Керамические батареи: Керамические батареи отопления и их особенности | Сруб Всем! — Строительство деревянных домов из бревна, бруса и бревен

Содержание

Керамические батареи отопления – уникальные инновационные обогреватели

Экономия топлива, высокая эффективность работы, небольшие первоначальные вложения – это три составляющие, которые каждый потребитель хочет видеть в своем доме, когда дело касается системы отопления. Можно было бы привести много примеров, которые бы вписались в эти показатели. Но нас в этой статье интересует система электрического обогрева, которая в последнее время набирает популярность. И в данном случае нас будут интересовать керамические батареи отопления. Что это такое и из чего они состоят?

Идея создания такого отопительного прибора возникла еще аж в 1949 году. Первый прибор был изготовлен и запатентован компанией «Elstein-Werk». Но по непонятным причинам изобретение так и не нашло своего массового потребителя. Новые технологии, новые материалы и новый подход решили все дело, и недавно керамические отопительные приборы вновь появились на мировом рынке. Компания продавала патент на производство, поэтому сегодня на прилавках магазинов можно найти керамические радиаторы от разных производителей.

Устройство и принцип работы

Устройство прибора достаточно сложное. В него входят несколько слоев из инновационных материалов. Начнем с нижнего слоя, который будет касаться поверхности стены.

Корпус радиатора, изготовленный из полимера. Это теплоаккумулирующее покрытие, которое нагревается до +90С. По сути, получается, что отопительный прибор за счет своего корпуса будет выделять тепловую энергию в помещение методом конвекции.
Отражающий элемент. Это своеобразный экран, который будет перенаправлять тепловые лучи от корпуса в сторону комнаты.
Сам нагревательный элемент.
Керамическая панель, нагревающаяся до +80С. От нее исходит тепловое излучение.

То есть получается так, что керамическая батарея выделяет два вида тепловой энергии: конвекционную и лучевую. Самое важное, что керамическая панель излучает инфракрасные лучи, которые воздух внутри помещений не нагревает, а нагревает предметы, окружающие батарею. Это оптимальный вариант, когда дело касается эффективности отопительной системы. В данном случае этот радиатор, если так можно выразиться – два в одном.

Внимание! Керамические радиаторы отопления обладают очень низким потреблением энергоносителя при высокой отдаче тепловой энергии. Если сравнивать их с другими электрическими нагревательными приборами, у которых расчет в плане энергопотребления берется как 100 Вт/м², то у керамики этот показатель равен 50 Вт/м².

Технические характеристики

Выше уже говорилось о том, что производителей керамических радиаторов отопления много. У каждого из них есть своя модельная линейка, которая отличается от остальных. Поэтому на рынке достаточно широкий выбор приборов как по размерным и дизайнерским критериям, так и по стоимостным.

Давайте рассмотрим две марки, которые сегодня являются лидерами в данной области: Hybrid и ПЭПК.

Марка «Hybrid»

Размеры прибора: 60×60х1,2 см. Обратите внимание на толщину — это компактные радиаторы.
Температура керамического экрана и полимерного корпуса: 70/90С.
Мощность – 375 Вт.
Можно отапливать помещение размером 2-7 м².

Класс защиты IP44.
Вес изделия – 10 кг.
Для подключения необходима обычная розетка – 220 В.

Марка ПЭПК

Габариты – 50×100х1,5 см.
Температура 80/90С.
Мощность 500 Вт.
Объем отапливаемого помещения до 30 м³.
Класс защиты IP44.
Вес – 14 кг.
Питание – розетка 220 В.

Разнообразие цветов и размеров

Добавим, что дизайнеры стараются найти оптимальные решения, чтобы отопительный прибор мог точно вписаться в любой интерьер помещения. Поэтому его окрашивают в два основных цвета: белый и черный. Сегодня многое изменилось, поэтому подход к решению задач, связанных с оригинальными дизайнерскими решениями, дает возможность потребителям делать заказ на индивидуальное оформление керамического радиатора. И в этом плане ограничений нет.

Преимущества и особенности

Обогрев пространства помещений происходит за счет мягкого теплового потока. Медики уверяют, это идеальное состояние, при котором человеческий организм чувствует себя хорошо.
Экономия энергоносителя.
Двойной принцип отдачи тепловой энергии.
Такие радиаторы не сжигают кислород.
При их работе не поднимается пыль.
Керамические батареи не сушат воздух, так что микроклимат поддерживается постоянно.
Это компактные устройства.
Коэффициент полезного действия 97-99%.
Простота монтажа. Обычно керамические радиаторы – это настенные обогреватели, в комплект которым входят все необходимые крепежные детали. Любой мужчина с монтажом справится без проблем.

Настенные керамические обогреватели Nikapanels – Сэкономьте расходы на отопление вдвое

Керамические обогреватели – это энергосберегающие отопительные приборы для дома, дачи, офиса и любых других помещений. В данной статье представлен обзор настенных инфракрасных панелей российского производителя Никапанельс.

Если Вы ищете промышленные керамические инфракрасные нагреватели для производственных процессов — Вам сюда!

Бесплатные консультации по вопросам отопления по телефону:

+7 (495) 798 27 55

Viber, What’s Up: +7 (968) 626 10 24

Керамические панели сэкономят Ваши расходы на электроэнергию на 30-50!

