Радиаторы и батареи отопления. Большой ассортимент, помощь в рассчете

Радиаторы отопления (другое название — батареи отопления), неизменно присутствуют в каждой квартире советской постройки, и довольно часто встречаются в современных домах. После подключения радиаторов можно не беспокоиться о комфортной погоде в доме и о теплой зиме в офисе. Сегодня отечественный рынок теплового оборудования предлагает широкий спектр последних от всевозможных производителей и предоставляет следующие дополнительные услуги: расчет, монтаж, замена, подключение или установка батарей отопления.
 

Как купить батареи отопления в “Tavago”?

Выбирая радиаторы отопления, обязательно обратитесь в наш Интернет-магазин «Tavago». Мы с профессиональным азартом расскажем Вам об особенностях тех или иных моделей, посоветуем, какую из них лучше подобрать для Ваших потребностей, поможем осуществить расчет радиаторов отопления, исходя из площади помещения и высоты потолков. При необходимости, специалистами нашей компании будет осуществлена установка батарей отопления в квартире или другом помещении со всеми гарантиями на проделанную работу.
В данном разделе сайте Вы найдете алюминиевые и биметаллические секционные радиаторы отопления, цены которых ориентированы на российского покупателя.

Подбирая радиаторы отопления, нужно обращать внимание на показатели тепловой мощности, рабочее давление и тип устройства.

Конечно, далеко не каждый покупатель в состоянии истолковать для себя номинальные значения этих показателей. Не беспокойтесь: мы проконсультируем по всем возникающим вопросам, поможем выбрать и купить батареи отопления с оптимальным потенциалом. Просто позвоните нам по телефону в Москве +7 (495) 777-67-22, и озвучьте Ваши пожелания.
 

Монтаж радиаторов отопления из алюминия и биметалла.

Установка радиаторов отопления из биметалла рассчитана на центральные системы отопления. Данный вид батарей хорошо себя зарекомендовал в экстремальных условиях нестабильного давления, они также более устойчивы к жесткому составу магистрального теплоносителя, куда входят химически активные присадки. Соприкасаясь со стальным сердечником радиатора, теплоноситель наносит ему минимальный урон.

Монтаж радиаторов отопления из алюминия, как правило, производится в рамках автономной системы отопления — в частных домах, офисах, на складах, где имеется своя котельная.

Батареи отопления – разновидности, чем отличаются, какие лучше

Содержание:

Системы отопления

Основные типы радиаторов, используемых в системах отопления

Значимость теплового комфорта для человеческого здоровья, работоспособности человека и его настроения невозможно переоценить. С тем, что бы создать достаточно комфортные условия в местах проживания, человечество изобрело великое множество приборов и систем. Самым распространенным способом, используемым при отоплении дома на сегодняшнем этапе, является обычная система отопления, основанная на подаче горячей воды из центральной теплосети в отопительные радиаторы.

Существует восемь основных типов батарей, используемых в системах отопления. Мы рассмотрим весь этот перечень, а так же сформулируем несколько советов по подбору радиаторов, которые можно использовать в составе различных отопительных систем.

Батареи отопления не дадут течи, если вы при их выборе будете исходить из того, насколько они адаптированы к существующим эксплуатационным условиям, и какого рода ограничения на их применение накладываются в каждом случае.

К основным трудностям, сопровождающим эксплуатацию отопительных радиаторов, стоит отнести:
– коррозию, образующуюся на внутренних поверхностях;
– коррозию химического и электрохимического характера;
– гидравлические удары;
– формирование газов радиаторах их алюминия.

Системы отопления

По всему миру принята система отопления из двух труб – по одной трубе теплоноситель заводится в радиаторы отопления, а по второй – выводится из них. Это подключение приборов называют параллельным.

У нас же, как правило, система отопления является однотрубной, в которой приборы подсоединяются последовательно. Исходя из этого, для обеспечения необходимого уровня теплоотдачи в приборах, соединенных подобным образом, требуется обеспечить значительное массовое потребление теплоносителя в течение единицы времени, что вызывает повышение характеристик, как с точки зрения давления, так и температуры. Другой недостаток однотрубной системы состоит в трудности ее регулировки, поскольку изменение параметров функционирования одного прибора влечет соответствующие изменения в функционировании других. В двухтрубной системе отопления этого недостатка нет. Существование однотрубной системы требует использования отопительных приборов, имеющих значительный запас прочности и достаточно малое гидравлическое сопротивление.

Также одним из значимых моментов во время эксплуатации системы радиаторного отопления является требование, в соответствии с которым она должна быть с постоянным водяным заполнением. Процессы коррозии, происходящие в системе, заполненной воздухом, являются значительно более интенсивными. Пуск отопительной системы должен осуществляться плавно, с постепенным возрастанием имеющегося в ней давления (циркуляционные насосы включаются с помощью частотных преобразователей). Несоблюдение этого требования при пуске системы зачастую приводит к значительным гидравлическим ударам, запросто разрушающим радиатор.

Основные типы радиаторов, используемых в системах отопления

1. Панельные радиаторы (конвекторы) – это приборы, имеющие преимущественно конвекционное излучение. В нашей стране к ним можно отнести радиаторы Demrad, Kermi, Purmо, DeLonghi, а также еще не менее нескольких десятков марок изделий для отопительных нужд. Для данных радиаторов характерны высокая степень теплоотдачи на единицу объема и вполне доступные цены, внешне они довольно эстетичны. Благодаря своим явным достоинствам, радиаторы этого типа получили широчайшее распространение во всем мире.
В условиях нашей страны панельные радиаторы идеальны для коттеджных застроек, имеющих автономное отопление, они с успехом могут применяться в многоэтажных строениях с автономными теплопунктами. Однако панельные отопительные радиаторы очень чувствительны к гидравлическим ударам и требуют высококачественного теплоносителя, что практически воспрещает их использование в современной городской застройке. В настоящий момент некоторые европейские производители радиаторов панельного типа начали производство конвекторов до 300 мм высотой при водяной рубашке толщиной до 2 мм, что сделает возможным их использование в городских отопительных системах нашей страны.

2. Трубчатые стальные радиаторы. Интерес к таким радиаторам определяется довольно высоким уровнем дизайнерского подхода и гигиеничностью, присущей данным приборам. В нашей стране можно найти стальные радиаторы марок Zehnder, Arbonia, Kermi, а также радиаторы некоторых производителей из Италии. Для трубчатых радиаторов не существует проблем, связанных с давлением, однако толщина металла не превосходит 1,5 мм, что, к большому сожалению, не дает основания для длительного оптимизма по отношению к их использованию в современных городских домах. Отечественные трубчатые стальные радиаторы с внутренним полимерным антикоррозийным покрытием и дизайном, превосходящим дизайн лучших европейских производителей, практически не имеют никаких ограничений по их использованию.

3. Чугунные радиаторы для систем отопления. Они практически совершенно невосприимчивы к низкому качеству теплоносителя, что является определяющим фактором в достаточно теплом отношении к ним со стороны отечественных потребителей. Если же учесть наличие на нашем рынке чугунных радиаторов отопления марок DemirDokum (Ridem), Ferroli, имеющих высокое качество литья и совершенный дизайн при очень доступной цене, то интерес к радиаторам из чугуна будет продолжать оставаться высоким. Дизайн местных радиаторов, а также их конструкция в последние несколько лет также поменялись радикальным образом.

Но, к несчастью, чугунные радиаторы, включая и радиаторы отечественного производства, с трудом переносят гидравлические удары, и это требуется учитывать при их установке. В отличие от импортных, отечественные радиаторы перед установкой соединения между секциями обязательно нуждаются протяжке. Кроме того, для них необходима дополнительная покраска.

4. Алюминиевые отопительные радиаторы. Красивое литье из алюминия, секционность конструкции, небольшой вес, высокая степень теплоотдачи привлекают как специалистов, так и отдельных пользователей.
Отопительные радиаторы из алюминия изготавливаются в двух версиях:
– литые радиаторы из алюминия, где каждый сегмент отливается как единая деталь;
– радиаторы экструзионного типа, где каждая секция включает в себя три элемента, соединенные механическим путем друг с другом. Для герметизации соединений используются уплотнительные элементы или клеевые соединения. Чаще всего монтаж секций осуществляется в виде блоков, включающих в себя 2, 3 и более секций.

Существуют модели, учитывающие специфику наших систем отопления и предусмотренные для высокого давления. На рынке нашей страны имеются в основном изделия итальянских производителей, таких как Fondital, Global, Sira (Alux), IPS.
Основной трудностью при использовании радиаторов из алюминия является необходимость в поддержании постоянного значения РН (так обозначается кислотность теплоносителей) в относительно узком диапазоне, что в условиях городской застройки довольно проблематично, да и в условиях автономного отопления тоже трудновыполнимо. Второй трудностью является газообразование в радиаторах из алюминия, которое может вызывать постоянное завоздушивание отопительной системы, если она не была спроектирована с учетом данного явления. Параметры прочности экструзионных и литых радиаторов вполне сопоставимы. Довольно осторожно также необходимо отнестись и к присутствию внутри отопительной системы металлов-антагонистов.

5. Биметаллические отопительные радиаторы. Несмотря на, скажем, “алюминиевый” их вид все же необходимо их вывести в отдельную группу радиаторов, чудесно прижившихся в нашем государстве. Итальянский завод Sira производит радиаторы этого типа уже более 30 лет, в России же они эксплуатируются почти 15 лет. Благодаря конструкции этих радиаторов отопления, защищенной патентом Sira, запас прочности многократно превосходит все вероятные давления, имеющегося в системе, а контакт между теплоносителем и алюминием сведен почти к нулю.
Следует также особо отметить оригинальный узел сочленения отопительных секций, позволяющий минимизировать трудозатраты и физические усилия во время их сборки и разборки при высокой надежности соединений. Радиатор RS-Bimetal, являющийся новой разработкой компании Sira, воплотил в себе последние технологические и дизайнерские подходы. Новые варианты биметаллических радиаторов (Global, Сантехпром, Bimex) в настоящий момент проходят испытания в условиях реальной эксплуатации в нашей стране.

6. Конвекторы, встраиваемые в пол. Нынешние архитектурные подходы со стеклянными стенами исключают использование традиционных приборов отопления. По данной причине в последние десятилетие происходит резкий рост как спроса, так и предложения отопительных приборов встраиваемого типа. В России данные конвекторы представлены марками Mollenhof и Jaga. Они имеют аналогичные технические параметры. Их теплообменники произведены из медных труб и имеют оребрение из алюминия.

7. Конвекторы плинтусного типа. Данные отопительные приборы размещаются не только под оконными проемами. В основном они располагаются вдоль периметра наружных стеновых конструкций, занимая при этом незначительную площадь (до 10 см по глубине и до 20-25 см по высоте).
Их применение типично для североамериканских систем отопления. У нас же американские приборы, имеющие медные трубы и алюминиевое оребрение, продаются уже почти 10 лет.

8. Конвекторы со стальными трубами и стальным оребрением (универсал). В настоящий момент это самый широко используемый прибор отопления в новостройках. В нем привлекает, в первую очередь, его довольно невысокая цена (без терморегулятора). Безусловно, данные приборы имеют очень высокую степень живучести, но их достаточно устаревший дизайн и малая теплоотдача приводят к их замене в массовом порядке.

Радиаторы Global | Батареи Глобал

В 1971 году братья Фарделли основали в Италии предприятие GLOBAL di Fardelli Ottorino & C. s.a.s. и организовали на нём производство радиаторов отопления. Компания довольно быстро превратилась в одно из ведущих предприятий по разработке и изготовлению надёжных и энергоэкономичных радиаторов. Более 45 лет работы на итальянском и мировом рынках отопительных конструкций позволили разработать собственные производственные схемы и методы контроля качества. На сегодняшний день продукция GLOBAL представлена в более чем 40 странах мира.

GLOBAL учитывает многообразие условий, в которых в России эксплуатируются радиаторы отопления, и предлагает разные типы этих приборов.

• Алюминиевые модели серий Vox и Vox Extra, Iseo и Klass, VIP, GL и Oscar станут отличным выбором для автономной отопительной системы. Их главный плюс — высокая теплоотдача
• Биметаллические модели серий Style, Style Extra, Style Plus и Sfera идеально впишутся в систему централизованного отопления. Они выдерживают большое давление и его резкие перепады, свойственные российскому жилищно-коммунальному хозяйству
• Дизайн-радиаторы серий Ekos и Ekos Plus благодаря своему эффектному виду гармонично впишутся в изысканный интерьер и станут его завершающим штрихом. Элегантность линий удачно сочетается в них с эффективностью и долговечностью

Кроме радиаторов из разных материалов, GLOBAL предлагает алюминиевые полотенцесушители серий Vetta и Junior — модели с отличной теплоотдачей и продуманным дизайном, а также многочисленные комплектующие для отопительных приборов. У вас будет возможность выбора — какими бы ни были ваши потребности.

В России компания работает более 20 лет (с 1994 года). Ключевая особенность производимой продукции заключается в том, что она максимально адаптирована под использование в сетях отопления с нестабильными показателями давления и не самым высоким качеством теплоносителя. Продукция GLOBAL сертифицирована в соответствии со Стандартом системы менеджмента качества ISO 9001:2008, Стандартом системы управления окружающей средой ISO 14001:2004 и в системе ГОСТ России. На все радиаторы GLOBAL предоставляет гарантию 10 лет. Гарантия подтверждена страховым ведущей европейской страховой компании.

История появления радиаторов отопления

Современные радиаторы отопления прошли очень долгий эволюционный путь – от печей и каминов до компактных стильных устройств с впечатляющими техническими и дизайнерскими характеристиками.

Первые попытки создать систему обогрева жилья

История создания радиаторов уходит на несколько тысяч лет назад, в далекое прошлое. Уже тогда люди думали над тем, как сделать свое жилье теплым и уютным. Археологические раскопки в разных местах доказывают, что научившись добывать огонь, человек стремился приручить его и использовать для согрева землянок. «Отопительная система» тех времен представляла собой открытый огонь, дым от которого уходил в наружное отверстие, сделанное в землянке. Это же отверстие выполняло функцию вентиляции.

Первое подобие батарей отопления появилось в богатых домах Древнего Рима, система состояла из печи и труб, по которым воздух попадал в здание. Одну из них удалось обнаружить археологам при проведении раскопок в Эфесе. Интересно, что прародитель современных батарей отлично сохранился.

Воздушное отопление использовалось уже в Средние века. Историки доказали, что в XVI-XVII веках такая система отапливала палаты Кремля. Но основным источником тепла в ту эпоху оставались печи и камины, сначала их делали из глины и кирпича, позже стали использовать в производстве металл.

