# Новые конструкции и компоненты

**Эта страница не является руководством к разработке новых батарей. Она является средством помощи для инженеров в понимании «магии» конструкций ячеек и электролитов.**

Около 2 миллиардов батарей стоимостью около 30 миллиардов долларов производится ежегодно (2012) для использования в ноутбуках, мобильных телефонах, камерах, потребительской электронике, домашних устройства, электроинструменте, обычных транспортных средствах, гибридных и электрических транспортных средствах, устройствах бесперебойного питания. Большие награды ожидают того, кто сможет изобрести новые батареи. Это отчасти правда для батарей, используемых в электрических и гибридных транспортных средствах, которые требуют маленьких, лёгких и дешёвых батарей для увеличения экономической эффективности.

Вызов был принят академическими и индустриальными исследовательскими институтами по всему миру и сейчас мы можем наблюдать постоянный поток маленьких улучшений в технологии, сопровождающийся периодическими значительными улучшениями. Газеты и журналы быстро публикуют большие ожидания от батарей для пользователей и специалистов относительно исследуемых батарей. К сожалению, ожидания очень часто слишком оптимистичны, преждевременны и разочаровательны.

К сожалению, правда то, что демонстрируемые в лаборатории результаты не всегда могут быть преобразованы в коммерческий продукт. Если технология действительно жизнеспособна, потребуется много лет для разработок и промышленного выпуска. Десятилетний период созревания новых электролитов обычен для индустрии. Если вы думаете, что он слишком велик, то эта страница для вас.

## Задачи и размышления

Следующий рисунок показывает основные задачи, решаемые при разработке новых электролитов и показывает ключевые параметры производительности, которые должны быть определены и которые могут повлиять в будущем.

[Примечания](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/cell_design.md#notes) ниже содержат несколько примеров.

![](https://3455823404-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MMZeXDA-8_D2eSijZss%2Fsync%2F1c4b3b12f89a070015654c1c47e76e43940c0cb2.png?generation=1605859204440274\&alt=media)

## Примечания <a href="#notes" id="notes"></a>

Основной выбор в поиске оптимального электролита, который сможет удовлетворить требования производительности, состоит в том, что все параметры взаимосвязаны. Улучшение одного из них может ухудшить один или несколько других. С повторяющимся тестированием и тестированием на протяжении срока службы, изменения должны отслеживаться постоянно, поэтому процесс может занимать долгие годы.

## Требования к активным материалам

### Выбор электролита

Из 118 элементов в [периодической таблице](../../../chemistries#periodic) только 79 стабильны и могут использоваться в электрохимических ячейках. Оставшиется 39 радиоактивны, а 4 из них всё ещё не названы и один предсказан, но не подтверждён.

### Электроды

Из 79 возможных кандидатов для электродов, по различным причинам подходят не все. Ниже приведены несколько факторов, оказывающих влияние на выбор.

*   Электродный потенциал

    Периодическая таблица даёт отображение потенциала для двух элементов, которые могут быть использованы в качестве электродной пары. Элементы в левой части таблицы имеют избыток электронов и известны как восстанавливающие элементы. В контрасте с ними находятся элементы правой части таблицы (окисляющиe), которые имеют недостаток электронов. Избыток или недостаток известен как стандартный электродный потенциал элемента. Таким образом, структура элемента имеет тенденцию, характеризующуюся электродным потенциалом, показывающую интенсивность окисления или восстановления.

    Элементы с высокими отрицательными значениями отрицательного электродного потенциала используются для катодов, А элементы с высоким положительным потенциалом используются для анодов. Напряжение между клеммами ячейки определяется разностью напряжений элементов, образующих катод и анод, и максимальной возможной разностью напряжений между клеммами. Увеличение напряжения позволит увеличить энергетическую плотность ячейки, но существуют другие факторы, как кристаллическая структура элементов, газообразование при высоких температурах и другие.

    Более подробно электроды рассмотрены в [химии ячеек](../../chemistries).
*   Обратимость химической реакции

    Не все потенциальные электродные пары образуют обратимую реакцию. Это требование отметает многие потенциальные пары электродов.