Преимущества керамических обогревателей Nikapanels

Никапанельс максимально эффективны и экономичны, снижают расходы на электроэнергию в среднем в 2 раза (требуют 50 Вт на 1 кв. м. площади против 100 Вт на 1 м2 при традиционном электрическом отоплении).
Лицевая панель изготовлена из керамогранита (даже после выключения прибора накопленное в керамике тепло продолжает обогревать помещение).
Современный ультратонкий дизайн в разных цветах. Поверхность фактурная, повторяет структуру натурального камня.

Благоприятны для здоровья человека (не сушат воздух, не сжигают кислород, не поднимают пыль, препятствуют образованию плесени на стенах).
Надежные (25 лет — срок службы, 5 лет — гарантия производителя).
Безопасные (пожаробезопасны, влагозащита IP 33).
Бесшумные (комфорт в спальне или для детской комнаты).
Подходят для использования в российских условиях электроснабжения (скачки напряжения или слабая электросеть).
В паре с терморегулятором позволяют не только управлять температурой, но и еще больше снизить потребление электричества.

Устройство

Обогреватели Nikapanels изготовлены из передней керамической панели, задней металлической стенки и нагревательного элемента между ними. Лицевая керамическая панель излучает инфракрасное тепло, которое, как и русская печь, обогревает предметы и стены перед собой. Конвекция помогает затем равномерно распределить тепло по всему помещению. Таким образом, желаемая температура в помещении достигается более быстро, а обогрев более равномерный.

Как работают керамические панели Nikapanels

Обогреватели очень просты в применении. Нужно только:

Закрепить панель на стену.

Включить в розетку.
После включения уже через 5 минут Вы почувствуете исходящее от обогревателя тепло. Через 20 минут достигается рабочая температура — 85 градусов (безопасно для человека — при такой температуре невозможно обжечься). В ходе работы керамическая панель накапливает тепло, поэтому после выключения прибор будет остывать, продолжая еще и дальше до 1,5 часов обогревать помещение (уже не расходуя при этом электричества).
Чтобы максимально эффективно использовать все преимущества инфракрасных отопительных приборов, рекомендуется использовать внешний терморегулятор. В Nikapanels термостат специально не встроен, потому что он будет выдавать завышенные данные (на поверхности самого электрообогревателя температура естественно больше, чем во всем помещении). По вопросам управления температурой и для подбора терморегулятора Вы можете обратиться за консультацией по телефону +7 (495) 798 27 55 (или Viber, What’s Up: +7 (968) 626 10 24).

Область применения

Энергосберегающие обогреватели Никапанельс применяются для основного и дополнительного отопления помещений любого назначения. Их можно использовать для обогрева:

квартиры,
дачи,
коттеджа и деревянного дома,
ванной комнаты и туалета,
школьных и дошкольных учреждений,
офиса,
гостиницы, мини-отеля,

медицинских учреждений,
промышленных предприятий,
предприятий сферы услуг,
сельскохозяйственных объектов (минифермы, свинарники, птичники и т.п.),
любых других помещений бытового или коммерческого использования/

Как правильно установить инфракрасную панель на стену

Электрообогреватели лучше всего устанавливать под окнами. Это позволит нагревать все пространство перед ними, отсекая при этом поступление холодного воздуха от окна.

Если помещение большое, то монтируют несколько ик панелей. Их можно объединить в полноценную систему отопления, подключив все отопительные приборы к единому терморегулятору или пульту управления (все терморегуляторы здесь).

Электропанели устанавливаются на расстоянии минимум 10 см от пола.

Керамические обогреватели Никапанелс абсолютно безопасны для отопления даже деревянного дома

Сертификаты и инструкции

Отопительные приборы Nikapanels производятся в России и сертифицированы в Таможенном Союзе. Сертификаты ГОСТ подтверждают их полную электрическую и электромагнитную безопасность.

На всю продукцию производитель дает официальную гарантию в течение 5 лет!

Как правильно выбрать настенную ик панель

Обзор всех моделей Никапанельс представлен в таблице ниже. Подробное описание каждой модели, все технические характеристики, примеры использования, фотографии, отзывы покупателей Вы найдете на страничках конкретных товаров, кликнув по ссылкам-названиям

Таб. Керамические панели Nikapanels

Мощность обогревателя	200 Вт	400 Вт	800 Вт
Расчетная площадь помещения	до 4 м²	до 7 м²	до 10 м²
Вес	7 кг	14 кг	28 кг
Вариант 1	Nikapanels 200 Размеры: 60 × 30 × 4 мм Цвет: Амба, Серый, Шоколад	Nikapanels 330 Размеры: 60 × 60 × 4 мм Цвет: Амба, Бежевый, Кофе, Серый	Nikapanels 650 Размеры: 120 × 60 × 4 мм Цвет: Бежевый, Серый, Шоколад
Вариант 2	-	Nikapanels 330/1 Размеры: 120 × 30 × 4 мм Цвет: Бежевый	Nikapanels 650 Premium Размеры: 120 × 60 × 4 мм Цвет: Агат, Бланж

Рис. Палитра выбора цвета обогревателей Nikapanels

Чтобы точно определить нужное количество и мощность обогревательных приборов под конкретную задачу отопления, требуется учесть множество нюансов: тип помещения, его площадь, высота потолков, степень теплоизоляции, наличие и количество окон, нужно ли управлять температурой и т. д.

Для подбора отопительного оборудования и приборов управления мы рекомендуем обратиться к нам за бесплатной консультацией по тел. +7 (495) 798 27 55. Viber, What’s Up: +7 (968) 626 10 24.

Купить керамический обогреватель Nikapanels можно в «Мир Нагрева»

MirNagreva — официальный дилер производителя, и у нас Вы можете купить инфракрасные панели по цене завода. В наличии на складе всегда есть разные размеры и цвета.