Чугунный радиатор отопления был создан в России

В 1855 году был создан первый чугунный радиатор, который использовал нагретую воду для обогрева помещений. Имя создателя – Франц Сан-Гали, предприниматель с немецкими корнями, живший и занимавшийся бизнесом в Санкт-Петербурге. Радиатор, изобретенный гениальным немцем, сильно напоминал современные чугунные батареи, но обладал более габаритными размерами.

Сан-Гали назвал это устройство Heizkörper, в переводе с немецкого языка – «горячая коробка». Изобретатель не засекретил технологию и делился информацией с желающими. Разработка заинтересовала промышленников из Европы и США. Чугунный радиатор получил широкое распространение во всем мире, его использовали в водяной, а позже и в паровой системе отопления, так как чугун выдерживал высокое давление. Немец стал получать заказы от влиятельных персон, устанавливая в их домах свои радиаторы.

Это было одним из самых серьезных изобретений на рынке приборов отопления в XIX веке, которое дало старт новым разработкам и идеям:

• 1872 год – Нельсон Банди придумал дизайн для чугунных радиаторов (“Bundy Loop”), который нашел отражение в современных батареях.
• 1895 – крупнейший игрок рынка, американская компания “American Radiators” выпускает батарею с применением литых заготовок, соединенных в заводских условиях.
• 1908 год – шведский предприниматель Андерс Йонссон освоил производство радиаторов из листового металла. Такие попытки делались и раньше, но процесс производства был слишком затратным. Йонссон построил завод в Швеции, и к 1917 году в его штате трудилось уже около 300 человек.

Принципиально новое изобретение после чугунной батареи предпринимателя Сан-Гали появилось спустя 75 лет – разработка принадлежит швейцарцу Роберту Цендеру, создавшему стальные отопительные приборы нового поколения.

Первый в мире стальной трубчатый радиатор Zehnder

В 1930 году Роберт Цендер изобрел первый в мире трубчатый радиатор из стали. Открытие стало триумфом, новая батарея демонстрировала превосходные характеристики, отличаясь от чугунных аналогов:

• меньшим весом и высокой теплоотдачей;
• низкой стоимостью производства.

Трубчатые стальные радиаторы выглядели более эстетично, стильно и привлекательно. Батарея получила название в честь своего создателя – Zehnder. С этого момента стальные отопительные системы получают популярность во всем мире, успешно конкурируя с чугунными изделиями.

В 60-х годах появляются алюминиевые приборы, отлично принятые рынком. Батареи, полностью изготовленные из алюминия, обладали невысокой ценой (за счет низкой рентабельности производства), хорошей теплоотдачей и привлекательным внешним видом.

Чуть позже итальянскими специалистами разрабатываются биметаллические радиаторы, полученные из сплава алюминия и стали. Первой к производству таких батарей приступает компания SIRA (Италия), до этого занимавшаяся литьем различных изделий из бронзы, латуни и других сплавов.

Биметаллические радиаторы воплощали в себе все преимущества алюминиевых и стальных приборов отопления. В дальнейшем эта технология была успешно освоена многими другими компаниями из разных стран, производящими радиаторы, и применяется до сих пор.

В России алюминиевые, стальные и биметаллические приборы получили распространение чуть позже, чем в Европе. История централизованного отопления в стране началась в 20-х годах прошлого столетия, тогда были проложены первые теплотрассы. К 40-м годам во многих советских квартирах и учреждениях стояли чугунные батареи. По сравнению с современными радиаторами батареи из чугуна были чрезмерно громоздкими и неэстетичными, но отлично справлялись с основной задачей – обогревом помещений.

Современное производство – упор на красивый дизайн

За многолетнюю историю развития радиаторов отопления участники рынка хорошо разобрались в том, какими характеристиками обладают алюминий, сталь, чугун и устройства из различных сплавов. Теперь на первое место выходят конструктивные и дизайнерские особенности отопительных приборов.

Так, широкую популярность получили панельные радиаторы (нагревательным элементом в таких батареях является прямоугольная панель). Устройства могут иметь несколько панелей. Востребованы и другие виды конструкций батарей: трубчатые, пластинчатые и секционные.

Для повышения устойчивости алюминия к коррозии радиаторы покрываются специальными составами, а чтобы придать батарее привлекательный внешний вид, используется двухэтапное окрашивание: краской и порошковое напыление.

Производители придумывают новый дизайн радиаторов, улучшая проходимость воздуха и увеличивая теплоотдачу. Строение батарей позволяет выдерживать высокое давление – вплоть до 60 атм.

Современные радиаторы выполняют не только отопительную, но и декоративную функцию, становясь частью интерьера дома и офиса. Батареи выглядят красиво и вписываются в интерьер любого стиля. Покупателям доступны модели стандартных форм и оригинальные дизайнерские изделия.

Батареи отопления: как выбрать и какие лучше? – Батареи отопления – Тепло – Статьи и исследования

17.05.2011

Тепло / Батареи отопления

Вас все чаще посещает желание поменять батареи отопления? Но как выбрать эти самые батареи отопления среди огромного множества предлагаемых в торговых точках? Вариантов несколько – спросить у друзей, спросить у сантехника, проконсультироваться в торговой точке торгующей теплотехникой. И, наверняка, вы получите большое количество самых разных ответов. Друг скажет – я поставил классный “алюминий”. Сантехник скажет – нет ничего лучше “чугуна”. А в фирме начнут рассказывать про чудовищное давление в 40-50 атмосфер которое выдерживает “биметалл” (будто это глубоководный батискаф, а не батарея отопления. Так какой, все таки, отопительный прибор выбрать?

Попробую помочь, объяснить просто и доступно, не вдаваясь глубоко в технические подробности, и не щеголяя без надобности различными техническими терминами.

И так, для начала, какие бывают батареи отопления (по научному отопительные приборы). Их огромное множество попробую перечислить самые распространенные. Это конечно, прежде всего, чугунные радиаторы. Cледующие по распространенности это пожалуй

различные конвекторы. Нельзя не упомянуть самые сейчас модные алюминиевые радиаторы. Последняя новинка это биметаллические радиаторы.Кроме того существуют стальные пластинчатые радиаторы и стальные трубчатые. Отдельную позицию занимают различные дизайнерские изделия. Ну, и, пожалуй, к отопительным приборам можно отнести такие изделия как полотенцесушители.

Теперь о самом выборе. К нему надо отнестись очень тщательно. Нет однозначного ответа. Все зависит от условий и целей установки отопительных приборов. В наиболее льготном положении находятся владельцы частных домов, они могут устанавливать практически любые отопительные приборы. А мы сейчас разберем наиболее часто встречающуюся ситуацию – это замена батарей отопления в квартире многоквартирного дома.

Итак, вы, наконец, решились поменять батареи, и пошли в магазин. Что может (а точнее должен) спросить у Вас продавец? Конечно же узнать, живете вы в квартире или частном доме(коттедже). После этого продавец должен задать казалось бы странный вопрос, о том какие батареи у вас стояли (не подумайте, что у продавца разыгралось нездоровое любопытство). От того, что “стояло” зависит, что можно ставить.

Теперь о том, что можно ставить. Тут выбор несколько ограничен, прежде всего, сразу отпадают стальные пластинчатые радиаторы – они абсолютно не держат гидроудар, а гидроудары в наших системах отопления вещь обыденная. Если строители в Вашей новой квартире решили сэкономить и поставили такие радиаторы, постарайтесь их поменять пока не затопили соседей.

И у нас остаются: чугунные радиаторы и стальные трубчатые. Но последние, пожалуй, тоже стоит отбросить – это вещь дизайнерская, и для широкого применения не подходит. Кроме того, у импортных трубчатых радиаторов очень тонкие стенки и долго в наших условиях такие радиаторы не проживут (ну не понимают иностранцы какая у нас вода). Правда такие радиаторы идеально подходят для определенных учреждений, например медицинскх.

Кроме выше перечисленных “право на жизнь” имеют различные конвекторы, а так же алюминиевые радиаторы и их ближайшие родственники биметаллические радиаторы. И так, у нас получился список из четырех типов отопительных приборов, и каждый из них имеет право на существование.

Чугунные радиаторы

Чугунные радиаторы самые долговечные могут простоять от 30 до 50 лет. Они просто не заменимы когда теплоноситель (вода в трубах отопления), не достаточно горячий (до 50-55 градусов). До 90 процентов энергии чугунные радиаторы отдают за счет инфракрасного излучения (проще говоря, нагревают окружающий их воздух и предметы за счет теплового излучения), имеют большую тепловую инерцию за счет большой массы (до 8 кг.).

Конвекторы

Конвекторы, наоборот, – основную часть тепла отдают за счет конвекции (движения теплого воздуха). Воздух, проходя между горячих пластин конвектора, нагревается, а горячий воздух стремится в верх и чем выше поднимается, тем сильнее нагревается об пластины конвектора и тем выше скорость его движения. Из этого следует, что температура теплоносителя должна быть достаточно высокой (не менее 70 градусов), чтобы достаточно нагреть пластины конвектора.

Алюминиевые радиаторы

Алюминиевые радиаторы объединяют в себе оба способа отдачи тепла. По этому создают наиболее комфортную обстановку в помещении. Благодаря маленькой массе у них низкая тепловая инерция, что позволяет эффективно управлять температурой в помещении, и широко использовать для этой цели автоматику. Температура теплоносителя должна быть довольно высокой (от 60 градусов) – чтобы обеспечить наиболее качественную теплоотдачу алюминиевых радиаторов.

Биметаллические радиаторы

Биметаллические радиаторы – это новинка на российском рынке (да и на мировом рынке тоже). Они вобрали в себя все достоинства алюминиевых радиаторов: высокая теплоотдача, красивый внешний вид, маленький вес и при этом большая прочность, удобство в использовании автоматики и наконец относительная простота установки. Кроме того, в биметаллических радиаторах устранен такой серьезный недостаток алюминиевых радиаторов как высокая требовательность к качеству воды и существенно увеличена долговечность.

Вроде все. Ах, да! Чуть не забыл несколько обещанных советов)

Совет первый

Если у вас в квартире установлены чугунные батареи, выбирать можно между чугунными радиаторами и радиаторами биметаллическими, по причине низкого качества воды в отопительной данной системе (за исключением тех случаев когда замену батарей отопления производят все жильцы дома).

Совет второй

Он вытекает из первого. Если теплоноситель в системе отопления чаще холодный, чем горячий (трубы отопления чуть теплые) ставьте чугунные батареи, они будут греть лучше за счет своей значительной массы. Если теплоноситель горячий (беретесь за трубу отопления – руке горячо) ставьте биметалл. За счет высокой теплоотдачи и как следствие меньшего количества секций это Вам обойдется не намного дороже, но результат будет приятнее.

Совет третий

Если в доме стоят конвекторы, значит вода в системе отопления более менее терпимая по качеству, и можно поставить алюминиевые батареи.

Совет четвертый

Если вы хотите, чтобы Ваши отопительные приборы простояли лет этак 30-40 ставьте чугун или конвекторы.

Источник: советы мастера

Кто изобрел радиаторы отопления? | Чугунные радиаторы Ретро Radimax. Радиаторы РЕТРО, классические радиаторы retro, чугунные радиаторы.

Где и когда были изобретены радиаторы отопления?

Батарея отопления была изобретена именно в России, причем первый отопительный радиатор был создан в Санкт-Петербурге около 1855 года. Изобретателем популярного ныне отопительного прибора был русский немец итальянского происхождения Франц Карлович Сан-Галли, житель Санкт-Петербурга. Вид первых батарей отличался от современного. Первый отопительный прибор представлял собой толстые трубы с вертикальными дисками. Свое изобретение Франц Карлович назвал «хайц-кёрпер» (горячая коробка). Он же придумал и привычное нам название радиатора — батарея — и занимался продвижением своего изобретения в Германии и Соединенных Штатах.

Батареи начала XX века имели современную форму, но были большего размера и богато украшались орнаментом. Старейшим из обнаруженных и действующих до сих пор батарей 108 лет. Они находятся в Царском селе, на даче Великого Князя Бориса Владимировича. К 150-летию изобретения отопительной батареи был создан памятник этому обогревательному устройству. Он был установлен на проходной одной из старейших в России действующих электростанций — Самарской ГРЭС. Скульптурная композиция состоит из привычной батареи-радиатора, над которой на подоконнике греется кошка.

Я фабрикант в России,
Известный всей стране,
Лучших перечисляя,
Вспомнят и обо мне.
Ф.К. Сан-Галли 

Этими строками, вынесенными в эпиграф, начинается жизнеописание владельца чугунолитейного и механического завода в Санкт-Петербурге Франца Карловича Сан-Галли, написанное им самим и изданное в 1903 году. И надо сказать, что на подобную нескромность действительный статский советник и знаменитый на весь мир изобретатель-технолог имел полное право. Во второй половине XIX века на Лиговском проспекте в доме № 62 и нескольких соседних зданиях вырос целый чугунный «городок», вошедший в историю как литейная империя Сан-Галли.

Имя Франца Карловича занимает достойное место среди известных иностранных предпринимателей, которые открыли свое дело в России в XIX веке на волне индустриализации и немало способствовали техническому прогрессу и становлению отечественной экономики. Среди них Чарльз Берд, Александр Вильсон, Матвей Кларк, Людвиг Кноп, Людвиг Нобель, Людвиг и Александр Штиглицы и многие другие.
Полунемец-полуитальянец, ведущий свою родословную от римского рода Сангалло, Франц Фридрих Вильгельм (таково его полное имя) юношей приехал из прусского Штетина в Петербург и обрел здесь свою вторую родину. С основами металлообработки и литья он познакомился на металлургическом заводе Ч. Берда, где служил помощником бухгалтера. В 1853 году, решив, что полученных им знаний вполне достаточно, он открыл собственное предприятие. Из маленькой механической мастерской на Лиговском проспекте, в которой трудились 12 человек, вырос один из крупнейших в России заводов, выполнявший сложные государственные заказы.

Поначалу мастерская осуществляла небольшие слесарные и кузнечные работы, затем владелец открыл новый чугунолитейный цех. Сан-Галли отличался восприимчивостью ко всему новому и имел завидные качества настоящего дельца. Он постоянно стажировался в Европе, откуда привозил массу свежих идей и на их основе разрабатывал собственные изобретения. Так, в его цехах по английской технологии начали отливать чугунные трубы, применявшиеся для водоснабжения и канализации а вскоре наладили поточные выпуск чугунных нагревателей, сконструированных самим Францем Карловичем в 1855 году. Этими батареями отапливали колоссальные по площади оранжереи Царского Села, императорские дворцы, городские особняки.

В 1864 году завод Сан-Галли получил совершенно новый статус. Действуя себе в убыток, предприниматель выиграл тендер на изготовление металлического потолка, стропил и купольной арматуры сгоревшей церкви Царскосельского дворца. Выполнение заказа такого значения и сложности обеспечило завод рекламой, монаршим благоволением и новыми предложениями.

