Chemiczne źródła prądu, przegląd rynku, trendy rozwojowe: technologia i rynek

fot. Wamtechnik

Rozwój technologiczny elektroniki oznacza gwałtowny wzrost funkcjonalności urządzeń, zwiększający ich zapotrzebowanie na energię i niekiedy na znacznie większą moc pracy układu zasilania. Parafrazując informację o wykładniczym tempie rozwoju integracji układów scalonych, jeśli ogniwa chemiczne rozwijałyby się tak szybko, całą energię potrzebną do naszych urządzeń przenośnych mielibyśmy w ogniwie o objętości 1 cm3. Rozwój ogniw jest jednak zdecydowanie wolniejszy, wymaga poważnych nakładów i badań fizyko-chemicznych przed wdrożeniem. I chociaż produkujemy coraz lepsze, bardziej wydajne i stopniowo coraz tańsze źródła energii, to wymagania użytkownika rosną jeszcze szybciej.

Niniejszy artykuł rozpoczyna serię publikacji dotyczących źródeł i systemów zasilania, począwszy od informacji ogólnych o systemach i technologiach zasilania bateryjno-akumulatorowego, poprzez opis zastosowań, przybliżenie parametrów różnych systemów aż do rodzajów i cech zasilania dla wybranych zastosowań/branż elektrotechniki.

Źródło: konferencja bateryjna Batteries 2017, Nicea, Francja

Informacje ogólne o źródłach zasilania i zastosowaniach

Źródła zasilania muszą zapewnić odpowiednie parametry elektryczne niezbędne dla pracy urządzeń, w szczególności:

• napięcie elektryczne,
• pracę z odpowiednim prądem/odpowiednią mocą,
• dostatecznie długi czas pracy urządzenia, czyli pojemność elektryczną.
• Często konieczna jest zdolność pracy w szerokim zakresie temperatur i przy zachowaniu rozsądnie długiej żywotności systemu zasilania, liczonej w cyklach pracy lub w latach.

Wymagania techniczne odbiorników energii są bardzo różne, tak jak bardzo różnorodny jest zakres urządzeń elektrycznych i elektronicznych (poniższy podział na grupy zastosowań jest oparty na doświadczeniach z rynku lokalnego):

1. Urządzenia elektroniczne (np. medyczne, pomiarowe, przetwarzania danych, podtrzymania pamięci, łączności i sterowania)

2. Systemy zasilania do pojazdów elektrycznych (EV)

3. Zasilanie napędów elektrycznych w zastosowaniach przemysłowych (wózki magazynowe, rowery elektryczne, profesjonalny sprzęt do czyszczenia)

4. Urządzenia elektryczne ogólnego stosowania, w tym oświetlenie i elektronarzędzia

5. Systemy magazynowania energii i zasilania gwarantowanego (sprzęt UPS, siłownie DC, magazynowanie energii oraz sterowanie dla systemów solarnych)

Nie istnieje „zasilanie uniwersalne”, dlatego aspektem kluczowym jest zdefiniowanie parametrów zasilania dla danej aplikacji oraz dobranie najlepszego rodzaju źródła zasilania. Po wykonaniu prototypów należy przeprowadzić testy i ewaluację oraz wymaganą przepisami certyfikację . Równie istotny jest aspekt kosztowy, związany z wprowadzeniem na rynek danego rozwiązania oraz kosztem jednostkowym w produkcji seryjnej.

Współczesne technologie źródeł zasilania

Rozwój chemicznych źródeł zasilania datuje się od 1850 r., kiedy opracowano pierwszy akumulator kwasowo-ołowiowy, oraz od 1866 r., kiedy wynaleziono pierwsze ogniwo pierwotne (nieładowalne). Pierwsza fabryka akumulatorów to jednak dopiero 1887 r.

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Ogniwo_Leclanch’ego oraz https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_kwasowo-ołowiowy

Obecnie technologie te zostały znacznie ulepszone, rozwinięto szereg bardziej wydajnych technologii zasilania. Na rynku jest kilka grup ogniw, które zasilają większość istniejących urządzeń (kolejność według wartości sprzedaży danej technologii na rynku):