Заказать обогреватель Вы можете на страничках конкретных моделей или просто позвонив по телефону.

Возможен самовывоз и быстрая доставка по Москве, Московской области и в любую точку России.

Получить консультацию по отоплению, а также оформить заказ можно по телефону:

+7 (495) 798 27 55

Viber, What’s Up: +7 (968) 626 10 24

Керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН

Энергосберегающие инфракрасно-конвекционные керамические
обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН.

Керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН Это:
– С нашими системами котлы, трубы, батареи, разрешения и проекты не нужны.
– Затраты электроэнергии на отопление 10м2, при высоте потолков до 3 м и хорошим утеплением здания — 500 Вт. (50 Вт на 1м2).
– КПД изделий 90%.
– Двойная система тепло-отдачи инфракрасная и конвекционная.
Соотношение инфракрасной тепло-отдачи к конвекционной 70% — 30%.
– Безопасны для человека — длина волны инфракрасного излучения — соизмерима с длиной волны излучаемой человеком — длинная волна.

: Керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН

Энергосберегающие инфракрасно-конвекционные керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН

– Температура нагрева изделия — 85ºС
– Система не сушит воздух и не сжигает кислород в помещении.
– Пожаробезопасны — нагревательный элемент находится внутри керамической плиты
— возможно оставление систем отопления без присмотра на длительное время.
– Абсолютно бесшумны.
– Применяются в любых помещениях, в том числе с повышенной влажностью воздуха.
– Устанавливаются в места максимальных энерго-потерь в зданиях — под окна — аналогично батареям водяного отопления.

: Керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН

Энергосберегающие инфракрасно-конвекционные керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН
– Просты в монтаже — не требуют специальной подготовки монтажника.
– Не требуют установки дополнительных экранов и тепло-отражателей.
– Устанавливаются с выносным терморегулятором — если монтаж происходит на стадии разведения электропроводки, применяется с встраиваемым стеновым терморегулятором, если проводка уже разведена — применяется розеточный терморегулятор. Сами панели
регулировки не имеют (наша задача регулировать температуру в помещении, а не температуру изделия).

: Керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН

Энергосберегающие инфракрасно-конвекционные керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН
– Общее время работы систем при температуре наружного воздуха — 20ºС и поддержании температуры воздуха внутри помещения + 22ºС —
6 — 8 часов, в зависимости от энергосбережения здания.
– Гарантия на наши системы — 5 лет.
– Срок службы 25 лет.
– Работают от сети переменного тока напряжением 220 В
– Устойчивы к перепадам напряжения в электро-сети.
– Не требуют содержания сервисных центров и ремонтных мастерских.
– Изделия сертифицированы по всему Таможенному Союзу.
– Одобрены для использования в жилых и производственных помещениях, медицинских, образовательных и др. учреждениях.
– Изготавливаются из материалов отечественного производства — не зависят от колебаний на валютном рынке!

: Керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН

Размерный ряд:

Энергосберегающие инфракрасно-конвекционные керамические обогреватели панели «NIKATEN» НИКАТЕН
– Модельный ряд состоит из четырех моделей:
NT 200 600х300х40 мм потребление 200 Вт отапливаемая площадь 4 м2
NT 330 600х600х40 мм потребление 330 Вт отапливаемая площадь 7 м2
NT 330/1 1200х300х40 мм потребление 330 Вт отапливаемая площадь 8 м2
NT 650 1200х600х40 мм потребление 650 Вт отапливаемая площадь 13 м2

Сертификаты:

[ratings]

Керамические обогреватели для дома — цена, отзывы и как выбарть

Несмотря на предусмотренную систему отопления, в прохладное время многочисленные здания нуждаются в добавочном обогреве. Для этих целей прекрасно подойдет керамический обогреватель.

Что собой представляет керамический обогреватель

Данные обогреватели состоят из керамических элементов нагревания, объеденные в одну плиту так называемые керамические панели отопления. Корпус заливают глазурью – защищает от влажности, появления коррозий. Конверторные модели содержат внутри маленький вентилятор.

Керамические инфракрасные обогреватели состоят из керамического корпуса, в котором заключена проволока либо спираль, либо кабель, из материалов, владеющих высоким сопротивлением, обладают большой устойчивостью к перепадам температурного режима.

Диапазон волн имеет средний показатель, их относят к типу «темных» излучателей (не светится в темноте). Делят по форме: сферические, плоские, керамические инфракрасные лампы. Нагреватели являются огнеупорными, употребляют незначимое количество электроэнергии.

Принцип работы

Действие керамического устройства организовано на принципе принудительной конвенции (нагревательные детали при этом обдуваются воздушными массами). Распространяют тепло по всей площади помещения. Определенные модели имеют пульт для дистанционного правления, таймеры. Обладают свойствами очищения, ионизации воздуха.

Инфракрасные нагревательные устройства способствуют излучение тепла в строго определенную зону.

Тепло поглощается в находящиеся вокруг предметы, мебель, пол, стены. Отопители никогда не функционируют вхолостую.

Плюсы и минусы

Все типы керамических обогревателей объединяют общие свойства, положительные и отрицательные.