    Для вторичного источника, химическая реакция между элементами обязательно должна быть обратима. Этот факт в будущем уменьшает потенциальное количество электродных пар. Но следует так же учитывать, что существует большое количество возможных химических реакций между электродами в паре. Эти сторонние реакци будут ускоренно разрушать активные реагенты и должны быть нейтрализованы.

    Когда подходящая химическая реакция получена, обычно она прекращается через несколько циклов. Основной задачей в разработке практичного коммерческого продукта является улучшение и расшинение пригодности к циклической работе. Тесты цикличности могут занимать нт нескольких дней до нескольких месяцев в зависимости от качества ячеек и кратности рабочего тока.
*   Обратимость ёмкости

    Возможность электродного материала захватывать и высвобождать ионы из электролита известна как обратимая ёмкость и измеряется в миллиамперах на грамм (мА/г). Для максимизации ёмкости ячейки, электродные материалы должны обладать высокими значениями обратимой ёмкости. Для оптимизации использования объёма внутри ячейки может быть невозможно сбалансировать ёмкость с эквивалентным размером электродов. В этом случае объём материала с меньше обратимой ёмкостью может быть увеличен для компенсации этого недостатка. Это достигается контролем толщины электродного покрытия и токопроводящей фольги.
*   Оптимальная температура реакции {#temp}

    Большинство батарей разрабатывается для работы в диапазоне температур 10-35°C, как описано выше. Ниже этого предела работа батарей становится затруднительна. Производительность большинства батарей снижается при очень низких температура, поскольку существует возможность замерзания электролита и химические реакции идут медленнее. Аррениус показал, что увеличение температуры на 10°C приводит к увеличению скорости химической реакции вдвое. В то время, как это увеличивает мощность батареи, это так же приближает её к температуре, когда химические реакции в ней могут выйти из-под контроля и разрушить батарею. Таким образом, активные химические вещества должны выбираться так, чтобы достигнуть максимально возможного диапазона рабочих температур.

    Работа некоторых батарей зависит от расплавления солей до жидкого состояния и они могут работать только при высоких температурах. В качестве примера можно привести натриево-никель-хлоридную батарею (NaNiCl) или «Зебру» (Zebra), которые работают при температуре свыше 270°C, а натриево-серная батарея (NaS) работает только при 320-340°С.
*   Свойства частиц электрода

    Контроль размера и формы частиц, образующих электроды, возможно, важный фактор, определяющий эффективность батареи.
*   Морфология кристалла

    Мощность ячейки зависит от площади поверхности электродов и улучшается изготовлением частиц настолько маленькими, насколько это возможно. Импеданс ячейки зависит от максимальной разности в размерах, поэтому более пригодны одинаковые маленькие частицы. Проводимость через электрод увеличивается покрытием частиц очень тонким проводящим слоем углеродом толщиной в несколько нанометров.
*   Механическая нагрузка

    [Прослойка](../../../chemistries#intercalation) литиевых ионов в кристаллической структуре отдельной частицы заставляет частицу увеличивать объём структурных изменений и вызывает напряжения в кристаллической структуре. Когда направление тока изменяется на противоположное, размеры частицы возвращаются к исходным. Циклические процессы заряда и разряда ячейки создают повторяющиеся напряжения, которые в конечном счёте приводят к разрушению частицы, что снижает контакт между ними и увеличивает электрическое сопротивление электрода.

    Подробнее о механических напряжениях на странице [эксплуатации батарей](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/life.md#mechanicalstress).
*   Пассивация

    Пассивация является палкой о двух концах. С одной стороны она создаёт [поверхностный активный слой](../../../chemistries#sei) на поверхности электрода. Во многих ячейках это является препятствием к химической реакции между ионами электролита и элекродного материала, увеличивающими внутренний импеданс ячейки. Но в некоторых типах электролитов (литиевых, например, но не во всех) этот слой необходим для обеспечения контроля химической трансформации в ячейке для предотвращения слишком сильных реакций между электродом и электролитом.
*   Нано-материалы

    Необходимый размер частиц для электродных материалов обычно выполняется с помощью шарикового перемалывания электродного порошка до частиц диаметром 100 нанометров или меньше. Для батарей с высочайшими требованиями недавними исследованиями было доказано, что возможно использование наноматериалов с прецизионным контролем кристаллической структуры.