Девиз завода был кратким, но очень емким: «Вперед». И этим многое объяснялось. Постоянно расширялся ассортимент выпускаемой продукции, совершенствовались методы металлообработки, в массовое производство внедрялись новаторские изобретения. Франц Карлович с гордостью заявлял: «Мой завод может все сделать… какую бы кто ни пожелал машину или аппарат или предмет из неблагородных металлов. И я поддерживал эту репутацию, принимая всякие заказы, как бы трудны они не были».

Среди изделий, отлитых на заводе Сан-Галли, есть несколько особо значимых. Вопервых, это Колонна Славы, установленная у Троицкого собора на Измайловском проспекте в память подвига солдат и офицеров Измайловского полка во время русско-турецкой войны 1877-1878 годов. Изготовленная в 1885-1886 годах по проекту архитектора Д. И. Грима (при участии военного инженера Г. М. Житкова и скульптора П. И. Шварца), она представляла собой колонну из 108 трофейных турецких пушек, уложенных в пять ярусов. Венчала композицию окрыленная фигура Славы с лавровым венком в руке. В годы советской власти этот памятник воинской доблести был уничтожен, а совсем недавно, в 2005 году восстановлен на прежнем историческом месте. 

Другим заказом государственной важности стали главные ворота Зимнего дворца, выполненные на заводе на замену старым деревянным. Да-да, речь идет о тех самых парадных трехпролетных воротах, которые в фильме С. Эйзенштейна «Октябрь» штурмовали участники революционного восстания. К разработке первых эскизов придворный архитектор Н. А. Горностаев приступил в 1855 году, а в начале 1880-х годов работы по созданию массивных ворот из кованого железа на заводе Сан-Галли были завершены. Накладные выколотные детали из черного и цветного металла изготовили по чертежам архитектора Р. Ф. Мельцера. Каждую половину двухстворчатых ворот украшал вензель императора Александра III и его супруги Марии Федоровны. Навершием ворот служил коронованный двуглавый орел с державой в лапах, а на груди каждого из трех орлов располагался щит с изображением образа св. Георгия. Детали из черного металла были выполнены в технике «графита на отлип», орлы и вензеля – из меди с позолотой. Увы, в 1917 году знаки монаршей власти были сначала задрапированы, а затем уничтожены. Восстановление ворот Зимнего дворца во всем их великолепии осуществилось только в 2001 году, тогда же через них был открыт вход в залы Эрмитажа. 

Чугунолитейный завод Сан-Галли производил массу других изделий, придававших столице Российской империи особую стать: фонарные столбы, вазы, флагодержатели, фонтаны, ворота, садовые ограды, балконные решетки. Во второй половине XIX века город активно застраивался доходными домами, и каждый из них имел неповторимый декор. Моду на уникальные балконные решетки, выполненные в единственном экземпляре для конкретного здания, ввел именно Франц Карлович. Его ажурные чугунные решетки и козырьки производили впечатление легкости и одновременно прочности; некоторые из них можно увидеть и сегодня, например на Караванной улице, 24, набережной реки Фонтанки, 28, Конногвардейском бульваре, 3, Лиговском проспекте, 112, Невском проспекте, 162, Полтавской улице, 8, улице Добролюбова, 7, 3 линии Васильевского острова, 2. 

Клейма завода были на деталях интерьера, печках, надежных сейфах, городских канализационных люках, крышках для колодцев и выгребных ям. В мастерских Франца Карловича изготавливали насосы для городского водопровода, шлюз гигантских размеров для кронштадского дока, маяки, паровые котлы, приспособления для подъема миноносок из воды на зимнюю стоянку и прочее. Именно на этом заводе была произведена значительная часть оборудования для газового освещения улиц столицы. Разнообразие заказов поражает так же, как и предприимчивость владельца, под руководством которого маленькая мастерская, не приносившая серьезного дохода, за полвека превратилась в одно из крупнейших предприятий России.

Энергия Франца Карловича была направлена и на общественное служение. Кавалер 5 орденов, обладатель звания действительного статского советника, что соответствовало должности вице-губернатора, Ф. К. Сан-Галли двадцать лет с 1872 по 1892 год, входил в состав Городской Думы. Это при его непосредственном участии в Петербурге была усовершенствована водопроводная сеть, появилось электрическое освещение, конно-железные дороги, новые больницы, Александровский и уже упомянутый Троицкий мосты, Сенной и Мальцевский рынки, скотобойни и общественные туалеты. Даже беглого знакомства с биографией знаменитого фабриканта достаточно, чтобы понять: для него не существовало низких или недостойных его таланта задач, вся деятельность Франца Карловича была направлена на преобразование российской жизни, улучшение быта. И в этом он мог служить личным примером.

В конце XIX века притчей во языцех стало гуманное отношение заводчика к своим сотрудникам. Франц Карлович всегда заботился, чтобы его подчиненные получали достойную оплату труда, более того, для них он выстроил на петровском острове рабочую колонию из 22 отдельных домов и школы. В образцовой коммуне селились инженеры, приказчики, квалифицированные рабочие, все квартиры были снабжены водопроводом и освещением. Пансион, получивший название «городок Сан-Галли», окружали сады, некоторая его часть и по сей день сохранилась на Ремесленной улице (архитектор В. Р. Курзанов)

Автономные батареи отопления: как выбрать оптимальный радиатор

Даже сегодня центральное отопление есть не везде. И даже в некоторых малых городах людям приходится переходить на автономное отопление, не говоря уже о деревнях и селах. А кое-где и о газификации пока думать не приходится. Но в последнее время и многие обитатели городских квартир переходят на индивидуальный обогрев. А дело все в том, что далеко не всех устраивает качество предоставляемых услуг, и тем более их стоимость.

В этой статье мы расскажем о такой важной составляющей любой автономной системы обогрева, как радиаторы; о том, как выбрать автономные батареи отопления.

Условия эксплуатации автономного отопления

Прежде чем определиться с тем, какие батареи поставить в загородном доме или в квартире для обустройства индивидуального обогрева, нужно понять, в каких условиях таким приборам придется работать.

На самом деле, если сравнивать условия – давление, температуру, состояние теплоносителя, вероятность гидроударов – то при автономном обогреве они гораздо более комфортные. Так, рабочее давление в системе гораздо ниже, теплоноситель лучше по качеству, благодаря тому, что всегда можно установить сколько угодно фильтров. А гидроудары сглаживает монтаж специального гидроаккумулятора.

Более того, установив автоматику на запорную арматуру можно плавно увеличивать напор во время запуска системы, что сводит к минимуму вероятность порывов. Все это говорит о том, что в автономных системах обогрева могут использоваться практически все типы радиаторов, так как требования к ним не столь критичны, как для элементов централизованного отопления.

Однако у специалистов все же есть ряд рекомендаций к таким приборам. Так, для автономной системы отопления все лучше приобретать приборы с низкой тепловой инертностью. Подобные изделия оснащаются термостатом, а значит, при помощи них можно регулировать тепловой режим в помещении.

Рекомендации по выбору отопительных радиаторов

1. Выбор правильного радиатора во многом зависит от характеристик помещения – высоты потолков, количества дверных проемов и окон, теплопроводности стен. Стоит также знать, что угловая комната, например, всегда охлаждается быстрее. Данные характеристики прямо влияют на выбор батареи – сколько секций в ней должно быть. Ведь чем больше секций, тем больший радиатор дает обогрев, тем выше его мощность;
2. каждый тип радиатора обладает своим коэффициентом теплоотдачи. Считается, что для автономной системы отопления лучше всего по этому показателю подходят биметаллические и алюминиевые батареи. Хотя можно, конечно, использовать и чугунные, теплоотдача которых составляет от 100 до 160 Вт. Для сравнения этот показатель для стальных и алюминиевых батарей равен 120-150 и 82-212 Вт, соответственно. Между тем, в зависимости от конкретных условий для обогрева одного квадратного метра пространства требуется от 0,09 до 0,125 кВт энергии. Ориентируясь на эти данные и подбирают количество секций того или иного радиатора;
3. низкая тепловая инертность алюминиевых батарей позволяет использовать специальную автоматику, при помощи которой можно быстро менять в помещении температуру. Однако такие радиаторы не выдерживают высокого давление в централизованных системах отопления, потому их и не рекомендуют устанавливать в городских квартирах. А вот для частных домов с автономными системами обогрева эти приборы подходят почти идеально;
4. но оптимальным выбором для частного дома и для автономного обогрева вообще являются, пожалуй, биметаллические радиаторы. Их также можно оснастить специальным термостатом, они пригодны для использования с агрессивным теплоносителем, а также обладают отличной теплоотдачей. А вот чугунные радиаторы, несмотря на все свои достоинства, для автономного обогрева подходят не очень. Они, конечно, очень долго остывают (этим они напоминают аккумуляторные батареи, которые тоже запасают энергию, но по другому принципу), отдавая тепло; но и чтобы их прогреть нужно довольно много энергии. К тому же из-за высокой тепловой инертности на такие радиаторы нельзя установить терморегуляторы, а потому температуру в доме будет весьма непросто регулировать на нужном уровне;
5. не стоит забывать и про еще один важный критерий выбора радиатора отопления – его долговечность. А потому всегда целесообразно интересоваться у продавца гарантией – как производителя, так и продавца. Конечно, лучшими показателями пока обладает именно чугун – 50 лет и более работы. А вот для биметалла и алюминия данный показатель равняется 20-25 и 15-20 лет соответственно. Что, надо признать, тоже весьма неплохо. Стоит правда оговориться, что алюминий весьма чувствителен к кислотному составу теплоносителя, последний не должен превышать рН8;
6. важную роль играет, конечно, и производитель прибора. Само собой, что многие предпочитают европейское качество. Так, если выбирать чугун, то для таких изделий отлично зарекомендовал себя завод из Чехии VIADRUS, а также итальянский бренд FERROLI. Но и ЧАЗ из Чебоксар также выпускает неплохие радиаторы. А вот продукция компании ROCA подойдет тем, кто предпочитает стиль ретро. Если же вы предпочтете алюминиевые радиаторы, то свой выбор можно остановить на таких торговых марках, как ROVALL, FARAL, GLOBAL, INDUSTRIE PASOTTI, RAGALL, а также компании ММзик из Миасса и Ступинского завода СМК. Отличные биметаллические батареи отопления выпускают GLOBAL и SIRA, как и отечественные РИАФ и САНТЕХПРОМ из Оренбурга и Москвы соответственно.

Типы радиаторов

Автономные батареи отопления: особенности установки

Наиболее популярный вариант на сегодня – это использование в качестве теплоносителя воды, которую разогревает газовый или электрический котел. Циркуляционный насос гонит ее по системе труб и радиаторов, и последние отдают тепло в комнатах дома или квартиры. Так устроена простейшая автономная система обогрева.

Важную роль играет расчет количества, а также типа радиаторов для обогрева жилища. Как уже было сказано выше, для обогрева одного квадратного метра помещения необходимо в среднем 95-125 Вт энергии. Кроме того, важно учитывать и все характеристики помещения. Стандартными считаются высота потолков до трех метров, одно окон и одна дверь. Для оптимального прогрева такой комнаты потребуется разогреть теплоноситель до семидесяти градусов. Если же указанные стандартные критерии уменьшаются или увеличиваются, то надо делать и соответствующие поправки.

А так как разогревать теплоноситель до более высоких температур нежелательно, то придется увеличивать или уменьшать мощность радиаторов. Так, если температура теплоносителя снижается на десять градусов, придется увеличить мощность радиатора на 15-20 процентов. Например, если потолки в комнате выше трех метров, то придется увеличивать мощность батарей на тот процент, на который высота отличается от нормы. Если же потолки, наоборот, ниже, мощность придется понижать.

Добавим, что большое значение имеет и расположение конкретной комнаты. Например, если она угловая, или в ней несколько окон, то мощность радиаторов придется сразу увеличить в полтора раза.

Устанавливать в частном доме батареи с числом секций более десяти бессмысленно. Ваши затраты не оправдаются, так как теплоотдача от лишних секций будет минимальная.

YouTube responded with an error: The request cannot be completed because you have exceeded your <a href="/youtube/v3/getting-started#quota">quota</a>.

Загрузка… Самонагревающаяся литий-ионная батарея

может победить зимние невзгоды

В 1990-е годы коммерциализация литий-ионных (литий-ионных) батарей открыла новую эру инноваций. Этот революционный источник питания позволил разрабатывать новые продукты, начиная от мобильной бытовой электроники и заканчивая электромобилями и сложными военными и медицинскими приложениями. Сегодня литий-ионные батареи по-прежнему играют фундаментальную роль в сотнях продуктов, которые ежедневно затрагивают нашу жизнь.

По иронии судьбы, многие продукты, которые стали возможны благодаря этому революционному источнику питания, теперь предъявляют требования, которые раскрывают ограничения литий-ионных аккумуляторов.Сегодня потребители ожидают, что следующее поколение устройств, носимых устройств и других продуктов будет меньше, безопаснее и долговечнее. Литий-ионные аккумуляторы ставят перед инженерами-конструкторами несколько задач по разработке новой волны миниатюрной бытовой электроники.

Для этих небольших приложений серебро-цинк оказывается чрезвычайно привлекательной альтернативой литий-ионным батареям и батареям другого химического состава. Это особенно актуально для производителей и инженеров-конструкторов, которых интересуют четыре ключевые области:

• Плотность энергии и время работы
• Безопасность
• Нормативно-отгрузочная сложность
• Срок службы и право на ремонт прибора

В этих важнейших областях серебро-цинк обеспечивает атрибуты, необходимые для создания более безопасных, долговечных и более прочных миниатюрных продуктов.

Плотность энергии: больше энергии в меньшем пространстве

В то время как литий-ионный источник питания по-прежнему будет предпочтительным для многих продуктов, производители, сталкивающиеся с потребностями в устройствах меньшего размера, найдут желанную альтернативу в серебре и цинке. Из-за своей конструкции серебро-цинк обеспечивает более высокую плотность энергии в элементах небольшого размера – свойство, на которое Li-ion не может претендовать.

Серебро-цинк имеет такую ​​же плотность энергии, что и литий-ионный аккумулятор размером более 250 мм. ³ .Реальное преимущество серебра и цинка становится очевидным в устройствах, требующих батарей меньшего размера. По мере сокращения доступного пространства плотность энергии литий-ионных аккумуляторов резко падает из-за конструкции намотанного «желеобразного рулона», полости оправки и более низкой плотности тока электродов (рис. 1) .

1. Благодаря плоской конструкции серебряно-цинковых батарей плотность энергии остается пропорциональной при уменьшении размера. Наличие полости оправки в литий-ионных батареях означает, что при уменьшении размера батареи активный материал составляет пропорционально меньшую площадь батареи.В результате плотность энергии существенно снижается.