Достоинства:

Бесшумная работа.
Быстрое прогревание помещения (30–40 мин.).
Высокая сберегательная способность экономии электроэнергии.
Сохраняется идеальный климат в помещении.
Пожаробезопасны.
Нагреватель изготовлен из экологических материалов, не источает вредных токсических веществ, запахов.
Устойчив к влажности.
Компактность, небольшой вес.
Не «сжигает», не сушит кислород.
Стабильность в работе.
Присутствие антибактериальной лампы, полезна для лиц, часто страдающих респираторными заболеваниями. Если имеются аллергические реакции.
Автоматическое отключение прибора при переворачивании, падении.
Эстетический вид, идеально вписывается в интерьер.
Любая модель имеет три режима деятельности.
Керамика является отличным проводником тепла, нагревается быстро, имеет высокое КПД.
Возможность управления на расстоянии.
Керамические пластины не окисляются, за счет этого обогреватель имеет долгий срок эксплуатации.
При прикосновении к рабочему прибору невозможно получить ожог.

Недостатки:

Быстрое остывание прибора.
Стоимость выше, чем у других обогревательных систем.
Не может самостоятельно отапливать помещение, является вспомогательным средством прогрева.

Виды

Электрические – самый обыденный вид обогревателя, прост в использовании. Такой тип безопасен в эксплуатации, можно применять даже в детской, т. к. он не нагревается. Не сушит и не обжигает воздух в помещении, можно применять, где есть повышенная влажность.
Тепловентилятор – холодные воздушные массы втягиваются вентилятором. В закрытом корпусе воздух нагревается и поступает в помещение. Плюс такой установки – компактность, переносной, безопасность, высокая скорость обогрева. Минус – ненужный шум.

По конструкции инфракрасные керамические обогреватели разделяют:

Наполненные. Их преимущества в прочности, защищенности от окислительных продуктов, загрязнений. Плавное регулирование температурного режима, удобство в установке.
Полые. Они быстро нагреваются и остывают, более высокая направленность прогревания.

По типу установки:

Настенные – имеют большие размеры, лучше установить в нижней части стены. Подходит для средней площади помещения. Долговечны, могут прослужить до 25 лет. Имеет действие теплонакопления. Устанавливают при помощи анкеров, дюбелей, саморезов.
Напольные – имеются системы защиты, при падении отключаются автоматически. Более успешный тип, подходит для всех помещений. Корпус имеет «ножки» или подставки.
Настольные – могут вращаться вокруг собственной оси. Прогретый воздух при этом распространяется во все стороны помещения. Имеют небольшие размеры, подходят для малогабаритных помещений. Можно устанавливать на любые плоскости.

Креативный обогреватель из керамических горшков

Может отопить малогабаритную комнату, с помощью 1-ой свечи или лампы накаливания. Состоит из трех горшков, скрепленных длинным болтом из металла, на котором имеются шайбы и гайки.

В данной модели не остается продуктов горения, они выходят наружу вместе с теплым воздухом. Такой аппарат является дополнительным источником тепла.

Минус конструкции для того чтобы начать обогрев надо 3–4 часа для собственного прогревания. Нужно беречь от влажности. Восковая свеча горит в данном устройстве до 20 часов.

Рекомендации по установке настенных обогревателей:

Монтаж лучше производит не менее, чем 1,8 метра от пола.
Крепить нужно на специализированный кронштейн, находящийся в комплекте. Для проделывания отверстий используют дрель либо перфоратор.
В дюбель закручивают кронштейны.
В конце монтажа производят закрепление самого обогревателя.

Как выбрать

При подборе домашнего обогревателя нужно предусматривать следующие моменты:

Площадь помещения, которое будет прогреваться. Это зависит от мощности аппарата, 1 кВт обогревает 10 квадратных метров.
Дизайн корпуса должен вписываться в окружающую обстановку комнаты. Надо ориентироваться на индивидуальные предпочтения.
Для целей поддерживания постоянного температурного режима лучше приобретать устройство с электрическим термостатом.
Для малогабаритной комнаты подойдет вариант настенного обогревателя.
Лучше приобретать агрегат с защитной решеткой.
При покупке обратить внимание на функцию безопасности. Должна присутствовать функция отключения при наклоне или опрокидывании (угол 75 градусов).
Выбрать оптимальную степень потребления электрического тока.
Лучше отдать предпочтение европейским (Германия, Италия) или отечественным производителям. Они более качественные, долговечные в сравнении с Китайскими нагревателями.

Ориентировочная стоимость

Цена на керамический обогреватель зависит от вида, марки, модели аппарата. В среднем можно приобрести от тысячи до 10000. настольные обогреватели 500–1500, настенные 1500–4000. напольные стоят в пределах 1000–8000.

Дорогостоящие модели прогревают воздух во всех направлениях, по более низкой цене нагревают воздушные массы в помещении локально.

Отзывы

Ирина. Решили приобрести качественный керамический нагреватель в детскую комнату. Привлекла настенная модель, выглядит изящно, работает беззвучно. Равномерно прогревает комнату в 20 квадратных метров. Очень удобна система дистанционного управления, можно запрограммировать удобные для меня параметры. Когда нужно задаю режим включения, еще безопасен для детей, даже если заденут его игрушкой, ничего не произойдет.
Константин. Давно хотел взять себе обогреватель из керамики. Зимой дома холодно, центрального отопления недостаточно, до кучи в квартире сквозняки. Приобрел себе напольный вариант по среднему ценнику. Удобно переносить из комнаты в комнату, небольшой вес, да и места много не занимает. Прогревает хорошо, а главное, быстро начинает выполнять свою прямую обязанность. В общем, рекомендую, да и защита есть, не прожжешь ничего и энергии немного «ест».
Елизавета. Нужен был для дома обогреватель, хотели приобрести наиболее безопасный. В магазине большущий выбор, глаза разбегаются. Друзья и родители советовали именно с керамическим корпусом. Нашли инфракрасный керамический. Нисколько не пожалела о своем выборе, уже третий год не подводит в работе. Нагревает помещение быстро, семья довольна. А мне главное, что не особо громоский, подходит к обстановке комнаты. Работает вообще без всяких звуков, можно ночью включить и спокойно отдыхать, еще он не светиться в темноте для меня это тоже плюс.

