Кратко о химических принципах (общая схема)
- Электрохимическая ячейка генерирует электричество за счёт спонтанных окислительно-восстановительных реакций на двух электродах: анод (окисление) и катод (восстановление). Электроны идут по внешней цепи, ионы — через электролит, поддерживая баланс зарядов.
- ЭДС ячейки определяется разностью электродных потенциалов; в неидеальном случае фактическое напряжение уменьшают перенапряжения, внутреннее сопротивление и концентрационные эффекты. Это можно формализовать через Нернста:
$$E=E^{\circ }-\frac{RT}{nF}\ln Q$$ - При заряде/разряде происходят обратимые (или частично обратимые) электрохимические превращения: химическая энергия ↔ электрическая. Ключевые параметры зависят от материалов электродов (реакции или интеркаляции), подвижности ионов в электролите и устойчивости интерфейсов.
Примеры реакций
- Свинцово‑кислотная (разряд):
$$\mathrm{Pb}+\mathrm{Pb}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4\to 2\mathrm{PbS}{\mathrm{O}}_4+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$$ (заряд — обратная реакция). Номинальное напряжение одной свинцовой ячейки ≈ $2.0\mathrm{V}$.
- Литий‑ионная (интеркаляционные процессы, пример с графитом и оксидом металла):
$${\mathrm{C}}_6+x\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}+x{\mathrm{e}}^{-}\leftrightarrow \mathrm{L}{\mathrm{i}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{C}}_6$$ $$\mathrm{LiM}{\mathrm{O}}_2\leftrightarrow \mathrm{L}{\mathrm{i}}_{1-\mathrm{x}}\mathrm{M}{\mathrm{O}}_2+x\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}+x{\mathrm{e}}^{-}$$ Номинальное напряжение типичной Li‑ion ячейки ≈ $3.6\text{–}3.7\mathrm{V}$ (варианты: LFP ≈ $3.2\mathrm{V}$).
Сравнение: литий‑ионные vs свинцово‑кислотные
- Энергетическая плотность (по массе)
- Li‑ion: примерно $100\text{–}265Wh/kg$ в зависимости от типа.
- Pb‑acid: примерно $30\text{–}50Wh/kg$.
=> Li‑ion преимущественно выше, значит меньший вес/объём при той же ёмкости.
- Плотность мощности и скорость заряда
- Li‑ion: высокая плотность мощности, быстрое заряжание; хорошие C‑rate возможности.
- Pb‑acid: более низкая плотность мощности, длительное зарядное время; чувствительна к быстрой зарядке из‑за газовыделения.
- Цикл жизни и глубокие разряды
- Li‑ion: циклы от $300$ до $>5000$ (в зависимости от химии и режима), сохраняет высокий % ёмкости при многократных циклах; рекомендованный DoD часто $80\%$ и выше для современных систем.
- Pb‑acid: типично $200\text{–}1000$ циклов, при частых глубоких разрядах быстро деградирует (сульфатация); оптимально держать DoD < $50\%$ для долгой службы.
- ККД (кулонов/энергетический)
- Li‑ion: кулоновская эффективность $>99\%$, энергетический КПД ≈ $90\text{–}95\%$.
- Pb‑acid: кулоновская эффективность ≈ $70\text{–}90\%$, энергетический КПД ниже из‑за потерь на газовыделение и тепловыделение.
- Стоимость и доступность
- Pb‑acid: низкая первоначальная стоимость на кВт·ч, устоявшаяся промышленность.
- Li‑ion: более высокая цена на кВт·ч (снижается), но в расчёте на цикл часто экономичнее из‑за большей долговечности.
- Безопасность
- Pb‑acid: пожароопасность ниже; риск утечки кислоты и коррозии; требует вентиляции при зарядке (H2).
- Li‑ion: при неправильной эксплуатации риск термического разгона (особенно у некоторых химий и при повреждении), требует BMS и защиты; LiFePO4 безопаснее по термической стабильности.
- Температурный диапазон работы
- Pb‑acid: лучше переносит низкие температуры по отдаче тока, но ёмкость падает; чувствительна к морозам и электролит замерзает при низком заряде.
- Li‑ion: чувствительна к низким температурам при зарядке (риск металлизации лития), нуждается в температурной управлении для оптимальной работы.
- Экология и утилизация
- Pb‑acid: свинец токсичен, но индустрия рециклинга хорошо развита — коэффициент переработки ≈ $>90\%$.
- Li‑ion: сложнее переработать (смесь металлов, электролит), инфраструктура утилизации развивается; извлечение Li/Co/Ni требует специальных процессов.
Ключевые практические выводы
- Для мобильных приложений и там, где важны масса/объём, высокая плотность энергии и цикловая долговечность — предпочтительны Li‑ion (при наличии BMS и мер безопасности).
- Для стационарных систем с ограниченным бюджетом, где вес и объём не критичны, и нужна простая и дешевая технология — свинцово‑кислотные батареи остаются конкурентоспособны.
- При выборе важно учитывать стоимость на весь жизненный цикл (стоимость батареи / полезные циклы), требования по безопасности, температурам, обслуживанию и утилизации.