При уменьшении размера серебряно-цинковые батареи обеспечивают более высокие значения плотности энергии и более длительное время работы, чем любые другие батареи в том же диапазоне объемов (3) (Рис. 2) . Например, ZPower разработала микробатареи с плотностью около 340 ватт-часов на литр (Втч / л) при размере 156 мм ³ . При запланированном увеличении использования электродов эти микробатареи будут иметь удельную энергию 370 Втч / л к концу 2019 года и 400 Втч / л к 2021 году.

2. По мере уменьшения объема микробатареи, серебро-цинк сохраняет высокую плотность, в то время как плотность энергии литий-ионных аккумуляторов быстро падает.

Безопасность: решение горячей промышленной проблемы

В последние годы инциденты, связанные с безопасностью литий-ионных аккумуляторов, привлекли внимание как средств массовой информации, так и юридических лиц: мобильные телефоны перегреваются, ноутбуки начинают таять. Эти истории более чем анекдотичны. Взрыв литий-ионных аккумуляторов в устройствах для электронных сигарет за последние два года отправил более 2000 человек в отделения неотложной помощи.По данным FAA, в 2018 году в результате возгорания литий-ионных аккумуляторов один коммерческий рейс в США был остановлен примерно каждые 10 дней.

Хотя выход из строя литий-ионных аккумуляторов маловероятен, с увеличением количества устройств с литий-ионным питанием на рынке даже небольшая частота отказов может иметь серьезные последствия. В 2006 году инцидент с поломкой 1 из 200 000 вызвал отзыв почти шести миллионов устройств, когда микроскопические частицы металла вступили в контакт с другими частями аккумуляторной батареи, что привело к короткому замыканию.Отзыв об этом не только влияет на прибыльность производителя, но также может вызвать у потребителей опасения по поводу качества и безопасности продукции бренда.

В серебряно-цинковых батареях используется химический состав на водной основе, который не представляет опасности возгорания или перегрева. Это особенно актуально в таких приложениях, как носимые, наушники, медицинские устройства, военные устройства на теле и другие технологии, которые находятся в тесном контакте с пользователем.

Безопасность химического соединения серебра и цинка также обеспечивает преимущества конструкции.Серебряно-цинковые батареи не требуют дополнительных цепей безопасности, необходимых для всех литий-ионных батарей. Это освобождает ценное пространство для дизайна, что, в свою очередь, позволяет создавать устройства меньшего размера.

Правила перевозки: серебро-цинк приносит свои плоды

Размер и безопасность – не единственные недостатки литий-ионных аккумуляторов для производителей. Из-за своего химического состава литий-ионный аккумулятор также создает препятствия, которые могут повлиять на доставку, стоимость и удобство.

Недавние правила перевозки наложили существенные ограничения на транспортировку литий-ионных аккумуляторов.При отгрузке оптом небольшие литий-ионные аккумуляторы классифицируются как опасные грузы и могут нести не более 30% заряда во время авиаперевозки. Это может привести к разрядке батарей, что, в свою очередь, может повлиять на производительность устройства после установки. Правила транспортировки литий-ионных аккумуляторов также включают множество требований к упаковке, маркировке и обращению.

Ограничения сохраняются в отношении небольших партий и бывших в употреблении устройств. Например, поврежденные литий-ионные аккумуляторы нельзя отправлять по воздуху ни при каких обстоятельствах, что может привести к задержкам и неудовлетворенности клиентов, возвращающих устройство для ремонта.Это может быть еще более серьезной проблемой для тех, у кого есть военное и медицинское оборудование, которое может срочно нуждаться в замене или ремонте. Ограничения на доставку литий-ионных аккумуляторов распространяются даже на потребительский уровень. Федеральные правила запрещают авиапассажирам путешествовать с запасными или сменными батареями в зарегистрированном багаже.

Вскоре к транспортировке литий-ионных аккумуляторов могут быть предъявлены дополнительные требования для дальнейшего устранения опасностей от дыма, огня, горючих газов или взрыва, когда элемент в упаковке подвергается тепловому разгону.

В отличие от серебра и цинка никаких ограничений на транспортировку или транспортировку не накладывает. Поскольку они менее токсичны и негорючие, серебристо-цинковые батареи рассматриваются в том же свете, что и другие щелочные батареи. Они могут быть доставлены по всему миру без ограничений или специальной упаковки. Это не только улучшает время отклика и удобство, но также снижает риски, затраты и логистическую сложность в цепочке поставок.

Срок службы устройства: серебро-цинк преодолевает расстояние

Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов влияют не только на способ транспортировки аккумуляторов, но и на конструкцию устройств.Дизайнеры делают невозможным разборку продуктов, чтобы защитить потребителей от травм из-за литий-ионных батарей внутри них. Устройства, разработанные таким образом, не могут быть отремонтированы кем-либо, кроме производителя, если они вообще могут быть отремонтированы.

Дело в том, что все батареи начинают терять емкость при первой зарядке, и эта потеря емкости продолжается с каждым циклом зарядки. Каждый, кто владеет мобильным телефоном с литий-ионным питанием, сталкивался со временем, когда эта батарея разряжалась.Клиенты, владеющие устройствами с батареями, которые больше не держат заряд, должны отправить свое устройство обратно и оплатить замену батареи, если это возможно, или приобрести новое устройство.

Фактически, проблемы, порождаемые этим методом проектирования, достигли такого уровня видимости, что теперь вмешивается правительство. Восемнадцать штатов приняли законы, касающиеся «права пользователей на ремонт» своих электронных устройств. Самая крайняя форма законодательства была принята в штате Вашингтон, где в настоящее время рассматривается законопроект, полностью запрещающий продажу электронных устройств, у которых нет легко снимаемых батарей.

Серебряно-цинковые батареи негорючие и работают от более низкого напряжения, чем литий-ионные. Следовательно, с ними безопасно обращаться и меньше рисков при проглатывании или проглатывании. Из-за их безопасности серебряно-цинковые батареи также могут быть сконструированы так, чтобы их можно было снимать с устройства и, таким образом, заменять потребитель. Это продлевает срок службы устройств, улучшает впечатления потребителей и снижает количество электронных отходов.

Большие преимущества для небольших приложений

Литий-ионные батареи

позволили создать и разработать буквально сотни инновационных электронных продуктов, и они будут продолжать делать это и в будущем.Однако по мере роста спроса на меньшие, более безопасные и более энергоемкие источники питания недостатки литий-ионных аккумуляторов в этих приложениях становятся все более очевидными.

Серебро-цинк напрямую решает многие проблемы конструкции, безопасности и питания, с которыми сталкиваются производители и инженеры-конструкторы. В поисках лучшей микробатареи серебро-цинк обладает непревзойденной способностью вкладывать большую энергию и инновации в все более мелкие пространства.

Тим Пауэрс – вице-президент по развитию бизнеса ZPower.

Самонагревающееся решение для быстрой зарядки холодных батарей

Низкие температуры и литий-ионные батареи не подходят – по крайней мере, для электромобилей (EV). Когда термометр опускается ниже 50 градусов по Фаренгейту, способность ионов лития легко вставляться между графитовыми слоями анода батареи во время зарядки уменьшается. Вместо этого ионы лития присоединяются друг к другу и образуют остроконечные дендритные кристаллы, которые могут вырасти достаточно большими, чтобы в конечном итоге достичь катода и замкнуть батарею.Такое поведение в прохладную погоду ограничивает возможность быстрой зарядки электромобилей в течение нескольких периодов года в более холодных регионах США и Канады. Длительная медленная зарядка была единственным вариантом при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту.

Самонагревающаяся батарея Penn State позволяет быстро заряжать при любых внешних температурах. (Источник изображения: Chao-Yang Wang / Penn State)

Предварительный нагрев

Теперь Университет штата Пенсильвания разработал модификацию литий-ионных аккумуляторов, которые предварительно нагревают их перед подачей высоких зарядных токов.Согласно пресс-релизу Penn State, в каждый аккумуляторный элемент встроена тонкая никелевая фольга. Один конец фольги прикреплен к отрицательной клемме батареи, а другой конец выходит за пределы ячейки, образуя третью клемму.

Третий вывод используется, когда необходимо нагреть аккумуляторные элементы. Согласно релизу, «датчик температуры, прикрепленный к переключателю, заставляет электроны проходить через никелевую фольгу, замыкая цепь, когда температура ниже комнатной.Это быстро нагревает никелевую фольгу за счет резистивного нагрева и нагревает внутреннюю часть батареи. Как только внутренняя температура батареи становится выше комнатной, переключатель размыкается, и электрический ток течет в батарею, чтобы быстро ее зарядить ».

«Уникальной особенностью нашего элемента является то, что он нагревается, а затем автоматически переключается на зарядку», – сказал Чао-Ян Ван, профессор химической инженерии и профессор материаловедения и инженерии в Пенсильвании.«Кроме того, уже существующие станции не нужно менять. Управление отключением нагрева и зарядки осуществляется внутри аккумулятора, а не зарядных устройств», – добавил он.

Положительные результаты

Результаты испытаний прототипа были опубликованы в недавнем издании Proceedings of the National Academy of Sciences . Исследователи обнаружили, что самонагревающаяся батарея может выдержать 4500 циклов 15-минутной зарядки при 32 градусах по Фаренгейту с потерей всего 20 процентов емкости.Согласно пресс-релизу Пенсильванского университета, обычный литий-ионный аккумулятор без самонагрева и испытанный в тех же условиях потерял 20 процентов емкости за 50 циклов зарядки. По данным Penn State, 4500 циклов зарядки представляют собой «… примерно 280 000 миль езды и срок службы 12,5 лет».

Game Changer

Возможность быстрой зарядки электромобиля за 15–30 минут часто описывается как один из критических шагов к повсеместному принятию электрификации транспортной системы.Беспокойство относительно диапазона остается одной из самых больших проблем потенциальных покупателей электромобилей. Благодаря разумному количеству стратегически расположенных станций быстрой зарядки и возможности быстрой зарядки – даже в холодную погоду – электромобиль становится жизнеспособным даже для дальних путешествий.

Станции быстрой зарядки открываются в США. В настоящее время Tesla имеет 1308 станций нагнетания и 10622 доступных нагнетателя. Между тем, Electrify America строит сеть из 650 мест для зарядки на базе сообществ и 300 пунктов зарядки на автомагистралях с возможностью быстрой зарядки.Концепция самонагревающихся батарей в Пенсильвании будет иметь большое значение для повышения жизнеспособности этих быстрозарядных устройств в течение всего года, независимо от температуры наружного воздуха.

Старший редактор Кевин Клеменс пишет на темы энергетики, автомобилестроения и транспорта более 30 лет. Он имеет степень магистра в области материаловедения и экологического образования и докторскую степень в области машиностроения со специализацией в аэродинамике. Он установил несколько мировых рекордов наземной скорости на электрических мотоциклах, которые он построил в своей мастерской.

Конференция Premier Battery в Северной Америке. Присоединяйтесь к нашей обширной программе конференции, включающей более 100 технических дискуссий, охватывающих темы от новых аккумуляторных технологий и химии до BMS и терморегулирования. Выставка батарей . 11-13 сентября 2018 г. в Нови, штат Мичиган. Зарегистрируйтесь для участия в мероприятии, организованном UBM, материнской компанией Design News, .

Быстрая зарядка литий-ионных аккумуляторов при любых температурах

Значение

Беспокойство о запасе хода является ключевой причиной того, что потребители неохотно выбирают электромобили.Чтобы быть действительно конкурентоспособными с бензиновыми автомобилями, электромобили должны позволять водителям быстро перезаряжаться в любом месте в любую погоду, например, заправлять бензиновые автомобили. Однако ни один из современных электромобилей не допускает быструю зарядку при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия, образования металлического лития, которое резко сокращает срок службы батареи и даже приводит к угрозе безопасности. Здесь мы представляем подход, который обеспечивает быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов за 15 минут при любых температурах (даже при -50 ° C), сохраняя при этом значительный срок службы (4500 циклов, что эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль электромобиля). срок службы), что делает электромобили действительно независимыми от погодных условий.

Abstract

Быстрая зарядка – ключевой фактор массового внедрения электромобилей (EV). Ни один из современных электромобилей не выдерживает быстрой зарядки при низких или даже низких температурах из-за риска литиевого покрытия. Попытки включить быструю зарядку затрудняются из-за компромиссного характера литий-ионной батареи: улучшение возможности быстрой низкотемпературной зарядки обычно приносит в жертву долговечность элементов. Здесь мы представляем управляемую структуру ячеек, которая устраняет этот компромисс и обеспечивает быструю зарядку без литиевого покрытия (LPF).Кроме того, элемент LPF обеспечивает унифицированную практику зарядки независимо от температуры окружающей среды, предлагая платформу для разработки материалов для аккумуляторов без температурных ограничений. Мы демонстрируем элемент LPF 9,5 А · ч 170 Вт · ч / кг, который можно зарядить до 80% за 15 минут даже при -50 ° C (за пределами рабочего предела элемента). Кроме того, элемент LPF выдерживает 4500 циклов зарядки 3,5-C при 0 ° C с потерей емкости <20%, что в 90 раз увеличивает срок службы по сравнению с базовым обычным элементом и эквивалентно> 12 лет и> 280000 миль. Срок службы электромобиля в таких экстремальных условиях использования, т.е.е., 3,5-C или 15-минутная быстрая зарядка при отрицательных температурах.

Электромобили (ЭМ) имеют большие перспективы в решении проблем изменения климата и энергетической безопасности (1). Автопроизводители выстраиваются в очередь, чтобы наводнить рынок серией новых электромобилей. Несмотря на быстрое падение стоимости литий-ионных аккумуляторов (LiB) на 80% за последние 7 лет (2), рынок электромобилей по-прежнему составляет лишь около 1% годовых продаж легковых автомобилей. Беспокойство о запасе хода, страх, что у электромобиля может закончиться заряд во время поездки с водителем, который остался в затруднительном положении, долгое время упоминался как основная причина, по которой потребители неохотно выбирают электромобили.Это беспокойство усугубляется тем фактом, что подзарядка электромобилей обычно занимает гораздо больше времени, чем заправка автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ICEV). Исследования показали, что годовой пробег электромобилей увеличился более чем на 25% в районах, где водители имеют доступ к станциям быстрой зарядки, даже в тех случаях, когда быстрая зарядка использовалась для от 1 до 5% от общего числа случаев зарядки (3).