Статья была полезна?

3,00 (оценок: 4)

металлические, керамические, красивые, тонкие, встраиваемые, видео и фото

Какие виды радиаторов отопления применяются в настоящее время? Нам предстоит познакомиться с используемыми при производстве отопительных приборов материалами, техническими решениями и выяснить, как они влияют на эффективность работы отопления.

Наша задача – научиться ориентироваться в ассортименте современного рынка.

Материалы

Водяное отопление

Начнем с краткого обзора материалов, применяющихся в системах с жидким теплоносителем.

Все предназначенные для них радиаторы отопления – металлические: полимеры и керамика не обладают ни необходимой устойчивостью к гидростатическому давлению, ни достаточной теплопроводностью.

Чугун используется для производства отопительных батарей больше века. Его главные достоинства – дешевизна и устойчивость к коррозии; в недостатки стоит записать весьма умеренную теплопроводность и низкую механическую прочность. Все чугунные батареи характеризуются значительной массой и большим внутренним объемом;

Современные чугунные радиаторы могут похвастаться привлекательным дизайном.

Заметьте: с практической стороны эти свойства обеспечивают инерционность работы контура.
Проще говоря – после нагрева он медленно остывает, что будет несомненным достоинством в системе с редко растапливаемым твердотопливным котлом.

Для стали характерна столь же удручающе низкая теплопроводность и высочайшая механическая прочность. Коррозии, в отличие от чугуна, она подвержена; проблема ржавчины решается использованием стойких к ней покрытий или просто-напросто постоянно заполненным водой контуром;

Одна из разновидностей стальных трубчатых батарей.

Достоинство алюминия – высокая теплопроводность при сравнительно умеренной механической прочности. Теплопроводность позволяет уменьшить внутренний объем секций, компенсировав его за счет большой площади оребрения. Алюминиевые батареи быстро прогреваются и быстро остывают; их рекомендуется использовать только в автономных отопительных контурах;
Теплопроводность меди вдвое больше, чем у алюминия, и в восемь раз – по сравнению со сталью и чугуном. Однако сравнительно высокая цена металла ограничивает его использование для производства отопительных приборов; чаще всего его можно встретить в составе комбинированных медно-алюминиевых конвекторов. Медная трубка с теплоносителем снабжается алюминиевым оребрением, что позволяет обеспечить сопоставимую с цельномедным прибором теплоотдачу при гораздо меньшей себестоимости;
Еще одно комбинированное решение – биметаллические (алюминиево-стальные) радиаторы. Стальной сердечник обеспечивает высокую прочность на разрыв, а алюминиевое оребрение увеличивает теплоотдачу.

Устройство биметаллической секции.

Вот ориентировочные технические характеристики секционных приборов при стандартном (500 миллиметров) межосевом расстоянии между коллекторами:

Материал секций	Максимальное рабочее давление, атмосферы	Максимальная рабочая температура, С	Удельная теплоотдача при температуре прибора 90 С, Вт/секция
Чугун	9-12	110-130	140-160
Сталь	25	150	80-120
Алюминий	12-16	110-120	190-210
Биметалл (сталь и алюминий)	25-100	120-150	180-200

Электроотопление

Из чего делаются электрорадиаторы отопления?

Жидкостные электрорадиаторы – это всего лишь модификация секционных алюминиевых батарей. Как правило, они снабжаются маломощным ТЭНом, термостатом и заполняются незамерзающим теплоносителем (пропиленгликолем или тосолом), после чего с легким сердцем рекламируются как экономичные отопительные приборы;

Важно: тепловая мощность любого электрического отопительного прибора в точности равна его электрической мощности.
Это прямо вытекает из закона сохранения энергии и из того факта, что электрорадиатор не совершает физической работы (то есть не перемещает никакой массы против вектора гравитации).
Раз так – он ничуть не экономичнее, чем комбинация ТЭНового электрокотла и обычной алюминиевой батареи.

Электрический прибор для конвекционного отопления.

Инверторные радиаторы отопления – частный случай электрорадиаторов. Вся разница в том, что отдельный прибор или контур из нескольких алюминиевых батарей снабжен аккумулятором, обеспечивающим автономную работу, инвертором, трансформирующим 12 вольт постоянного тока в 220 переменного, и контроллером, отвечающим за переключение режимов питания. С учетом ограниченного ресурса и высокой стоимости емких аккумуляторов – конструкция, с точки зрения автора, довольно странная;
Инфракрасные радиаторы отопления чаще всего представляют собой комбинацию низкотемпературной нагревательной спирали и металлической (стальной или алюминиевой) декоративной панели. Инфракрасными их называют за то, что существенная часть тепла передается ими в качестве теплового излучения;
Керамические радиаторы отопления – разновидность инфракрасных панелей, фронтальная поверхность которых выполнена из керамогранита. Разница со спиральными приборами – лишь в несколько более равномерном нагреве поверхности и более привлекательном внешнем виде.

Керамические ИК-панели.

