гц (или к 60 Гц в США). Когда потребление электричества точно сооответствует планируемой загрузке, частота сети устойчива. При падении нагрузки в сети частота повышается, а при повышении нагрузки частота снижается. Это приводит к нестабильной работе самой сети и подключенного промышленного и бытового электрооборудования, повышению затрат при передаче электроэнергии. Поэтому операторы сети стремятся непрерывно балансировать, пожключая дополнительные нагрузки и вырабатывая дополнительные мощности в момент пиковых нагрузок для поддержания надлежайщей частоты. На это расходуется примерно один процент вырабатываемой мощности.

Применяются различные системы поддержания частоты. Как правило, повышенный расход энергии и снижение частоты в сети в периоды пиковой нагрузки компенсируется путем подключения резервных генераторов. Также применяются системы накопления энергии на основе электрохимических источников тока и роторные системы.

В период снижение потребления включаются системы подзарадки батарей, что равносильно включению дополнительной нагрузки для выравнивания частоты. В периоды повышенного поотребления электроэнергии от заряженных батарей питаются электрогенераторы постоянного тока, вырабатывающие дополнительную электроэнергию.

Схема использования резервных генераторов

Использование роторных систем является весьма капиталоемким - US $1630 на кВт запасаемой энергии. Такие системы показывают более высокую экономическую привлекательность по сравнению с другими системами только на протяжении длительного времени (30 лет).

Табл. Сравнение капитальных затрат при использовании разных типов резервных генераторов

Эффективность роторных систем сравнивалась со свинцово-кислотными ХИТ, используемыми для накопления электроэнергии, которые имеют срок слуюбы 2 года. 

Использование литий-ионных батарей может показать более высокую эффективность по сравнению с роторными системами по следующим причинам:

• Более высокая энергоемкость литий-ионных батарей потребует меньшего количества самих батарей, а значит и изначально более низкие капитальные затраты.
• Срок службы литий-ионных батарей составляет как минимум 13 лет, а не два года как свинцово-кислотных батарей. Поскольку разряд батареи не будет достигать 70-80%, то срок службы модет ещё выше.
• Литий-ионные батареи (например, от Thunder Sky) весом 350 кг и емкостью 9000 А*ч содержит 52,5 кВт*ч электроэнергии. Установка накопителей электроэнергии требует минимальных затрат на капитальное строительство и может быть легко организовано на существующих станциях различной мощности.
• Себестоимость 1 кВт*ч литий-ионных батарей составляет около US$200. То есть себестоимость батареи 9000 А*ч будет около US$10000.
• Капитальные затратына стационарную системы запаса энергии (Батареи, электрогенераторы, сиситемы контроля заряда и проч.) оцениваются 350-380 $/кВт*ч и являются сопоставимым решением по себестоимости с роторными и другими системами накопления энергии и выравнивания частотных характеристик сети.

Объем рынка для литий-ионных батарей в стационарных системах регулирования частоты напряжения составляет несколько сотен миллионов долларов.

Варианты использования батарей для альтернативной энергетики:

• Накопители электроэнергии вырабатываемой станциями солнечной энергетики - позволяют обеспечивать потребителей электроэнергией в периоды снижения солнечной инсоляции из-за погодных условий.
• Накопители электроэнергии вырабатываемой ветрогенераторами позволяют обеспечивать потребителей электроэнергией в периоды снижения скорости движения воздушных потоков.
• Накопители электроэнергии вырабатываемой приливными и волновыми электростанциями позволяют обеспечивать потребителей электроэнергией в периоды снижения естественной активности этих природных источников энергии.