По всему миру идет захватывающая гонка за увеличение количества и мощности станций быстрой зарядки. BMW, Daimler, Ford и Volkswagen в прошлом году создали совместное предприятие (4), чтобы к 2020 году развернуть 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе с мощностью зарядки до 350 кВт, что позволяет заряжать электромобиль с пробегом 200 миль. (е.г., Chevy Bolt с батареей на 60 кВтч) за ∼10 мин. Honda также объявила о планах по выпуску электромобилей, способных к 15-минутной быстрой зарядке к 2022 году. Совсем недавно Министерство энергетики США объявило о финансировании проектов по разработке технологий сверхбыстрой зарядки (5) с целью дальнейшего увеличения мощности зарядки до 400 кВт.

Критическим препятствием для быстрой зарядки является температура. Чтобы быть действительно конкурентоспособными с ICEV, быстрая зарядка электромобилей не должна зависеть от региона и погодных условий, так же, как заправка бензинового автомобиля.Зимой на половине территории США средняя температура ниже 0 ° C, как показано на рис. 1 A (6). Однако ни один из современных электромобилей не поддерживает быструю зарядку при низких температурах. Nissan Leaf, например, можно зарядить до 80% за 30 минут (заряд ~ 2 ° C) при комнатной температуре, но для зарядки того же количества энергии при низких температурах потребуется> 90 минут (заряд + . В суровых условиях большая поляризация анода может подтолкнуть потенциал графита ниже порога для литиевого покрытия (8, 9).

Рис. 1.

LPF Быстрая зарядка независимо от температуры окружающей среды. ( A ) Средняя зимняя температура в США. Половина из них <0 ° C, а 47 состояний <10 ° C. ( B ) Литературные данные о сроке службы при различных температурах, нормированные на срок службы при 25 ° C. Элемент LPF позволяет сместить парадигму от экспоненциальной линии обычных литий-ионных элементов к верхней горизонтальной линии.( C – E ) Схематическое изображение структуры управляемого элемента для быстрой зарядки LPF. Ячейка ( C, ), изначально находящаяся при температуре замерзания, ( D ) проходит этап быстрого внутреннего нагрева, чтобы поднять ее температуру выше порогового значения (T _LPF ), которое устраняет литиевое покрытие перед тем, как ( E ) быть заряжено. Используется структура самонагревающейся батареи, которая имеет тонкую никелевую фольгу внутри элемента (подробности см. В приложении SI , рис. S4).Эта структура ячейки позволяет интеллектуально управлять разделением тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры ячейки (ячейка T ). ( D ) Если ячейка T LPF , переключатель замкнут, чтобы направить весь ток в никелевую фольгу для быстрого нагрева (~ 1 ° C / с) без проникновения в материалы анода (без покрытия). ( E ) Как только элемент T > T _LPF , переключатель размыкается, и весь ток уходит в электродные материалы для быстрой зарядки без литиевого покрытия.

Основным признаком литиевого покрытия является резкая потеря емкости в дополнение к угрозам безопасности. Действительно, недавние данные показали, что срок службы LiB значительно снижается с температурой. Коммерческий 16-Ач графит / LiNi _1/3 Mn _1/3 Co _1/3 O _{2 ячейки} в европейском проекте Mat4Bat потеряли 75% емкости за 50 циклов с зарядкой 1 ° C при 5 ° C (10), хотя одни и те же клетки могут выдержать 4000 циклов при 25 ° C. Schimpe et al. (11) циклически повторяли идентичные элементы графит / LiFePO ₄ при разных температурах.Ячейки при 25 ° C потеряли 8% емкости за 2800 эквивалентных полных циклов (EFC). При такой же потере емкости срок службы элементов снижается до 1800 EFC при 15 ° C, 1400 EFC при 10 ° C и 350 EFC при 0 ° C. На рис. 1 B обобщены некоторые недавние данные (11⇓⇓⇓ – 15) в литературе о сроке службы при различных температурах, нормированные на соответствующий срок службы при 25 ° C. Можно отметить явное экспоненциальное падение жизненного цикла с температурой в соответствии с законом Аррениуса, предложенным Waldmann et al. (12). Даже при низкой температуре 10 ° C срок службы элементов составляет лишь половину от срока службы при 25 ° C.Стоит отметить, что в 47 из 50 штатов США зимой средняя температура ниже 10 ° C (рис. 1 A ). Даже при ежегодном усреднении ( SI Приложение , рис. S1) 23 состояния имеют температуру ниже 10 ° C. Таким образом, даже когда станции быстрой зарядки становятся повсеместными, потребители все еще не могут быстро заправлять свои электромобили в течение большей части года из-за низких температур окружающей среды.

По сути, на литиевое покрытие влияют скорость ионной проводимости и диффузии в электролите, диффузия лития в частицах графита и кинетика реакции на графитовых поверхностях.Все ключевые параметры, управляющие этими процессами, подчиняются закону Аррениуса и существенно падают с температурой ( SI Приложение , рис. S2). Таким образом, подключаемый гибридный элемент EV (PHEV), который может выдерживать заряд 4 ° C без литиевого покрытия при 25 ° C, может допускать заряд только 1,5 ° C при 10 ° C и C / 1,5 при 0 ° C для предотвращения литиевое покрытие ( SI Приложение , рис. S3), которое объясняет длительное время перезарядки современных электромобилей при низких температурах. Для повышения способности к быстрой зарядке исследования в литературе были сосредоточены на улучшении анодных материалов, таких как покрытие графита нанослоем аморфного кремния (16, 17), и разработке новых материалов, таких как титанат лития (18, 19) и графеновые шарики (20), и по разработке новых электролитов (21, 22) и добавок (23).LiBs, однако, хорошо известны своей компромиссной природой между ключевыми параметрами (24). Улучшение одного свойства без ущерба для другого всегда нетривиально. Например, электролит с превосходными характеристиками при низких температурах довольно часто нестабилен при высоких температурах (23, 24). Точно так же уменьшение размера частиц и / или увеличение площади поверхности активных материалов Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) способствует быстрой зарядке, но при этом страдает срок службы батареи и безопасность. Чрезвычайно сложно, если вообще возможно, разработать материалы с высокой скоростью зарядки, сохраняя при этом долговечность и безопасность в широком диапазоне температур.

Здесь мы делаем попытку освободить науку об аккумуляторах от компромиссов. В частности, мы представляем структуру ячеек, которой можно активно управлять для достижения быстрой зарядки без литиевого покрытия (LPF) при любых температурах окружающей среды, что позволяет изменить парадигму соотношения между сроком службы и температурой (рис. 1 B ), с корреляция Аррениуса обычных LiB с горизонтальной линией, нечувствительной к температуре. Мы выбрали карманные ячейки емкостью 9,5 Ач с графитовым анодом, LiNi _0.6 Mn _0,2 Co _0,2 O ₂ (NMC622) катод и плотность энергии на уровне ячейки 170 Втч / кг для демонстрации. Со структурой элемента LPF элемент выдержал 4500 циклов (2806 EFC) зарядки 3,5-C при 0 ° C до достижения 20% потери емкости, что означает, что даже если электромобиль заряжается один раз в день в этих суровых условиях, Элемент LPF имеет срок службы 12,5 лет и может обеспечить дальность действия> 280 000 миль (при условии, что 1 EFC ≈ 100 миль). Это уже выходит за рамки гарантии большинства ICEV.Для сравнения, обычный LiB-элемент с идентичными материалами батареи в тех же условиях тестирования (заряд 3,5 ° C при 0 ° C) потерял 20% емкости всего за 50 циклов и 23 EFC.

Кроме того, в этой работе подчеркивается концепция унифицированной практики зарядки, независимой от температуры окружающей среды. Для электромобилей профили разряда батареи зависят от поведения водителей, но протоколы зарядки определяются производителями. Сегодняшние электромобили должны снижать скорость зарядки при понижении температуры из-за опасений по поводу литиевого покрытия.С помощью элемента LPF зарядка при любой температуре окружающей среды превращается в зарядку при оптимальной температуре всего за десятки секунд. Как показано здесь, элемент LPF может быть заряжен до 80% состояния заряда (SOC) за 15 минут даже при температуре окружающей среды -50 ° C. Более того, кривая зарядного напряжения при -50 ° C почти такая же, как и при 25 ° C. Эта унифицированная практика зарядки может значительно упростить управление аккумулятором и продлить срок его службы.

Кроме того, ячейка LPF предлагает платформу для материаловедов.Постоянной проблемой при исследовании материалов для аккумуляторов является поиск материалов, которые могут поддерживать хорошие характеристики в широком диапазоне температур. Поскольку температурные ограничения снимаются с ячейками LPF, исследователям нужно только оптимизировать характеристики материала около одной температуры.

Результаты и обсуждение

Контролируемая структура ячеек для быстрой зарядки LPF.

Ключевая идея быстрой зарядки LPF состоит в том, чтобы заряжать элемент всегда выше температуры, которая может препятствовать образованию литиевого покрытия, далее именуемой температурой LPF (T _LPF ).Как показано на рис. 1 C – E , этап быстрого внутреннего нагрева (рис. 1 D ) добавляется перед этапом зарядки (рис. 1 E ), чтобы гарантировать, что аккумулятор заряжен при температура выше T _LPF .

Быстрый нагрев необходим для быстрой зарядки LPF, так как общее время зарядки, включая нагрев, ограничено от 10 до 15 минут. Обычные методы нагрева батареи с использованием внешних нагревательных устройств или систем управления температурой ограничены внутренним конфликтом между скоростью нагрева и однородностью (т.е., высокая скорость нагрева приводит к неоднородной температуре и локализованному перегреву вблизи поверхности ячейки), как подробно описано в ссылке. 25; таким образом, их скорость нагрева ограничена ~ 1 ° C / мин (26), что означает, что нагрев от -20 ° C до 20 ° C уже займет> 40 мин. Добавляя время на зарядку, он уже не в категории быстрой зарядки. В этой работе мы используем самонагревающуюся структуру LiB (27), которая имеет тонкую никелевую (Ni) фольгу, встроенную в ячейку, которая может создавать огромный и равномерный нагрев, как показано в приложении SI, приложение , рис.S4. Фольга Ni является неотъемлемым компонентом отдельной ячейки вместе с электродами и электролитом. Он служит внутренним нагревательным элементом, а также внутренним датчиком температуры, поскольку его электрическое сопротивление линейно зависит от температуры ( SI Приложение , рис. S5). Кроме того, введение никелевой фольги добавляет только 0,5% веса и 0,04% стоимости по сравнению с обычным одиночным элементом LiB.

Стратегия управления, основанная на структуре самонагревающейся батареи, разработана в этой работе, как показано на рис.1 C – E . Ключом к этой стратегии является интеллектуальное разделение входного тока между никелевой фольгой (нагрев) и материалами электродов (зарядка) в зависимости от температуры элемента (T _cell ). Если T _{элемент} LPF (Рис. 1 D ), постоянное напряжение, близкое к напряжению холостого хода элемента (OCV), применяется вместе с замыканием переключателя между положительной клеммой и клеммой активации. Поскольку напряжение элемента ≈ OCV, весь ток от источника заряда направляется к никелевой фольге, чтобы генерировать огромное внутреннее тепло, не проникая в материалы анода (без литиевого покрытия).Как только элемент T > T _LPF (рис. 1 E ), переключатель открывается для перехода из режима нагрева в режим зарядки, при этом ток подается на материалы электродов без какого-либо риска литиевого покрытия.

Для демонстрации быстрой зарядки LPF мы выбрали 9,5 Ач графитовых / NMC622 ячеек. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Выбор скорости заряда и T _LPF основан на результатах моделирования потенциала осаждения Li (LDP) в приложении SI , рис.S3 с использованием откалиброванной модели LiB. Как правило, T _LPF должен иметь минимальную температуру, при которой можно избежать образования лития при данной скорости заряда. Хотя более высокая температура всегда благоприятна для устранения литиевого покрытия, она также может ускорить рост межфазной границы твердого электролита (SEI). В этой работе скорость заряда 3,5 C и T _LPF ∼25 ° C выбраны на основе SI Приложение , рис. S3 C .

На рис.2 показан общий процесс быстрой зарядки LPF 9.Элемент емкостью 5 Ач при экстремальной температуре −40 ° C. Перед испытанием полностью разряженный элемент выдерживали в климатической камере при -40 ° C на> 12 часов. Чтобы гарантировать, что элемент не был заряжен (без литиевого покрытия) на этапе нагрева, при включении переключателя было приложено напряжение 3,15 В, что немного ниже, чем OCV (∼3,2 В) (см. Рис. 1 D ). ). Таким образом, весь входной ток проходил через никелевые фольги (рис. 2 E ) автоматически, не затрагивая материалы батареи.Поскольку напряжение ячейки было установлено на 50 мВ ниже, чем OCV, ячейка слегка разряжалась на этапе нагрева, которая постепенно увеличивалась до ~ 0,2 ° C к концу, когда ячейка стала нагретой (рис. 2 F ). Тем не менее, общая разрядная емкость во время этапа нагрева составляет только 6,85 × 10 ^-3 Ач или 0,072% емкости элемента и, следовательно, несущественна. Благодаря сильному току, протекающему через никелевые фольги, ячейка быстро нагревается (рис. 2 C ).Когда температура поверхности достигала 20 ° C, выключатель открывался для завершения этапа нагрева, а затем ячейка отдыхала 10 с для релаксации внутреннего температурного градиента. Как показано на рис. 2 G , температура Ni-фольги, самая высокая температура внутри ячейки, составляла <45 ° C во время нагрева и быстро падала и достигала температуры поверхности около 27 ° C после 10-секундного периода покоя. Это означает, что быстрый нагрев не вызывает опасений по поводу безопасности. После этого ячейка переключилась в режим заряда с использованием протокола постоянного тока постоянного напряжения (CCCV) при токе 3.5 C ограничено напряжением отсечки 4,2 В до достижения 80% SOC. Весь процесс занял 894,8 с (14,9 мин), включая 61,6 с нагрева и 10 с термической релаксации.

Рис. 2.

Быстрая 15-минутная зарядка при −40 ° C. ( A – D ) Эволюция ( A ) напряжения элемента, ( B ) разделение тока между никелевой (Ni) фольгой и элементом, ( C ) температура поверхности и ( D ) SOC . Первоначально ячейка была при 0% SOC и -40 ° C, с OCV ~ 3.2 В. Весь процесс зарядки был разделен на этап быстрого внутреннего нагрева, за которым следовала 10-секундная пауза, а затем зарядка CCCV (3,5 ° C, 4,2 В) до достижения 80% SOC. ( E и F ) Интеллектуальное управление разделением тока между никелевой фольгой и материалами электродов в процессе нагрева. ( E ) Весь входной ток проходит через никелевые фольги, а ( F ) незначительный ток проходит через анодные материалы (без покрытия) на этапе нагрева. ( G ) Эволюция температуры поверхности и температуры Ni-фольги во время стадий нагрева и релаксации.