На удивление, позиционирование инфракрасных обогревателей в качестве экономичных источников тепла имеет под собой некоторые основания:

Нагрев кожи человека инфракрасным излучением смещает на несколько градусов вниз субъективно комфортную температуру в помещении. В комнате, которая отапливается ИК-панелями, обычно поддерживается 15-16 градусов, что позволяет снизить утечки тепла через ограждающие конструкции;
Это же излучение нагревает пол и вообще все горизонтальные и вертикальные поверхности в нижней части комнаты, что несколько перераспределяет температуру воздуха в помещении: она максимальна не под потолком, как при конвекционном отоплении, а над полом. Отсюда – опять-таки меньшие потери через потолок.

Способ монтажа

Традиционные батареи подразумевают настенный монтаж на штыревые или консольные кронштейны.

Однако это – далеко не единственный вариант.

Напольные винтажные радиаторы отопления – это, как правило, декоративные чугунные изделия на массивных ножках. Они не только красивы, но и позволяют отапливать комнаты с легкими перегородками из гипсокартона или пенобетона;

Напольный прибор использован для формирования тепловой завесы перед панорамным окном.

Однако: напольная установка радиаторов любого типа легко может быть выполнена своими руками при наличии монтажных кронштейнов.
Собственно, инструкция по монтажу сводится к креплению кронштейнов к полу анкерными болтами; сама установка радиатора идентична настенному варианту.

Внутрипольные, или встраиваемые радиаторы отопления подразумевают установку ниже уровня чистового пола – в стяжку или под деревянный настил. Поскольку их высота ограничена, главное требование к приборам – максимальная теплоотдача при минимальных размерах. Она достигается использованием меди (или медных трубок с алюминиевым оребрением) и установкой на обдув прибора тихоходных вентиляторов.

Форм-фактор

Наряду с привычными секционными батареями в продаже можно встретить еще несколько разновидностей отопительных приборов.

Конвекторы

Под этим названием обычно скрывается змеевик с увеличивающим теплоотдачу оребрением. Конвектор может снабжаться декоративным экраном и воздушными жалюзи для регулировки теплоотдачи. Главное достоинство прибора – высокая механическая прочность; теплоотдача определяется материалом и площадью ребер.

Стальные конвекторы.

Пластины

Пластинчатыми называются тонкие радиаторы отопления, полученные свариванием двух штампованных стальных пластин. Движение теплоносителя по ходам между ними, собственно, и обеспечивает обогрев.

Главное достоинство пластинчатых батарей – компактность: они почти не отнимают площадь помещения. Главный недостаток – ограниченный ресурс при отсутствии антикоррозионного покрытия: отечественные радиаторные пластины советского производства служили не более 7 лет.

Трубчатые

Трубчатые стальные батареи могут быть как секционными, так и цельносварными. Горизонтальные радиаторы отопления этого типа (регистры) часто используются для отопления гаражей, мастерских, складов и прочих нежилых помещений. Невысокая теплопроводность стали компенсируется большими размерами секций.

На фото – цельносварной регистр из трубы диаметром 150 мм.

Плинтусные

Плинтусный радиатор отопления отличается минимальной высотой при большой длине и монтажом на уровне пола. Он полезен для формирования тепловой завесы под панорамными окнами или вдоль промерзающей стены.

Кроме того: плинтусная батарея позволяет разместить вдоль стены любую офисную мебель.

Вертикальные

Полная противоположность предыдущему решению – отопительные приборы с секциями значительной (от 800 до 2400 мм) высоты. Они выгодны там, где форма стен или расположение мебели ограничивает использование традиционных батарей большей длины. В роли материала для них может выступать алюминий, сталь или их сочетание.

Очень красивые радиаторы отопления получаются из профильной стальной трубы.

Заключение

Надеемся, что наш миниатюрный и далеко не полный обзор поможет уважаемому читателю в выборе оптимального решения для своего дома. Узнать больше о современных отопительных приборах позволит видео в этой статье. Успехов!

≋ Чем хороши керамические обогреватели • Плюсы и минусы

Керамические обогреватели – это лучшее сочетание практичности и цены на рынке альтернативного отопления. Данный климатический прибор уникален, поскольку сочетает в себе несколько способов обогрева помещений:

Зональный (инфракрасный). ИК-лучи нагревают расположенные рядом предметы и стены. Далее происходит обычный теплообмен – воздух становится теплым от нагретой поверхности. Главное преимущество такого обогрева – целенаправленная отдача тепла. Это дает возможность установить керамическую панель не только в жилом доме, но и в промышленном помещении.
Конвекционный. Такой способ заключается в нагревании воздуха и его естественной циркуляции.

Таким образом, керамические электронагревательные панели практичны, так как сочетают в себе несколько принципов отопления. Немаловажным фактором является и финансовая сторона: потребление киловатт-часов для зонального применения, может быть значительно меньше, при сравнении с остальными обогревателями.

Особенности керамических обогревателей

Что касается составляющих компонентов: устройство имеет тыльную металлическую часть, теплоотражающий экран, нагревательный элемент (специальный кабель) и керамическую лицевую конструкцию.

Работая, нагревательный механизм отдает тепло на переднюю и заднюю части обогревателя. В результате происходит циркуляция воздуха и нагрев рядом расположенных поверхностей.