    Углеродные нанотрубки имеют очень высокую обратимую ёмкость и их линейная структура позволяет получить очень высокую доступность поверхности для электролита.

    Силикон так же имеет высокую обратимую ёмкость, когда используется в качестве анода, но существую проблемы большого изменения объёмов кристаллов силикона при наличии включений, что приводит к их разрушению при работе ячейки в циклическом режиме. Эта проблема частично решается использованием силиконовых наношнуров, которые имеют превосходные свойства по растяжению и меньше подвержены проблемам изменения объёма.

    Использование наноструктур не позволяет получить батареи высокой ёмкости и длительного срока службы, поскольку эти материалы требуют более точный и дорогой производственный процесс против парового химического осаждения, поэтому эти материалы всё ещё не доступны в количествах, требуемых для батарей высокой мощности.
*   Токсичность

    Использование некоторых материалов вроде кобальта или кадмия и свинца, который в течение многих лет использовался в батареях, осуждается, поскольку их бесконтрольный выброс наносит вред окружающей среде.
*   Цена

    Это правило заставляет отказаться от использования экзотических материалов в производстве батарей.
*   Электролиты

    Электролиты должны обладать высокой проводимостью ионов, особенно, для высокомощных устройств. Они так же должны обладать хорошими смачивающими характеристиками. Смачивание является способностью улучшать контакт между электродом и электролитом на поверхности электрода и является хорошим подспорьем при переносе ионов через сепаратор.

    Многие батареи работают при напряжении ниже 4 вольт. В то время как возможен подбор электродной пары для обеспечения напряжения в 6 и более вольт, этот потенциал ограничен, поскольку электролит перестаёт работать при разнице напряжений около 4,5 вольт. Этот факт выдвигает другое ограничение на комбинацию элементов, которые могут быть использованы в ячейка.

    Так же, электролиты не способны выдерживать высокие температуры. Широкораспространённая соль, используемая в литиевых батареях, литиевый гексафторофосфат (LiPF6), разлагается на опасные формы высокоактивной фтороводородной кислоты (HF), пары которой токсичны для людей и вызывают разрушение ячеек. Этот процесс происходит при контакте электролита с водой или влагой в воздухе. Именно поэтому производство должно проходить в «сухих» комнатах для предотвращения образования кислоты.

    При очень низких температурах некоторые водные электролиты будут замерзать. Температура замерзания сернокислотного электролита при полностью заряженном свинцово-кислотном аккумуляторе составляет около -70°C. Вместе со снижением заряда снижается и [плотность](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/glossary.md#sg) электролита, а содержание воды в ней увеличивается, поэтому при заряде в 40% электролит замёрзнет при -9°C.

    Ещё одна проблема с электролитом состоит в том, что металлы, используемые в энергетических ячейках могут растворяться в некоторых электролитах. Например, для литий-ионных ячеек при низком состоянии заряда, когда напряжение падает ниже 2,5 вольт, медный анод растворяется в электролите. Когда напряжение возрастает опять, медные ионы выходят из металлических частиц и распространяются в электролите, что может привести к короткому замыканию.

## Требования к пассивным материалам

### Электродная подложка

Электродные материалы обычно поставляются в виде порошка, но для использования в ячейках они должны иметь токопроводящую фольгу, обычно алюминиевую или медную, и образовывать гомогенный слой с точно контролируемой толщиной. Это является работой проводящих материалов. Проводящие материалы растворяются с помощью растворителя для образования проводника, в котором электродный порошок смешивается для образования гидросмеси, которая позволяет электродному порошку соединяться с фольгой. Вязкость смеси должна быть точно контролируема для гарантии толщины электродного слоя. Последующее прохождение покрытой фольги через печь испаряет растворитель, что приводит к прикреплению электрода к фольге, что приводит к увеличению проводимости ячейки, но так же и повышению саморазряда.

Более детально процесс производства описан в [производстве ячеек](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/battery_manufacturing.md).

### Растворители

Поскольку растворители используются для связки, неактивные сольвенты так же могут быть необходимы для удержания электролита в жидком состоянии. Для достижения оптимальной производительности из растворителей могут быть выбраны токсичные. N-метил пиролидин, который используется для диагностики беременных женщин, в качестве растворителя масел, нефти и диспергентом пигментов, является одним из растворителей, которые используются при производстве литиевых батарей для прикрепления покрытия к электроду.