Для сравнения идентичную базовую ячейку заряжали без этапа быстрого нагрева с использованием того же протокола CCCV при -40 ° C ( SI, приложение , рис. S6). Из-за чрезвычайно медленной электрохимической кинетики и транспорта электролита и, следовательно, высокого внутреннего сопротивления, напряжение элемента достигло предела 4,2 В сразу после зарядки ( SI Приложение , рис. S6 A ), а пусковой ток составлял всего ∼0,2 C. ( SI Приложение , рис. S6 B ).Зарядный ток медленно восстанавливался при медленном повышении температуры ( SI Приложение , рис. S6, C ) из-за ограниченной скорости тепловыделения. Максимальный зарядный ток составлял всего 0,85 C, и потребовалось 115 минут, чтобы достичь 80% SOC, что в 7,7 раза больше, чем у элемента LPF.

В общем, при очень низких температурах можно разработать батарею, которая разряжает разумный процент емкости; однако зарядить аккумулятор с разумной скоростью практически невозможно.Это происходит из-за асимметричной электрохимической кинетики зарядки по сравнению с разрядкой, преобладающей в электрохимии. С другой стороны, приложения обычно требуют более высокой скорости зарядки для экономии времени. Представленный здесь способ нагрева-заряда с помощью самонагревающейся конструкции батареи позволяет разделить процессы заряда и разряда за счет быстрой модуляции внутренней температуры; таким образом, он способен преодолевать более слабую электрохимическую кинетику зарядки, чем разряд, для широкого набора электрохимических ячеек накопления энергии.

Унифицированная кривая зарядки, не зависящая от температуры окружающей среды.

На Рис. 3 сравнивается зарядка элемента LPF на 9,5 Ач при различных температурах окружающей среды (−50 ° C, −40 ° C, −20 ° C и 0 ° C). Протокол испытаний был одинаковым для всех случаев: ( и ) полная разрядка при 25 ° C, а затем охлаждение до температуры испытания; ( II ) быстрое нагревание путем приложения постоянного напряжения 3,15 В до тех пор, пока температура поверхности не станет> 20 ° C; ( iii ) 10-секундное расслабление; и ( iv ) зарядка CCCV (3.5 C, 4,2 В) до 80% SOC. Видно, что кривые напряжения практически одинаковы во всех случаях, несмотря на огромную разницу в температуре окружающей среды (рис. 3 A ). Нагрев ячейки с -50 до 20 ° C (∼1 ° C / с) занял 69 с, а от 0 ° C до 20 ° C (0,66 ° C / с) – 30,2 с. Более быстрый нагрев при более низкой температуре окружающей среды выиграл от снижения сопротивления фольги Ni с повышением температуры ( SI Приложение , рис. S5), что привело к более высокому току нагрева при более низкой температуре (рис. 3 C ).Даже в случае -50 ° C этап нагрева составлял только 7,6% времени всего процесса. Общее время зарядки элемента до 80% SOC было одинаковым во всех четырех случаях (рис. 3 B , 905,7 с при –50 ° C и 863,2 с при 0 ° C, разница ∼5%). Таким образом, жесткие ограничения температуры окружающей среды на время зарядки, как и во всех современных электромобилях, полностью снимаются с помощью элемента LPF.

Рис. 3.

Единая практика зарядки вне зависимости от температуры окружающей среды. ( A ) Кривые напряжения элемента LPF при различных температурах окружающей среды.Во всех испытаниях элемент прошел этап быстрого нагрева при 3,15 В до достижения температуры поверхности> 20 ° C, выдерживался в течение 10 с, а затем заряжался постоянным током 3,5 ° C с последующим постоянным напряжением 4,2 В. до достижения 80% SOC. ( B ) Сводка времени нагрева и общего времени, демонстрирующая, что ограничения температуры окружающей среды на время зарядки устранены. ( C и D ) Эволюция ( C ) тока через никелевую фольгу и ( D ) температуры поверхности ячейки на этапе быстрого нагрева.

Температура как поверхности, так и Ni-фольги достигла ∼27 ° C после 10-секундной термической релаксации ( SI Приложение , рис. S7) во всех четырех случаях, что указывает на то, что начальная точка зарядки аналогична. Таким образом, кривые напряжения при последующей зарядке CCCV были очень похожими ( SI Приложение , рис. S8, A ). Немного более высокое напряжение при более низкой температуре окружающей среды было приписано большему падению температуры во время зарядки ( SI Приложение , рис. S8, B ) из-за сильного охлаждения в климатической камере.При улучшении теплоизоляции и управления можно ожидать, что кривая зарядки станет унифицированной и независимой от температуры окружающей среды. Унифицированная кривая заряда может значительно упростить систему управления батареями и повысить точность оценки состояния батареи (SOC, состояние здоровья и т. Д.) И, следовательно, чрезвычайно полезна для электромобилей.

Следует отметить, что современные электромобили, в принципе, также могут быть нагреты до> T _LPF перед зарядкой, используя системы терморегулирования вне отдельных элементов; однако изначально низкая скорость внешнего нагрева (<1 ° C / мин) не позволяет решить проблему быстрой зарядки.Кроме того, поскольку автомобильные элементы становятся все больше и толще, чтобы снизить стоимость производства, скорость внешнего нагрева должна быть дополнительно снижена, чтобы избежать локального перегрева на поверхности элемента (25). Наш метод вставки никелевой фольги обеспечивает быстрый и равномерный внутренний нагрев независимо от размера ячейки (равномерность нагрева может быть гарантирована добавлением нескольких никелевых фольг). Этот метод также может быть применен к ячейкам другой геометрии. Например, фольга Ni может образовывать оболочку, обернутую вокруг первой половины цилиндрического рулона с желе перед намоткой второй половины, таким образом помещая ее прямо в середину рулона с желе для цилиндрической ячейки.Несколько примеров конструкций из никелевой фольги для различных типов и форм-факторов ячеек можно найти в ссылке. 28. Кроме того, поток тока внутри элемента между нагревательным элементом и материалом батареи активно регулируется, обеспечивая плавное переключение между режимом быстрого нагрева и режимом зарядки в зависимости от температуры элемента. Даже в крайнем случае -50 ° C, когда электролит уже перестает работать, элемент LPF все еще заряжается до 80% SOC за 15 минут, как и при комнатной температуре, что еще раз демонстрирует свой потенциал сделать электромобили по-настоящему региональными и погодными. -независимый.

Замечательный срок службы за счет отсутствия литиевого покрытия.

Далее мы демонстрируем устранение литиевого покрытия в элементе LPF. Зарядка ячейки LPF при 0 ° C сравнивается с двумя стандартными ячейками базовой линии с идентичными материалами и электродами, которые были заряжены по тому же протоколу CCCV (3,5 C, 4,2 В) до 80% SOC без этапа нагрева. Одна базовая ячейка была протестирована при 0 ° C, а другая – при 25 ° C. Как показано на рис. 4 A , кривая напряжения ячейки LPF при 0 ° C после этапа быстрого нагрева почти перекрывалась с кривой напряжения базовой ячейки при 25 ° C, с очень небольшой разницей из-за разницы в температуре. (Рис.4 В ). Однако базовая ячейка при 0 ° C имеет гораздо более высокое напряжение, чем две другие ячейки из-за ее высокого внутреннего сопротивления. Все три ячейки были оставлены в разомкнутой цепи после зарядки до 80% SOC, и кривые напряжения во время релаксации сравниваются на рис. 4 C . Четкое плато напряжения наблюдается на кривой релаксации базовой ячейки при 0 ° C, что приводит к локальному пику на кривой дифференциального напряжения (рис. 4 D ). Плато напряжения и пик дифференциального напряжения указывают на появление металлического лития, и, таким образом, являются четким доказательством того, что покрытие литием произошло в 3.5-C зарядка базового элемента при 0 ° C. В двух других случаях напряжение элемента быстро падает до относительно стабильного значения, что указывает на отсутствие литиевого покрытия во время зарядки.

Рис. 4.

Замечательный срок службы элемента LPF. Сравнение базовых ячеек при 0 ° C и 25 ° C с ячейкой LPF при 0 ° C с точки зрения напряжения ( A, ) и ( B ) температуры поверхности во время зарядки и ( C, ) напряжения и ( D ) производная напряжения во время релаксации ячейки после зарядки по времени.Все элементы были заряжены током 3,5 ° C, ограниченным 4,2 В, пока они не достигли 80% SOC. Плато напряжения в C и локальный пик дифференциального напряжения в D базовой ячейки при 0 ° C указывают на удаление металлического лития. ( E ) Сохранение емкости в зависимости от количества циклов для элемента LPF и цикла базовой ячейки с зарядкой 3,5 ° C при температуре окружающей среды 0 ° C.

Отсутствие литиевого покрытия значительно увеличило срок службы при низких температурах. Велоспорт-тесты проводились с 3.Зарядка 5-C до 4,2 В с последующим 2-минутным перерывом и затем разряд 1-C до 2,7 В. Для элемента LPF этап быстрого нагрева при постоянном напряжении 3,4 В выполнялся в начале каждого цикла и завершался. при Т _ячейка > 20 ° С с последующей 10-секундной релаксацией. Ячейки полностью охлаждались до 0 ° C после этапа разряда перед началом следующего цикла. Изменения напряжения и температуры во время цикла приведены в приложении SI , рис. S9 (один цикл) и в приложении SI , рис.S10 (10 циклов). Пропускная способность каждого цикла указана в приложении SI , рис. S11. Циклические испытания периодически приостанавливались для калибровки емкости элемента с эталонным тестом производительности (RPT) при 25 ° C ( SI Приложение , рис. S12). Измеренная разрядная емкость C / 3 в RPT была нанесена в зависимости от номера цикла на рис. 4 E как для базовой линии, так и для ячеек LPF. Базовая ячейка потеряла 20% емкости всего за 50 циклов, тогда как ячейка LPF выдержала 4500 циклов при том же сохранении емкости, что составляет 90-кратное увеличение срока службы.Даже если водители электромобилей выполняют быструю зарядку один раз в день, 4500 циклов означают 12,5 года работы. При преобразовании в EFC (то есть общая емкость, разряженная во время цикла, деленная на номинальную емкость 9,5 Ач), было получено 2806 EFC при сохранении емкости 80%, что в 122 раза больше по сравнению с базовой ячейкой (23 EFC). Предполагая 100-мильный запас хода на EFC (например, BMW i3), 2806 EFC указывают на срок службы> 280 000 миль, что намного превышает гарантии современных ICEV.

Две вышеуказанные ячейки на рис.4 E дополнительно сравнивают с дополнительными базовыми клетками, один цикл подвергался 10 ° C, а другой – 22 ° C. Эти две базовые ячейки изначально были при 20% SOC и заряжались и разряжались фиксированным объемом, равным 60% SOC свежих элементов в каждом цикле, с CCCV (3 C, 4,2 В) зарядом и 1-C разрядом. Поскольку протоколы циклирования несколько различаются, сохранение емкости этих ячеек показано в зависимости от EFC на рис. 5 A . Отметим, что элемент с зарядкой 3-C при 10 ° C продержался всего 317 EFC при сохранении 80% емкости.Более того, элемент LPF при 0 ° C имеет даже более длительный срок службы, чем элемент базового уровня при 22 ° C. Причина двоякая. Во-первых, поскольку литиевое покрытие исключается, доминирующим механизмом старения является рост SEI, который зависит в первую очередь от температуры. Как показано в Приложении SI , рис. S10 B , части разряда и охлаждения элемента LPF были ниже 22 ° C. Средняя температура ячейки LPF в 10 циклах, показанных в SI Приложение , рис. S10 B , составляет 11,6 ° C, что намного ниже средней температуры базовой ячейки (~ 28 ° C).Таким образом, рост SEI в клетке LPF в целом был медленнее, чем в базовой клетке. Во-вторых, базовая ячейка заряжалась на фиксированную величину емкости в каждом цикле, которая равнялась 60% SOC свежей ячейки, но становилась больше, чем 60% SOC по мере разрушения ячейки. Таким образом, базовый элемент был заряжен до более высокого SOC, чем элемент LPF (заряжен до 4,2 В, без ступени постоянного напряжения) на поздней стадии цикла. Более высокий SOC также приведет к более быстрому росту SEI.

Рис. 5.

Смена парадигмы влияния температуры окружающей среды на старение клеток.( A ) Сравнение срока службы элемента LPF при зарядке 3,5 ° C при 0 ° C с одинаковыми базовыми элементами при разных температурах. ( B ) Скорость старения в зависимости от обратной температуры четырех ячеек в A . Скорость старения определяется как отношение потери мощности (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале. ( C ) Скорость старения HE ячеек следующего поколения (с толстым электродом) в литературе. Оптимальная температура зарядки HE EV ячеек сдвигается с ∼25 ° C для существующих PHEV ячеек до ∼40 ° C до 50 ° C.

Рис. 5 B дополнительно сравнивает скорость старения в вышеупомянутых четырех случаях, которая определяется как отношение потери емкости (в процентах) к EFC в конце срока службы и отображается в логарифмической шкале в зависимости от обратной температуры. Для базовых ячеек логарифм скорости старения в зависимости от 1 / T может быть описан линейной линией, подтверждающей, что скорость старения обычных LiB соответствует закону Аррениуса (12). Энергия активации оценивается в -1,37 эВ, что находится в пределах диапазона, указанного в литературе (29).Мы отмечаем, что скорость старения ячейки LPF при 0 ° C была снижена на два порядка по сравнению с базовой стандартной ячейкой и стала близкой к скорости старения базовой ячейки при комнатной температуре, что указывает на сдвиг парадигмы в соотношении между скорость старения и температура окружающей среды.

LPF Быстрая зарядка высокоэнергетических элементов при повышенной температуре.

Для будущих электромобилей дальнего действия требуется плотность энергии на уровне системы не менее 225 Втч / кг, что требует плотности энергии на уровне элементов> 300 Втч / кг (30).Типичный подход к увеличению плотности энергии на уровне ячейки – увеличение площади поверхности (и толщины) электродов. Однако элементы с более толстыми анодами более склонны к нанесению литиевого покрытия из-за большего сопротивления переносу электролита. Недавняя работа (30) показала, что ячейка-пакет из графита / NMC622 с поверхностной нагрузкой 3,3 мАч / см ² , ∼1,8 × ячейки PHEV в этой работе, потеряла 22,5% емкости за 52 цикла заряда 1,5-C при 30 ° С. После демонтажа старого элемента было обнаружено большое количество металлического лития, что указывает на то, что покрытие литием может быть серьезной проблемой в элементах с высокой энергией (HE) даже при комнатной температуре.