Покупая керамический обогреватель, ознакомьтесь с техническими показателями:

Вид монтажа, размер и вес. При выборе учитывайте тип помещения. Например, напольная керамическая панель подойдет для обогрева временного места дислокации (арендованный офис), а настенная панель – для постоянного отопления.
Потребление энергетического ресурса (кВт). Из-за систематического роста цены на электроэнергию, экономичные устройства более практичны и выгодны.
Максимальная площадь обогрева. Для больших площадей, возможно, потребуется установить 2-3, а то и больше панелей.

Чем обусловлена популярность керамического обогревателя

Востребованность керамических панелей постоянно растет. Вот главные преимущества этих устройств:

Габариты. Электрокерамический нагревательный прибор компактный. Монтаж не требует особых усилий и времени, а размеры позволяют установить панель даже в небольших помещениях. Кроме этого, существуют различные варианты изготовления керамического обогревателя (для напольного и настенного расположения).
Вид и форма. Производители делают все, чтобы потребитель мог купить подходящую модель по цвету, форме и размеру. В продаже имеется большой ассортимент: цветные, квадратные, горизонтальные и вертикальные панели. Подобрать устройство можно для любого интерьера. К тому же, по надобности, на внешнюю поверхность можно нанести любое изображение.
Мощность. При высокой теплоотдаче, керамический обогреватель использует от 0,5 до 1,5 кВт. Это позволяет сэкономить на расходах по коммунальным платежам.
Комфорт. Лицевая сторона керамической конструкции нагревается не более чем на 65°C. Это исключает вероятность получения ожогов, что особенно важно, если в доме есть дети. В работе обогреватель не шумный, не издает запахов.

Простота, экономичность и современный дизайн – главные аргументы в пользу выбора керамического обогревателя.

принцип работы и преимущества эксплуатации

Развитие бытовой техники идёт семимильными шагами. Ужесточаются стандарты качества и энергосбережения, что заставляет заводы – изготовители разрабатывать более совершенные модели. Так, на смену калориферам с обычными спиралями накаливания приходят обогреватели нового поколения – керамические.

Преимущества в эксплуатации

Обладая высокой теплопроводностью, специальная жаростойкая керамика быстро разогревается до рабочей температуры, которая обычно не превышает 200 °C. Такой щадящий режим накала не сушит воздух, и не жжёт кислород. Полностью отсутствует запах горелой пыли при работе тепловентилятора, что позволяет обходиться без воздушного фильтра.

В квартирах, домах энергосберегающие керамические обогреватели нашли применение в качестве дополнения к центральной или индивидуальной системам отопления. В межсезонье – осенью, весной, с помощью электрических приборов для обогрева можно быстро создать комфортные условия в помещениях для проживания или работы. На цену керамических обогревателей влияет несколько важных отличий и показателей многочисленных моделей, представленных на рынке:

• Мощность;
• Фирма производителя;
• Механическая или электронная регулировка параметров прибора;
• Возможность дистанционного управления с пульта.

Принцип работы и варианты исполнения

До сих пор самый привычный тип керамического обогревателя для дома – это электроприбор, работающий по принципу тепловентилятора. Через нагревательный элемент принудительно прогоняется воздух, тем самым повышается температура в помещении. При выборе следует обратить внимание на возможные варианты расположения и крепления устройств:

• Настольное;
• Напольное;
• Стеновое.

Настольные керамические обогреватели компактны, в нужный момент легко устанавливаются и убираются. Многофункциональные режимы предоставляют возможность использовать прибор как для обогрева, так и для обычной вентиляции помещения. Основной недостаток – это назойливое жужжание пропеллера.

В устройствах напольного типа применяются малошумящие тангенциальные вентиляторы. При этом вытянутые вверх корпуса колоновидной формы позволяют разместить внутри себя металлокерамическую решётку оптимальных размеров и тем самым увеличить эффективность аппарата.

Настенный керамический обогреватель по внешнему виду можно легко перепутать с внутренним блоком сплит-системы. Включение и установка рабочих параметров происходит с дистанционного пульта управления. Направление воздушного потока устанавливается с помощью специальных шторок, что позволяет равномерно распределять поступающее тепло от прибора по всему периметру помещения.

Миниатюрный автомобильный керамический обогреватель удобно использовать для оттаивания наледи на лобовом стекле. Утром, подключив такой тепловентилятор к прикуривателю, можно быстро восстановить обзор и тронуться в путь, не дожидаясь, пока салон автомобиля прогреется от штатной печки.

Самые экономичные отопительные электроприборы

Стеновая панель керамического обогревателя «Венеция» способна генерировать тепло двумя способами: обогревая предметы интерьера инфракрасным излучением и в режиме конвектора. Устройство работает абсолютно бесшумно, потребляя электроэнергии на 30% меньше, чем масляные радиаторы. Современная технология изготовления гарантирует эффективный срок службы изделия в течение 20 лет.

По отзывам потребителей подобные керамические обогреватели отличаются:

• Высокой теплоотдачей;
• Экономичностью;
• Пожаробезопасностью. Температура внутри прибора не более 85 °C;
• Простым подключением и монтажом.

Интересным дизайнерским решением стало нанесение на внешнюю поверхность панели инфракрасных керамических обогревателей различных по фактуре изображений и рисунков. Стеновое размещение в этом случае становится особенно удобным, функциональным и красивым.

Возможность использования природного газа в качестве источника энергии

Газовые инфракрасные керамические обогреватели разрабатываются и производятся для стационарного и мобильного применения. Переносные лёгкие отопительные приборы пользуются популярностью у любителей зимней рыбалки, охотников, водителей – дальнобойщиков. Газовая горелка, расположенная в корпусе, раскаляет керамические рефлекторы до 900 °C.