1. Akumulatory kwasowo-ołowiowe o napięciach 2V, 6V, 12V - do zastosowań w przemyśle samochodowym (akumulatory rozruchowe), systemach magazynowania energii dla awaryjnego podtrzymania zasilania (UPS, siłownie DC) oraz dla siłowni słonecznych. Gęstość energii ~30Wh/kg. Grupa ta stanowi około 85-90% rynku.
2. Akumulatory litowo-jonowe o napięciach 3,6V; 3,3V, 2,4V - do zasilania urządzeń przenośnych (telefony, komputery, elektronika profesjonalna), pojazdów elektrycznych i nowoczesnych systemów magazynowania energii (np. regulacja częstotliwości w lokalnych systemach elektro-energetycznych). Gęstość energii ogniw do 280Wh/kg. Technologia Li-Ion charakteryzuje się najszybszym wzrostem i inwestycjami w rozwój i możliwości produkcyjne.
3. Ogniwa pierwotne (nieładowalne) w technologii alkalicznej i cynkowej o napięciach 1,5V i 9,0V do sprzętu powszechnego użytku. Gęstość energii ~170Wh/kg (alkaliczne).
4. Ogniwa pierwotne w technologiach litowych 3,6V i 3,0V do sprzętu pomiarowego i elektroniki profesjonalnej. Gęstość energii do 680Wh/kg (litowe 3,6V).
5. Akumulatory w technologiach niklowych (głównie Ni-MH i NiCd) 1,2V do zasilania wielu aplikacji przemysłowych i sprzętu powszechnego użytku. Gęstość energii ~90Wh/kg Ni-MH oraz ~40Wh/kg Ni-Cd.
6. Ogniwa pierwotne w technologii srebrowej (1,55V), cynkowo-powietrznej/alkaliczno-powietrznej (1,45V) do precyzyjnego sprzętu np. zegarki lub aparaty słuchowe ale również do zastosowań przemysłowych. Gęstość energii do ~110Wh/kg (srebrowe) i do ~500Wh/kg (cynkowo-powietrzne).

(Są to tylko przykłady istniejących technologii ogniw, istnieje też wiele systemów elektrochemicznych o bardzo dobrych parametrach do zastosowań specjalistycznych, jak np. zasilanie satelitów, które są niedostępne rynkowo).

Analiza parametrów ogniw często bazuje na gęstości energii (Wh/kg lub Wh/l), co przekłada się na czasy pracy urządzeń. Użytkownicy oczekują jak najdłuższej pracy w szerokim zakresie warunków eksploatacji, bez pogorszenia parametrów chemicznych źródeł prądu (np. wielkość prądu pracy, zakres temperaturowy, dobra praca w temp. ujemnych).

Obserwując rozwój branży samochodów elektrycznych i osiągane przez nie zasięgi jazdy, automatycznie dokonujemy porównania chemicznych źródeł prądu z benzyną w zakresie gęstości energii. Wg danych firmy Toyota  praktyczna gęstość energii benzyny jest większa około 40-krotnie od dobrej klasy współczesnych akumulatorów. Również znacznie lepsze jest zachowanie benzyny jako nośnika energii w bardzo szerokim zakresie warunków otoczenia (np. temperatura do -50^oC, gdzie akumulatory pracują znacznie słabiej). Z punktu widzenia zanieczyszczenia środowiska oczywiście przewagę mają źródła elektryczne. Analizując żywotność ogniw równą przeciętnemu czasowi życia samochodu (10-15 lat lub wiele tysięcy cykli pracy), rosnącą energię ogniw oraz ich niezawodność pracy, powszechność napędów elektrycznych dla transportu wydają się być tylko kwestią czasu.

Trendy rozwojowe

Technologiczne

Obecnie technologia kwasowo-ołowiowa stanowi ~85-90% rynku (szacuje się, że za kolejne 10 lat stanowić będzie ok. 70%).

Według analiz globalnych producentów ogniw, technologie elektrod oparte o metale lekkie (obecnie lit, prawdopodobnie również magnez, sód) oraz domieszki związków kobaltu, manganu, aluminium, tytanu, żelaza, krzemu i siarki do związków węgla (grafitu, grafenu) dają najwięcej szans na osiągnięcie znacznie wyższych wydajności ogniw. Najnowsze rozwiązania dają co najmniej dwukrotną gęstość energii, a szacunki teoretyczne mówią nawet o możliwości 10-krotnego jej wzrostu. Równoległe prace badawcze nad stworzeniem stałego elektrolitu pozwolą na osiągnięcie bardzo dużej stabilności nowych systemów chemicznych (Solid-State Battery), co zapewni długą żywotność oraz bezpieczeństwo użytkowania.

Rynkowe

Wzrost rynku źródeł zasilania szacowany jest na 9-10% rocznie do 2020 r. a w następnych latach o około 7-8% rocznie. Branżą zużywającą coraz więcej akumulatorów będzie motoryzacja, z szacowanym rocznym wzrostem 17% dotyczącym systemów zasilania głównego, hybrydowego i hybrydowego plug-in oraz systemów start-stop (bez rozruchowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych). W perspektywie roku 2020 szacuje się, że zasilanie Li-Ion do pojazdów elektrycznych zużyje około 18% wszystkich sprzedanych akumulatorów (wobec około 8% obecnie).

Źródło: konferencja bateryjna Batteries 2017, Nicea, Francja