Возможный подход к устранению литиевого покрытия в элементах HE заключается в дальнейшем повышении температуры зарядки. Как показано в приложении SI , рис. S2, увеличение с 25 ° C до 45 ° C увеличивает кинетику интеркаляции лития на 5,6 раза, коэффициент диффузии лития в графите на 2,4 раза и проводимость электролита на 1,4 раза, и, следовательно, может способствовать снижению содержания лития. покрытие. SI Приложение , рис. S13 показывает прогнозируемый моделью LDP ячейки HE, имеющей 1,65-кратную емкость площади и толщину ячейки PHEV в этой работе.Следует отметить, что максимальный ток заряда при 25 ° C без литиевого покрытия падает с 4 C для элемента PHEV ( SI, приложение , рис. S3, C ) до ∼1,5 C для элемента HE ( SI, приложение , рис. S13 A ) из-за увеличенной толщины электрода. Если заряжать элемент при 45 ° C, максимальная скорость заряда HE-элемента может быть увеличена до 3 C. Действительно, недавние исследования показали, что элементы с толстыми электродами имеют более длительный срок службы при 40-45 ° C, чем при температуре от 40 ° C до 45 ° C. комнатная температура.Группа Йоссена (31) сообщила, что элемент графит / LiCoO ₂ с анодом толщиной 77 мкм (1,6 × настоящей работы) потерял 30% емкости за 250 циклов с зарядкой 1 ° C при 25 ° C, но потерял только Емкость 5% после 400 циклов при 40 ° C. Аналогичным образом группа Винтера (32) обнаружила, что срок службы элемента из графита / NMC532 с анодом толщиной 77 мкм увеличился с 400 циклов при 20 ° C до 1100 циклов при 45 ° C при сохранении емкости 70%. Совсем недавно исследователи из Samsung (20) разработали элемент HE с возможностью зарядки 5 ° C при 60 ° C.

Рис. 5 C сравнивает скорость старения вышеупомянутых клеток HE с клетками PHEV в этой работе. Также добавляется скорость старения ячейки PHEV при 45 ° C. Как сообщается в литературе (33), старение клеток является комбинированным эффектом роста SEI и литиевого покрытия. Для элемента PHEV температура 25 ° C достаточно высока, чтобы предотвратить образование лития при скорости заряда 3,5 ° C ( SI Приложение , рис. S3). Дальнейшее повышение температуры до 45 ° C уменьшило срок службы до 613 EFC при сохранении емкости 80% из-за более быстрого роста SEI.Для клеток HE, однако, полезно работать при температуре от ~ 40 ° C до 45 ° C из-за уменьшения литиевого покрытия, которое превосходит негативные последствия более быстрого роста SEI. Следовательно, работа при более высоких температурах может быть многообещающим подходом для увеличения срока службы клеток HE. В этом отношении нагревание было бы важным шагом для зарядки элементов HE. Учитывая изначально низкую скорость внешнего нагрева, нынешний элемент LPF имеет большие перспективы для электромобилей следующего поколения, поскольку он может практически мгновенно модулировать внутреннюю температуру элемента по запросу.

В широком смысле научное достоинство описанного здесь элемента LPF состоит в том, что он предлагает общее решение для разделения кинетики заряда и разряда в науке об аккумуляторах и для ускорения зарядки аккумулятора без необходимости использования новых материалов или химии. Он также предлагает платформу для материаловедов для разработки более совершенных материалов для аккумуляторов без учета температуры. Что касается приложений, настоящая работа навсегда устраняет давние ограничения температуры окружающей среды на зарядку аккумулятора, позволяя использовать широкий спектр новой электроники и устройств, таких как всепогодные смартфоны, наружные роботы, дроны и микроспутники, работающие на больших высотах, а также новые приложения, такие как спасение машин, застрявших в снегу, и исследования в космосе и Арктике.

Методы и материалы

Пакеты для LPF емкостью 9,5 Ач были изготовлены с использованием NMC622 в качестве катода, графита в качестве анода и 1 M LiPF ₆ , растворенного в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонате (EMC) (3: 7). по массе) + 2 мас.% виниленкарбоната (ВК) в качестве электролита. Элементы имеют емкость 1,85 мАч / см ² и плотность энергии на уровне элементов 170 Втч / кг. Каждая ячейка LPF имеет два куска никелевой фольги, встроенных внутрь, как показано в приложении SI , рис.S4. Каждая Ni-фольга, имеющая толщину 30 мкм и сопротивление 80,2 мОм при 25 ° C, покрыта тонким (28 мкм) полиэтилентерефталатом для электрической изоляции и зажата между двумя односторонними анодными слоями. Две трехслойные сборки уложены друг на друга внутри ячейки и соединены параллельно, причем одна сборка расположена на 1/4 толщины ячейки, а другая – на 3/4 толщины ячейки от верхней поверхности ячейки. Более подробную информацию о материалах, изготовлении, структуре и испытаниях ячеек можно найти в SI Приложение , Методы и материалы .

Благодарности

Финансовая поддержка Департамента охраны окружающей среды Пенсильвании; EC Power, LLC; и Министерство энергетики США присуждено награду DE-EE0006425. Мы также благодарны EC Power за предложение программного обеспечения AutoLion, которое было приобретено Gamma Technologies.

Сноски

• Вклад авторов: X.-G.Y., G.Z., and C.-Y.W. спланированное исследование; X.-G.Y., G.Z. и S.G. проводили исследования; X.-G.Y. и С.-Y.W. проанализированные данные; и X.-G.Y. и C.-Y.W. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1807115115/-/DCSupplemental.

Литиевая батарея Система обогрева жилых автофургонов Мод

Литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) произвела революцию в том, как мы разбиваем лагерь и снабжаем энергией наших отдыхающих, особенно для тех, кто любит отдыхать.Литиевая батарея не только обеспечивает гораздо более высокую полезную емкость (90 процентов) по сравнению со свинцово-кислотной батареей (50 процентов), но также меньше весит, заряжается быстрее и служит дольше. К сожалению, у литиевой батареи есть один недостаток, который необходимо решать в любом доме на колесах, который используется зимой, – невозможность заряжаться при отрицательных температурах. Действительно, зарядка литиевой батареи ниже 32 градусов приведет к непоправимому повреждению батареи (литиевую батарею можно безопасно использовать при температуре ниже 32 градусов, только не заряжайте при температуре ниже этой).К счастью, многие системы мониторинга литиевых батарей имеют встроенные тепловые защиты для отключения зарядки и предотвращения повреждений, но способ «разогреть» батарею в холодную погоду все еще необходим. В этой статье объясняется, как построить простую систему обогрева литиевых батарей для вашего дома на колесах менее чем за 100 долларов.

Для этой модификации вам понадобятся следующие компоненты, доступные в основном через наших друзей из Expion360, которые разработали и протестировали эту систему для своей превосходной 12-вольтовой литиевой батареи VPR PowerMod:

Примечание: Expion360 будет включать термовыключатель в свои аккумуляторы VPR PowerMod 2 поколения, которые появятся в продаже весной 2020 года.Отключение при низких температурах, согласно Expion360, будет функцией системы управления батареями и предотвратит зарядку ниже 32 градусов по Фаренгейту и разрядку ниже минус 4 градусов по Фаренгейту. в этом автодоме мод. Подушка изначально была спроектирована для предотвращения замерзания цистерн с водой на колесах зимой, но она так же хорошо работает с литиевыми батареями внутри или снаружи кемпинга. Мы использовали две грелки, по одной на каждую батарею, в Truck Camper Adventure Rig.Каждая грелка поставляется с предохранителем на 12 В и самоклеющейся лентой. Пэда достаточно длинна, чтобы покрыть заднюю и две стороны батареи Expion360 Viper Group-24 (если применимо, оставьте переднюю съемную панель BMS доступной для обслуживания). При необходимости резиновую грелку можно укоротить ножницами на дюйм или два, но следует соблюдать осторожность, чтобы не перерезать провода на 12 В, идущие в саму подушку.

Грелка для бака для воды на колесах Facon RV Наша пара литиевых батарей Expion360 Viper PowerMod до модернизации нагревателя.

Если литиевые батареи установлены внутри вашего дома на колесах, термообертки для аккумуляторов не понадобятся (конечно, при условии, что вы поддерживаете в доме достаточно высокую температуру, чтобы предотвратить замерзание). Если термообертки необходимы в вашем приложении, оберните каждую батарею после того, как на батареи будут нанесены грелки. Примечание. Шины Expion360 нельзя использовать с термообмотками Expion360 из-за небольшого расстояния в 1/8 дюйма между батареями при параллельном подключении.

После того, как тепловые обертки будут на месте, подключите каждую грелку к главной панели предохранителей или непосредственно к литиевой батарее с помощью прилагаемого предохранителя на 10 А (мы установили наш непосредственно на батареи, используя положительные и отрицательные шины).Наконец, установите главный выключатель управления, чтобы включить-выключить грелки.

Эксплуатация

Дайте нагревателю предварительно нагреть литиевую батарею в течение двух часов перед зарядкой. Примечание: нагреватели батарей потребляют по 6 ампер каждый во время работы. Несмотря на то, что грелки имеют встроенный термовыключатель, оставлять их включенными постоянно – нереалистичный вариант с потреблением 6 ампер на каждую подушку. Убедитесь, что в аккумуляторе достаточно ампер-часов для предварительного нагрева и поддержания аккумуляторов в тепле во время зарядки.Не заряжайте батареи с помощью нагревательных элементов при температуре ниже 0 градусов по Фаренгейту.

Как это:

Like Loading …

Недорогая батарея быстро заряжается для электромобилей, снижает беспокойство по поводу дальности – ScienceDaily

Беспокойство по поводу дальности, страх разрядиться до того, как можно будет зарядить электромобиль, может По словам группы инженеров Пенсильванского университета, которые изучают литий-железо-фосфатные батареи с дальностью действия 250 миль с возможностью зарядки за 10 минут, останутся в прошлом.

«Мы разработали довольно умную батарею для электромобилей массового потребления с паритетом стоимости с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания», – сказал Чао-Ян Ван, заведующий кафедрой машиностроения Уильяма Э. Дифендерфера, профессор химического машиностроения и профессор материаловедения и инженерии. и директор Центра электрохимических двигателей в Пенсильвании. «Больше не нужно беспокоиться о дальности, и эта батарея доступна по цене».

Исследователи также говорят, что батарея должна быть рассчитана на 2 миллиона миль за весь срок службы.

Сегодня (18 января) в журнале Nature Energy они сообщают, что ключом к долгому сроку службы и быстрой подзарядке является способность батареи быстро нагреваться до 140 градусов по Фаренгейту для зарядки и разрядки, а затем остывать, когда батарея разряжена. не работает.

«Очень быстрая зарядка позволяет нам уменьшить размер батареи, не опасаясь дальности», – сказал Ван.

В батарее используется принцип самонагрева, ранее разработанный в центре Ванга. В самонагревающейся батарее используется тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, образуя третью клемму.Когда электроны текут, они быстро нагревают никелевую фольгу за счет резистивного нагрева и нагревают внутреннюю часть батареи. Когда внутренняя температура аккумулятора достигает 140 градусов по Фаренгейту, переключатель размыкается, и аккумулятор готов к быстрой зарядке или разрядке.

Команда

Вана смоделировала эту батарею, используя существующие технологии и инновационные подходы. Они предполагают, что, используя этот метод самонагрева, они могут использовать недорогие материалы для катода и анода батареи и безопасный низковольтный электролит.Катод представляет собой термостойкий фосфат лития-железа, который не содержит никаких дорогих и важных материалов, таких как кобальт. Анод изготовлен из графита с очень крупными частицами, безопасного, легкого и недорогого материала.

Из-за самонагрева, по словам исследователей, им не нужно беспокоиться о неравномерном осаждении лития на аноде, которое может вызвать опасные выбросы лития.

«Эта батарея уменьшила вес, объем и стоимость», – сказал Ван. «Я очень рад, что мы наконец нашли аккумулятор, который принесет пользу массовому потребительскому рынку.«

По словам Ванга, эти меньшие батареи могут производить большое количество энергии при нагревании – 40 киловатт-часов и 300 киловатт энергии. По его словам, электромобиль с этой батареей может разогнаться с нуля до 60 миль в час за 3 секунды и будет двигаться как Porsche.

«Таким образом мы изменим окружающую среду, а не будем вносить свой вклад только в роскошные автомобили», – сказал Ван. «Пусть каждый может позволить себе электромобили».

Другими исследователями из Пенсильванского университета, работавшими над этим проектом, были Сяо-Гуан Ян, доцент кафедры машиностроения, и Дэн Лю, докторант кафедры машиностроения.

Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США и Фонд Уильяма Э. Дифендерфера поддержали это исследование.

История Источник:

Материалы предоставлены Penn State . Оригинал написан А’ндреа Элис Мессер. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Экспериментальное исследование самонагревающегося зажигания литий-ионных батарей во время хранения: влияние количества ячеек

Явление самонагревающегося зажигания

В целом, с точки зрения элементов LiCoO ₂ при 30% SOC в наших экспериментах, их поведение при самонагревающемся воспламенении можно разделить на следующие три стадии: нагрев, самонагрев и тепловой разгон.На примере эксперимента с одной ячейкой при 173 ° C на рис. 2 представлены трехступенчатое явление саморазогрева и соответствующий температурный профиль. В таблице 3 также показаны критерии и наблюдения трех этапов.

Рисунок 2

Три стадии самонагрева 1-элементного 30% SOC Явление самонагрева и соответствующие характеристики температуры и напряжения при температуре окружающей среды T = 173 ° C. Также показаны типичные проявления LIB на различных стадиях, включая набухание ячейки, утечку электролита, самонагрев и тепловой разгон

Таблица 3 Критерии и наблюдения трех стадий самонагревающегося зажигания

I этап:

Нагрев

Первая стадия начинается, когда ячейка нагревается значительно выше своей начальной температуры после того, как она была помещена в печь.Температура ячейки увеличивалась от температуры окружающей среды до температуры печи. Во всех экспериментах клетки сначала начинали слегка набухать от средней стенки из-за теплового расширения. Когда температура была выше, чем температура начала разложения SEI, эта реакция начинала выделять газы, что приводило к дальнейшему набуханию клеток. Для экспериментов, когда T _a ≫ T _{a , cr} , на этом этапе наблюдалась утечка электролита.

II этап:

Самонагревающийся

Вторая стадия характеризуется тем, что температура образца превышает температуру окружающей среды. Поскольку на этой стадии не наблюдается значительного повышения температуры, явного набухания не наблюдалось. Кроме того, на этой стадии часто наблюдалась утечка электролита, когда электролит начинал вытекать с положительной стороны, где есть предохранительное отверстие. Эта утечка приводит к постепенному изменению цвета катода с белого на желтый.Температура увеличивается по сравнению с температурой окружающей среды из-за самонагрева, а затем несколько снижается из-за тепловых потерь, вызванных утечкой электролита. После этого температура ячейки начала очень медленно повышаться. Когда утечка электролита закончилась, внешний вид ячейки не изменился, но ее температура продолжала расти. Накопление тепла на этой стадии может быть связано с разложением SEI, реакцией интеркалированного лития с электролитом, разложением катодного положительного материала [4, 15] или химическим переходом между анодом и катодом [7].