### Химические добавки

Различные дополнительные вещества могут быть использованы для улучшения производительности со следующими целями:

* Улучшение пассивирующего слоя
* Катализации химических реакций
* Улучшения проводимости или внутреннего импеданса
* Улучшения смачивания
* Уменьшения саморазряда
* Защиты от перезаряда
* Защиты от «наростов» на электродах
* Предотвращения разрушения электродных частиц
* Увеличения температурного диапазона
* Улучшение свойств сепаратора
* Препятствие воспламенению

Следует отметить, что введение добавок в ячейку уменьшает пространство для активных химических компонентов и уменьшает ёмкость батарей.

### Сепаратор

Сепаратор является непроводящим пористым барьером между анодом и катодом. В ячейках, которые работают при комнатных температурах или немного выше, сепаратор обычно представляет собой пористую мембрану из полипропиленовой или полиэтиленовой плёнки с очень маленькими порами, которая должна быть очень тонкой и механически стабильной при температурах до 120°C и выдерживать высокие давления. Технически это достаточно сложное производство, что вызывает высокую стоимость компонентов батареи.

Высокотемпературные батареи, работающие на расплаве солей, используют керамические сепараторы.

Более подробно сепараторы рассмотрены в разделах [конструкций ячеек](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/cell_construction.md#separator) и [безопасности](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/safety.md#safety).

### Механические части

Механические части включают проводящую фольгу, соединители, внешние клеммы, корпус, перемычки, изоляторы и клапаны давления. Все они должны быть разработаны для новой ячейки и оптимизированы для электрической и термической проводимости, коррозионной стойкости, веса и цены. Все внутренние устройства безопасности, как клапаны давления, [устройства прерывания тока](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/safety.md#safety), которые могут быть встроены в ячейку для реализации целей безопасности, будут занимать место активных компонентов, что приведёт к снижению ёмкости ячейки.

## Тестирование <a href="#testing" id="testing"></a>

Тестирование в процессе разработки включает широкий диапазон глубоких исследований для анализа как химических, так и физических свойств материалов, используемых материалов и оценки их электрических, механических, термических и эксплуатационных качеств в собранной ячейке при воздействии различных факторов окружающей среды и состояний.

Проведение этих тестов требует хорошо оборудованной тестовой фабрики, с камерами окружения и возможностью тестирования циклов ячейки и проведения химического, калориметрического, электрического измерений, тестирования механической устойчивости, оптических и электронных микроскопов, масс-спектрометров, рентгеновских аппаратов и тестеров неисправностей.

Больше информации на странице [тестирования](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/testing.md).

## Конструкция ячеек

Когда химические вещества выбраны, работа может продолжаться над конструкцией ячейки. Ключевыми параметрами являются:

* Механическая стойкость и твёрдость, устойчивость к вибрациям и разрушениям
* Удаление тепла
* Коррозионная стойкость
* Изолирующие свойства
* Способность высвобождать давление

Тестовые программы должны быть разработаны для проверки новых конструкций. Подробную информацию можно найти на странице [конструкций ячеек](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/cell_construction.md).

## Масштабируемость материалов

Масштабируемость производства активных компонентов не должна быть недооценена. Может быть просто изготавливать несколько сотен грамм электродного порошка в лаборатории, используя множество оборудования в ней, но производить десятки тонн материалов с желаемыми характеристиками используя относительно простой процесс является серьёзной инженерной задачей. Оно так же зависит от доступности прекурсорных материалов для производства батарей.

Процесс должен быть налажен, чтобы убедиться в высокой чистоте и вязкости электродного пороша в больших объёмах, но наибольшей сложностью является установка необходимого прецизионного контроля размера и формы частиц для покрытия поверхности любой требуемой формы. Это может потребовать разработки и установки дополнительного производственного оборудования, стоящего сотни миллионов рублей для гарантии чистоты и морфологии частиц и предотвращения взаимодействия с другими продуктами.