III этап:

Термический разгон

При повышении температуры элемента произошел тепловой пробой, ведущий к возгоранию. Клетка быстро набухала за 2–3 с за счет быстрого внутреннего газообразования. Когда внутреннее давление превысило пороговое значение, произошла вентиляция, как показано на изображении стадии III, показанном на рис. 2. Виден некоторый дым, но во время всех экспериментов не наблюдалось никаких вспышек, огня или искр.

Более того, впервые в литературе мы обнаруживаем, что самонагревающееся возгорание не всегда приводит к вентиляции.Как показано на рис. 3 изображений ячеек после экспериментов, когда температура окружающей среды снизилась до 169 ° C для эксперимента с 1 ячейкой, самонагревающееся воспламенение ячейки также было зафиксировано на основе температурного профиля, но вентиляции не произошло. Во всех наших экспериментах зажигание без вентиляции происходило только в экспериментах с 1 и 2 элементами при их критической температуре воспламенения.

Рисунок 3

Изображения клеток после экспериментов. И термический разгон, и вентиляция произошли при T _a = 173 ° C (слева), но тепловой разгон произошел при T _a = 169 ° C без вентиляции (справа).Это первый случай, когда возникновение теплового разгона LIB из-за самонагрева без вентиляции было обнаружено в литературе.

Чтобы зафиксировать форму стопок и поддерживать контакт ячеек друг с другом, во всех элементах использовались проволоки. эксперименты. Этот метод заставлял вентиляцию происходить до теплового разгона для экспериментов с 3 и 4 ячейками, поскольку проволока ограничивает набухание ячеек, вызывая внешнее давление на поверхность ячейки. Потери тепла и массы из-за вентиляции добавляют дополнительный источник неопределенности в эксперименты, но в соответствии с полученными нами критическими температурами эти потери не оказывают значительного влияния на результаты.Без закрепления ячеек с помощью проводов самонагревающееся зажигание в экспериментах с 3 и 4 ячейками не происходило даже при критической температуре окружающей среды для 2 ячеек. Это связано с тем, что набухание ячейки делает ее поверхность искривленной, уменьшая площадь физического контакта между ячейками, уменьшая теплопередачу, и поэтому ячейки не ведут себя как одно тело. Кроме того, с точки зрения экспериментов с 1 и 2 ячейками, из-за небольшой деформации и набухания в целом закрепление проволоки не влияло на эксперименты видимым образом.

Температура

На рис. 4a, b показан пример воспламенения и отсутствия воспламенения для конфигурации с 1 ячейкой, чтобы объяснить, как идентифицировать \ (T _ {{{\ text {a}}, c}} \) с использованием данных температуры. Элементы не удалось зажечь при температуре окружающей среды 162 ° C, но удалось достичь воспламенения при температуре окружающей среды 169 ° C. Что касается случаев отсутствия воспламенения, температура элемента сначала немного превышает температуру печи, а затем она охлаждается до температуры печи. Это связано с тем, что эта температура печи является наивысшей докритической температурой окружающей среды, однако выделение тепла из-за химической реакции, пропорциональное размеру образца, все же немного ниже, чем тепловые потери, пропорциональные поверхности образца.Что касается случая воспламенения, то тепловой разгон происходит через 106 мин, указывая на то, что элемент воспламенился при температуре печи 169 ° C, что является самой низкой сверхкритической температурой окружающей среды. Следовательно, \ (T _ {{{\ text {a}}, c}} \) 1 ячейки составляет 165,5 ± 3,5 ° C.

Рисунок 4

Температура и напряжение 1-4 ячеек при 30% SOC экспериментируют как для критического воспламенения, так и для случаев отсутствия воспламенения. В левом столбце представлены случаи максимальных температур окружающей среды для отсутствия воспламенения, а в правом столбце – случаи минимальных температур окружающей среды для воспламенения для 1–4 ячеек.Температура для 1 ячейки – это температура поверхности T _s , а другие температуры – это центральная температура (температура между двумя центральными ячейками) T _c

Эксперименты с максимальными температурами окружающей среды для -Зажигание (слева) и эксперименты с минимальными температурами окружающей среды для воспламенения (справа) среди 1–4 ячеек показаны на рис. 4. По мере увеличения количества ячеек пиковая температура ячеек и минимальная температура окружающей среды для зажигания снижаются.Кроме того, согласно случаям зажигания на рис. 4, температура поверхности ячейки на стадии самонагрева равна температуре окружающей среды, \ (T_ {s} = T_ {a} \), что удовлетворяет граничному условию Франка- Каменецкого.

Время до теплового разгона и время на этапах I и II показано на рис. 5. Время до теплового разгона равно сумме времен этапов I и II. По мере увеличения количества ячеек время стадии I увеличивается линейно, в то время как время стадии II и время до теплового разгона увеличиваются нелинейно.

Рисунок 5

Время до теплового разгона и времена различных ступеней. Время до теплового разгона складывается из времени на этапах I и II.

Коэффициент теплопередачи

Эффективный коэффициент теплопередачи можно оценить, используя данные о температуре батареи на этапе нагрева на рис. 4. Согласно таблице 1 , только 1 ячейка и 2 ячейки имеют Bi <0,1. В этих условиях, основываясь на методе сосредоточенной емкости [32], мы имеем: \ (\ dot {Q} = Sh \ left ({T_ {a} - T_ {s}} \ right) = mc \ left ({dT_ {s} / dt} \ right) \) коэффициент теплопередачи равен \ (h = mc \ left ({dT_ {s} / dt} \ right) / S \ left ({T_ {a} - T_ {s } } \верно)\).

На рисунке 6 представлены графики dT _s / dt и T _a – T _s для критических случаев зажигания 1 и 2 ячеек. Наклоны соответствуют \ (hS / mc \), которые можно использовать для извлечения коэффициента теплопередачи. Площадь поверхности \ (S \) рассчитывается с использованием трех длин сторон, а удельная теплоемкость \ (c \) составляет 990 Дж / кг-К из предыдущих экспериментальных измерений той же ячейки [27], а масса ячейки \ ( m \) равно 36.8 г. Таким образом, коэффициенты теплопередачи для различного количества ячеек могут быть рассчитаны и представлены в таблице 4. Конечный коэффициент теплопередачи, который мы выбрали для расчета числа Bi, составляет 11 Вт / м ² K.

Рисунок 6

Извлечение коэффициент теплопередачи \ (h \) из графиков dT _s / dt vs T _a – T _s , принимая случаи 1 ячейки (слева ) и 2 ячейки (справа).Наклоны пропорциональны \ (h \)

Таблица 4 Коэффициент теплопередачи для разного количества ячеек

Напряжение

На рисунке 4 показаны характеристики напряжения на трех ступенях и различные истории напряжения для отсутствия зажигания и зажигания. чехлы соответственно. Что касается случаев воспламенения, напряжения демонстрируют аналогичные тенденции во всех экспериментах. На первом этапе напряжение уменьшается с увеличением температуры элемента, поскольку высокая температура может ускорить разрушение элементов [34].Всегда есть колебания, за которыми следует первое падение напряжения на этой стадии, что может быть сигналом начала внутренней побочной реакции, которая представляет собой разложение SEI, поскольку это рассматривалось как первая побочная реакция во время теплового разгона [4]. На рис. 7 показано время до флуктуации напряжения в экспериментах и ​​соответствующие им температуры ячеек в это время. По мере повышения температуры окружающей среды время до колебания напряжения уменьшается. Это связано с тем, что для нагрева большего количества ячеек при более низкой температуре окружающей среды требуется больше времени.Однако независимо от того, сколько ячеек использовалось и какова была температура окружающей среды, температура элементов во время колебания напряжения составляет около 130 ° C, что близко к температуре начала разложения SEI в предыдущих исследованиях [4, 15] .

Рис. 7

(a) Время до колебания напряжения в экспериментах с 1–4 ячейками и (b) температура ячейки в это время. Температура элементов составляла около 130 ° C, что является начальной температурой побочных реакций.

На втором этапе напряжение внезапно снижается до нуля сразу после утечки электролита.Когда утечка электролита прекращается, напряжение ячейки может быть снова обнаружено на стадии самонагрева. На рисунке 8 показана взаимосвязь между временем утечки электролита и временем до 2-го падения напряжения в трех экспериментах с одной ячейкой. Время до утечки электролита определяется как время, когда мы впервые наблюдали утечку электролита, и эти значения всегда были немного меньше, чем время до 2-го падения напряжения.

Рисунок 8

Зависимость между временем до утечки электролита и временем до второго падения напряжения в трех экспериментах с одной ячейкой.Время утечки электролита всегда было немного меньше, чем время до 2-го падения напряжения, что показывает, что утечка электролита может привести к внутреннему короткому замыканию ячеек.

После 2-го падения напряжения напряжение медленно уменьшается. Это может быть вызвано побочными реакциями на аноде и катоде при высоких температурах, которые могут увеличить внутреннее сопротивление, продолжая потреблять интеркалированный литий, образуя дополнительные газы и примеси [4].

На третьем этапе, когда температура начинает быстро расти, напряжение снова резко падает до нуля, что можно рассматривать как сигнал о воспламенении элемента.

Критическая температура воспламенения

На основании данных о температуре окружающей среды на рис. 4 определены критические температуры саморазогрева воспламенения элемента. Значения температуры 1, 2, 3 и 4 ячеек составляют 165,5 ± 3,5 ° C, 157 ± 2 ° C, 155 ± 2 ° C и 153 ± 2 ° C соответственно.

В этой работе показана четкая тенденция, а именно, что необходимая температура окружающей среды для самонагрева воспламенения ячейки уменьшается по мере увеличения количества ячеек из-за эффектов теплопередачи, представленных в теоретическом разделе.Эта тенденция должна удовлетворяться не только для используемых здесь призматических ячеек, но и для ячеек любой другой формы, например, цилиндрических ячеек. Это связано с тем, что, хотя площадь проводящего контакта между цилиндрическими ячейками меньше, передача тепла между ячейками происходит за счет теплопроводности и излучения в воздушных зазорах. Критическая температура для 4 ячеек составляет 153 ° C, что все еще очень высоко по сравнению с температурой окружающей среды. Однако, когда элементы складываются штабелями на складах или отправляются грузом, количество ячеек относительно велико, и поэтому, исходя из этой критической тенденции окружающей среды, может произойти самонагревание элементов, что приведет к пожарам.{2}} \ right) \) vs \ (1000 / T_ {a} \). Наилучшее линейное соответствие рассчитано на рисунке со значением R-квадрата 0,981. На рисунке 10 показан типичный график Франк-Каменецкого, который подтверждает, что допущения теории Франк-Каменецкого и одноступенчатые глобальные реакции Аррениуса могут быть применены. Участок Франк-Каменецкого также подтверждает, что возгорание вызвано самонагревом.

Рисунок 9

Критическая температура воспламенения, определенная для разного количества ячеек. Значения температуры 1, 2, 3 и 4 батарей – 165.5 ± 3,5 ° C, 157 ± 2 ° C, 155 ± 2 ° C и 153 ± 2 ° C соответственно

Рисунок 10

График Франк-Каменецкого для ячеек с катодным материалом LiCoO ₂ . Для извлечения эффективных кинетических и теплофизических параметров строится линейная аппроксимация.

Наклон прямой линии соответствует \ (- \ frac {E} {R} \), а точка пересечения по оси Y равна \ (ln \ left ({\ frac {E} {R} \ cdot \ frac {{f \ Delta H_ {c}}} {k}} \ right). \) Эффективная проводимость \ (k \) ячеек сильно зависит от катода. материалы [33].Для катодного материала LiCoO ₂ эффективная проводимость \ (k \) составляет 1,08 Вт / мК [33]. На основе этого извлекаются эффективная кинетика и тепловые свойства ячейки, как показано в таблице 5. Погрешности также показаны в таблице с использованием подгонок, которые дают наивысшие и минимально возможные эффективные кинетические и тепловые свойства из экспериментальных данных. . Эти данные, которые мы нашли в этой работе, могут способствовать предсказанию поведения воспламенения при самонагреве ячейки.

Таблица 5 Эффективная энергия активации \ (E \) и \ (ln \ left ({\ frac {{\ Delta H_ {c} fE}} {Rk}} \ right) \) ячейки при извлечении 30% SOC от Франк-Каменецкого, участок

Кинетика, которую мы количественно оценили, дана для 30% SOC, и эффективная кинетика и теплофизические свойства будут отличаться, если тот же самый LIB будет иметь более высокое SOC.Предыдущие исследования [19, 30] показывают, что LIB имеет более высокую реактивность, когда его SOC больше, и, следовательно, LIB с более высоким SOC с большей вероятностью самовоспламеняется.

Замените батареи в домашнем термостате с помощью этого пошагового руководства

Термостаты

относятся к разным категориям, но независимо от того, есть ли у вас блок с переключателем или цифровой блок, скорее всего, вам придется заменить батарейки термостата в какой-то момент. На самом деле рекомендуется делать это один раз в год. Если вы не знаете, как заменить батареи термостата, продолжайте читать.

Основные сведения об аккумуляторах

Самыми распространенными типами батарей, которые вы найдете в термостатах, являются щелочные батарейки AA, AAA или литиевые батарейки 3V дискового типа. Эти батареи помогают сохранить программирование термостата и не дают системе HVAC просто подавать питание в случае отключения электроэнергии. Замена батареек термостата один раз в год или когда индикатор на цифровом дисплее показывает низкий уровень заряда батареи, позволит термостату продолжать работать эффективно.

Как заменить батареи термостата

Прежде чем вы начнете, вам понадобится небольшая отвертка с плоской головкой и сменные батареи.

• Отсоедините корпус настенного термостата от настенной пластины.
• Переверните корпус термостата и найдите гнезда для батареек. Если батареи плотно вставлены, возможно, вам придется использовать отвертку, чтобы осторожно вытащить их, чтобы вы могли заменить их новыми батареями.
• Теперь, обращая внимание на маркировку на слотах, вставьте новые батарейки. Если маркировки нет, знак «плюс» должен быть направлен вверх.
• Установите термостат обратно на стену, совместив штифты на задней стороне с клеммной колодкой.У вас должно получиться защелкнуть его на месте.

Не устанавливайте батареи, которые, по вашему мнению, могут быть повреждены, или проявлять признаки коррозии или утечки, и не перезаряжайте использованные батареи, если они специально не предназначены для перезарядки. Если у вас есть цифровой термостат с дисплеем, вы должны увидеть предупреждающий индикатор за месяц или два до того, как разрядятся батареи.