## Оптимизация производительности

Диаграмма ниже показывает инструмент менеджмента в разработке для представления статуса производительности предоставления компромисса в конструкции. В предполагаемом примере, синие линии отражают желаемую производительность, а красные представляют реально достигнутую производительность.

![](https://3455823404-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MMZeXDA-8_D2eSijZss%2Fsync%2F10543cc35e6dc42d40619eeba63f2e87e7b8c162.png?generation=1605859204487227\&alt=media)

Далее приведены дополнительные параметры производительности и зависимости с более общими требованиями, которые должны быть удовлетворены при оптимизации производительности целой батареи.

Ёмкость (плотность энергии), срок жизни, кратность тока и саморазряд являются ключевыми индикаторами производительности, и каждый раз при изменении материалов или конструкции необходимо проверять изменения этих параметров. Наблюдение за сроком жизни при каждом изменении требует длительного времени.

### Ёмкость

Зависит от обратимой ёмкости материалов и электролитов и объёма активных материалов в ячейке.

### Срок эксплуатации

Срок эксплуатации зависит от многих факторов, включая следующие:

* Стабильность активных материалов
* Подавление сторонних реакций
* Предотвращение образования отложений (наростов)
* Предотвращение утечек
* Рабочий диапазон температур
*   Образование пассивирующего слоя (в большинстве литиевых электролитов

    различается)
* Интенсивности использования
* Неправильного использования

Более подробно на странице [эксплуатации](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/life.md).

### Кратность тока

Высокая кратность является преддверием как для высокой мощности, так и для быстрой зарядки. Это очень важно для батарей высокой ёмкости, которые используются, например, в качестве тяговых в транспортных средствах, которые должны использоваться при высоких значениях зарядного тока, чтобы получить достаточно короткое время заряда, а так же накапливать импульсы энергии от регенеративного торможения.

Способность батареи воспринимать высокие значения тока зависит от следующих факторов:

* Большой площади электродов
* Малого размера частиц
*   Низкое изменение объёма кристаллов для предотвращения механического

    разрушения кристаллической структуры и частиц
* Низкое внутреннее сопротивление для минимизации потерь и нагрева ячейки
*   Хорошей внутренней тепловой проводимости материалов в ячейке для

    отведения тепла от центра ячейки к поверхности

### Саморазряд

Саморазряд представляет собой нежеланную химическую реакцию в батарее, которая снижает хранимый в ней заряд, когда она находится в состоянии ожидания через ток, протекающий через электролит. Эта утечка может быть минимизирована уменьшением размера микропор сепаратора, но это так же увеличит внутреннее сопротивление ячейки. Это так же потребует увеличения цены, поскольку сепаратор является одной из самых дорогих частей ячейки.

Как и другие параметры батареи, саморазряд зависит от температуры.

### Плотность энергии <a href="#density" id="density"></a>

Ключём для получения маленьких и лёгких батарей является увеличение плотности энергии в ячейке. Использование лёгких элементов или структур для электродов является первым явным шагом, а использование материалов с наивысшей обратимой ёмкостью - вторым.

Специальной категорией являются металло-воздушные батареи, например, [литий-воздушные](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/lithiumS.md#air). Они используют кислород воздуха в качестве активного вещества в пористом углеродном катоде. Основным преимуществом такой технологии является то, что катодный материал - кислород - не вносится в батарею при производстве, а поступает из воздуха, что приводит к снижению веса батареи.

Всё ещё существует множество нерешённых проблем перед коммерческой реализацией. Способность проводить ток всё ещё очень низка, как и цикличность работы (малое число циклов) и кулонная эффективность.

Другая основная проблема требует разработки метода выделения кислорода из воздуха, поскольку влажный воздух и углекислый газ разрушают литиевый электрод. Энергетическая плотность собранной ячейки, конечно же, должна учитывать вес всех неактивных компонентов ячейки, включая корпус и клеммы.

### Внутренний импеданс

Внутренний импеданс не является исключительно явлением сопротивления активных материалов в ячейке, но зависит ещё и от качества соединений между отдельными электродными частицами. По этой причине частицы должны быть маленькими и иметь однородную форму. Проводимость, как отмечено выше, увеличивается покрытием ячеек очень тонким слоем проводящего химического соединения и использованием проводящих перемычек. Как отмечено выше, использование добавок может снизить ёмкость ячейки.

### Диапазон рабочих температур

Реалии требуют, чтобы диапазон рабочих температур батарей был максимально широким, но он ограничивается электролитами и температурами выхода из строя отдельных компонентов. В экстремальных условиях батареи могут потребовать нагревания или охлаждения для стабилизации режима в рабочем диапазоне температур.

Подробнее об [оптимальной температуре реакции](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/cell_design.md#temp) ниже.

### Выработка теплоты

Другим важным фактом в разработке ячеек является количество теплоты, генерируемое ячейкой. Экзотермические реакции между активными компонентами и джоулева теплота по формуле I2R нагревает компоненты во время прохождения электрического тока, что увеличивает температуру ячейки во время работы.

### Удаление тепла

Для сохранения режима работы ячейки в пределах рабочего диапазона температуры, тепло, генерируемое химической реакцией и джоулево тепло должны быть отведены от ячейки. Поэтому материалы, используемые в ячейках, должны обладать максимальной температурной проводимостью для отведения тепла от центра ячейки к поверхностям. Корпус так же должен быть хорошим проводником теплоты и должен обеспечивать максимально возможную поверхность для улучшения отдачи теплоты. Цилиндрические ячейки имеют относительно малую поверхность для отведения теплоты, поэтому некоторые конструкции используют металличекий штырь, проходящий через ячейку к центру и присоединённый к клемме для отведения дополнительного тепла к основанию ячейки.

### Кулонная эффективность

Кулонная эффективность или потери в полном цикле во время одной полной циклической зарядно-разрядного цикла происходят в двух аспектах: гистерезисные потери и джоулева теплота во время протекания тока через резистивные компоненты ячейки. Первый вид потерь фиксирован и обязательно присутствует в электролите, но некоторый ограниченный контроль над внутренним сопротивлением ячейки возможнен, как указано в предыдущем параграфе. Гистерезисные потери относительно высоки в предлагаемых литий-воздушных батареях.

Больше о гистерезисе странице [заряда и зарядных устройств](../../benefits/chargers#hysteresis).

Кулонные потери в ячейке могут быть очень маленькими, но когда ячейка используется в батарее, общие кулонные потери могут быть значительно выше, если батарее необходима [система управления](../bms) для обеспечения безопасности и защиты. Энергия, потреблённая встроенной системой управления, должна быть учтена как потери внутри ячеек, что в конечном итоге скажется на кулонной эффективности. Она так же может снижаться далее, если батарея требует нагрева или охлаждения для обеспечения работоспособности. Энергетические потери в случае стабилизации темпратуры так же должны быть приняты во внимание при расчёте кулонной эффективности.

### Скрытые и сторонние реакции

Сторонние реакции являются нежелательными реакциями или физическими изменениями, которые происходят со всеми материалами в ячейке. Они приводят к потерям активных компонентов, которые могут образовывать другие формы и снижать ёмкость и срок эксплуатации. Многие обычно незаметны и растут по мере старения батареи. Первой линией защиты становится выбор материалов ячейки, которые имеют небольшое число соединений. Металлы с множеством оксидных состояний склонны к этой проблеме. В общем случае реакции контролируются сохранением состояния внутри ячейки в узких диапазонах температуры, давления и электрического поля или добавлением химических компонентов в ячейку, которые будут подавлять эти реакции.

Следующие несколько примеров указывают более явные проблемы.

*   Растворение электродов {#sulphur}

    [Литий-серные ячейки](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/lithiumS.md#sulphur) обладают очень высокой теоретической энергетической ёмкостью, но они очень сильно подвержены сторонним реакциям с электролитами. И сера и дисульфид лития относительно нерастворимы во многих электролитах, многие переходные формы - нет. Растворение плисульфидов в электролите приводит к невосстановимым потерям активного серного материала, снижая срок жизни ячейки. Методы поиска подходящих альтернативных электролитов или методы стабилизации полисульфидов продолжаются до тех пор, пока заявленная производительность ячейки не снижается.
*   Газообразование

    Выброс газа из химических реагентов внутри ячейки может случаться в ячейках типа никель-кадмиевых или свинцово-кислотных, в которых используются водные электролиты, если ячейка работает за пределами номинальных режимов. Когда зарядка завершена, дальнейшее снабжение ячейки энергией приводит к электролизу электролита и вызывает образование кислорода и водорода. По этой причине все никель-кадмиевые ячейки и многие свинцово-кислотные ячейки герметизируются для сохранения газов внутри и осуществления рекомбинации.

    Более серьёзная форма газообразования случается, если ячейка является перегретой. В литиевых ячейках на ранних стадиях термального разрушения происходит выброс воспламеняющихся газов из электролита, причём, это разрушение необратимо. Ячейка герметизируется для предотвращения выхода газов, но давление внутри может расти и привести к взрыву ячейки, поэтому они всегда должны снабжаться клапанами давления или другими способами сброса газов контролируемым способом, пока давление не достигло критического.
*   Отложения металлов

    Отложения металлов являются другой формой нежелательных химических реакций. В литиевых батареях существует две формы отложения металлов: литевая гальванизация и растворение электродов.

    Существует ограничение на кратность тока в угольном электроде в процессе заряда. Попытка подать слишком большой зарядный ток в ячейку, который превзойдёт это ограничение, приводит к образованию металлических частиц лития и их оседанию на поверхности катода. Результатом этой реакции является невосстановимое снижение ёмкости ячейки и возможное короткое замыкание. Кратность тока снижается с температурой, поэтому проблема обстоит наиболее плохо для низких температур.

    Проблема растворения металлов в электролите описана в разделе [электролитов](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/cell_design.md#electrolyte) выше.
*   Образование наростов

    Наросты представляют собой кристаллические структуры электродного материала и образуются не в результате химических изменений, а в результате физических изменений при старении ячейки. Рост кристаллов в большие структуры приводит к снижению проводимости электродов и снижению ёмкости ячейки. В конечном счёте кристаллы могут разрушить сепаратор, вызвать короткое замыкание и вывести из строя ячейку.

    Обычно это является серьёзной проблемой для многих типов ячеек, но в настоящее время она решается различными методами, например, химическими добавками в электролит или электроды или использованием более жёстких сепараторов.
*   Разрушение электродов

    Наличие некоторых загрязнений в активных компонентах может привести к разрушению электродов. Как указано выше, эта проблема возникает с кислородом или основанными на воздухе электродами, как в литий-воздушных ячейках (а так же топливных элементах), но может быть применима для любой химической смеси.
*   Токсичность {#toxic}

    Токсичность является свойством не только электродных материалов и утилизации батарей. Более серьёзные проблемы возникают при размещении опасных сырых материалов, как растворители и активные вещества, используемые в производстве. Во внимание так же должна быть принята возможность возникновения выбросов токсичных продуктов в результате разрушительного выхода из строя работающей ячейки. Электролит обычно является очень опасным. Во многих литиевых ячейках он образует фтороводородную кислоту при контакте с водой, но неконтролируемых выход из строя ячейки в результате происшествия может привести к выборосу воспламеняющихся газов. В процессе разработки обязательно должна быть цель минимизировать потенциальные разрушения, которые могут случиться за срок жизни батареи после выхода с фабрики.

    О токсичности литиевых ячеек подробно рассказано в [химии ячеек](../../../chemistries#toxic).
*   Безопасность {#fmea}

    Отдельно от токсичности существуют проблемы возгорания или взрыва, которые должны быть изучены и минимизированы. Серия разрушительных тестов должна быть проведена для того, чтобы убедиться в соответствии минимальным стандартам безопасности.

    Для батарей и электронных цепей, используемых в автомобильной и аэрокосмической индустрии обязательно проведение [разрушительных тестов и анализа результатов](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/reliability.md#fmea) в процессе разработки. Это формализованный процесс анализа конструкции для идентификации и предотвращения потенциальных отказов.

    Смотрите так же [почему отказывают батареи](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/failure_modes.md) и [отказы литиевых батарей](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/lithium_failures.md).
*   Цены

    Закономерным требованием является снижение стоимости активных химических компонентов и изготовление батарей из наиболее дешёвых элементов.

Подробнее на странице [производительности](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/performance.md).

## Внешний контроль

Обычные свинцово-кислотные, никель-кадмиевые или никель-металл-гидридные ячейки работают самостоятельно без необходимости в контроле и управлении со стороны внешних систем. Более новые конструкции, разработанные в последние годы, используют более активные химические компоненты, которые требуют отдельного наблюдения и контроля.

### Системы управления батареями

Система управления батареей обеспечивает необходимые условия для обеспечения безопасной и длительной работы. Системы разрабатываются отдельно для каждой конструкции батарей и устройства и могут иметь любые из следующих функций:

*   Наблюдение (мониторинг)

    Для контроля текущего состояния батареи, напряжения, температуры и тока
*   Защита ячеек

    Для предотвращения выхода из строя батареи
*   Защита пользователя

    Для защиты пользователя от неправильной работы батареи
*   Изоляция ячеек

    В случае выхода из строя
*   Балансировка ячеек

    Для предотвращения перетекания токов между ячейками при выходе из строя
*   Контроль заряда

    Для взаимодействия с зарядным устройством, контроля профиля заряда и установки состояний отключения
*   Состояние заряда

    Подсчёт количества энергии, оставшегося в батарее
*   Температурный контроль

    Обеспечение необходимых контрольных сигналов для переключения нагрева или охлаждения в случае необходимости

Всё это увеличивает цену батареи, но не ячеек по отдельности. Тем не менее, цена и сложность встроенных систем управления батареями может помешать внедрению новых технологий, если система управления необходима для обеспечения работы ячеек и обеспечения их безопасности.

Более подробно смотрите на странице [систем управления батареями](../bms).

## Производство

Энергетические ячейки продаются в огромных количествах. Это производство является достаточно конкурентным и автоматизированное производство в «чистой» комнате является неотъемлемой частью стоимости и безопасности. Более того, очень сложно, если не невозможно, достигнуть очень высоких значений точности и качества при использовании ручного труда.

Компоненты изначально должны разрабатываться так, чтобы собираться автоматически, предпочтительнее с использованием стандартного индустриального автоматизированного оборудования. С другой стороны, автоматизированное оборудование, сборочные и тестовые устройства могут быть разработаны для выпуска батарей.

Более подробную информацию можно найти на странице [производства батарей](https://github.com/konstantin-morenko/electrical-technologies-and-batteries/tree/b4c8703a2405b039b307172062206efda7c59f24/battery_manufacturing.md).

## Время разработки

Существует пять основных требований в разработке, требующих больших затрат времени, на конструирование и разработку нового продукта до точки, когда он готов к продаже в магазине:

* Оптимизация активных элементов
* Повторные тестирования и проверка производительности
* Конструирование ячейки
* Производство оборудования и установок
* Разработка основного обоурдования и материалов для производства

Поиск оптимального сочетания активных элементов, который бы удовлетворил все требования производительности и повторяющееся тестирование для её проверки после каждого изменения являются очень затратными во времени процессами. Тестирование цикла жизни так же происходит при разрушении тысяч ячеек, после чего можно будет утверждать конструкцию.

Более того, невозможно решать все задачи параллельно. Установки для сборки не могут разрабатываться или заказываться до тех пор, пока полностью не утверждены активные компоненты.

Период разработки в десять лет для завершения всех этих процессов выглядит более, чем оправданным.

## Инвестиции

Отдельно от стоимости десятилетней программы исследований и разработок, большие инвестиционные затраты требуются для наладки производства. Цена наладки производства новой ячейки обычно составляет около 6-15 миллиардов рублей, хотя возможны дополнительные инвестиции около 600 миллионов рублей или больше в производство электродного порошка. Поскольку невозможно предвидеть обстановку на десять лет в будущее с достаточной точностью, существует несколько контрольных точек в разработке, после которых исследование может быть прекращено из-за высоких рисков.

Нахождение инвестора, согласного осуществлять такие инвестиции с периодом отдачи свыше 10 лет, является другой важной задачей.

## Недостатки

Основное сокращение стоимости может быть осуществлено при использовании в разработке стандартных размеров ячеек и использование стандартного оборудования, но сокращение периода разработки будет не столь велико.

Когда в следующий раз лаборатории сообщат о прорыве в технологиях, помните о приведённых положениях и проверяйте стадию разработки перед тем, как решаться включать что либо в свои устройства.