Пластины, установленные в виде многочисленных сот, отдают тепло с помощью инфракрасных лучей. Усиливает действие рефлектора зеркальный металлический отражатель. Более мощная аппаратура находит применение при ремонте и строительстве загородных домов. Газовые керамические обогреватели используются для быстрого поднятия температуры до комфортных значений в зимний период на дачах, в гаражах и могут подключаться к баллонному, или магистральному газу.

Каждой осенью, в преддверии отопительного сезона полки магазинов бытовой техники заполняются различными устройствами, способными создать в домах и квартирах тёплую, уютную атмосферу. Доступные по цене, созданные с применением современных технологий энергосберегающие керамические обогреватели зарекомендовали себя, как надёжный и качественный продукт.

По прогнозам экспертов, спада продаж отопительных электроприборов в России не ожидается. Это обусловлено достаточно долгой зимой и риском возникновения различных аварийных ситуаций в системе сетей централизованного теплоснабжения.

Системы хранения ионов

заявляют, что их керамический электролит может стать важным фактором для твердотельных батарей

Практически не изменился и способ проведения проверок.

Исторически, проверка состояния электрической инфраструктуры была обязанностью мужчин, идущих по очереди. Когда везет и есть подъездная дорога, линейные рабочие используют автовышки. Но когда электрические конструкции находятся на заднем дворе, на склоне горы или иным образом вне досягаемости механического подъемника, рабочие все равно должны пристегнуть свои инструменты и начать подъем.В отдаленных районах вертолеты несут инспекторов с камерами с оптическим зумом, которые позволяют инспектировать линии электропередач на расстоянии. Эти инспекции на большом расстоянии могут охватывать больше территории, но не могут заменить более пристальный взгляд.

В последнее время электроэнергетические компании начали использовать дроны для более частого сбора дополнительной информации о своих линиях электропередач и инфраструктуре. Помимо зум-объективов, некоторые устанавливают на дроны термодатчики и лидары.

Термодатчики улавливают избыточное тепло от электрических компонентов, таких как изоляторы, проводники и трансформаторы.Если игнорировать эти электрические компоненты, они могут вызвать искру или, что еще хуже, взорваться. Лидар может помочь в управлении растительностью, сканировании области вокруг линии и сборе данных, которые программное обеспечение позже использует для создания трехмерной модели области. Модель позволяет менеджерам энергосистемы определять точное расстояние от растительности до линий электропередач. Это важно, потому что, когда ветви деревьев подходят слишком близко к линиям электропередач, они могут вызвать короткое замыкание или воспламенить искру от других неисправных электрических компонентов.

Алгоритмы на основе искусственного интеллекта могут обнаруживать участки, в которых растительность посягает на линии электропередач, обрабатывая десятки тысяч аэрофотоснимков за несколько дней. Buzz Solutions

Хорошая новость — использование любой технологии, которая позволяет проводить более частые и качественные проверки. А это означает, что, используя современные, а также традиционные инструменты мониторинга, основные коммунальные предприятия ежегодно собирают более миллиона изображений своей сетевой инфраструктуры и окружающей среды.

AI хорош не только для анализа изображений. Он может предсказывать будущее, глядя на закономерности в данных с течением времени.

А теперь плохие новости.Когда все эти визуальные данные возвращаются в центры обработки данных коммунальных предприятий, выездные техники, инженеры и монтажники тратят месяцы на их анализ — от шести до восьми месяцев на цикл проверки. Это отвлекает их от работы по техническому обслуживанию в полевых условиях. И это слишком долго: к моменту анализа данные уже устарели.

Пришло время вмешаться ИИ. И он начал это делать. ИИ и машинное обучение начали использоваться для обнаружения неисправностей и разрывов в линиях электропередач.

Несколько энергетических компаний, в том числе Xcel Energy и Florida Power and Light тестируют ИИ для обнаружения проблем с электрическими компонентами на линиях электропередач как высокого, так и низкого напряжения. Эти энергетические компании наращивают свои программы инспекции дронов, чтобы увеличить объем собираемых данных (оптических, тепловых и лидарных), ожидая, что ИИ сможет сделать эти данные более полезными.

Моя организация, Buzz Solutions — одна из компаний, которые сегодня предоставляют подобные инструменты искусственного интеллекта для электроэнергетики.Но мы хотим сделать больше, чем обнаруживать проблемы, которые уже произошли, — мы хотим предсказать их до того, как они произойдут. Представьте, что могла бы сделать энергетическая компания, если бы она знала, где находится оборудование, приближающееся к отказу, позволяя экипажам войти внутрь и принять меры по профилактическому обслуживанию, прежде чем искра вызовет следующий крупный лесной пожар.

Пора спросить, может ли ИИ быть современной версией старого талисмана Дымчатого медведя Лесной службы США: предотвращение лесных пожаров. С до они случаются.

Повреждение оборудования линии электропередач из-за перегрева, коррозии или других проблем может вызвать возгорание. Buzz Solutions

Мы начали создавать наши системы, используя данные, собранные государственными учреждениями, некоммерческими организациями, такими как Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI), электроэнергетические компании и поставщики услуг по воздушной инспекции, которые предлагают в аренду вертолеты и дроны. В совокупности этот набор данных включает тысячи изображений электрических компонентов на линиях электропередач, включая изоляторы, проводники, соединители, оборудование, столбы и опоры.Он также включает коллекции изображений поврежденных компонентов, таких как сломанные изоляторы, корродированные разъемы, поврежденные проводники, ржавые конструкции оборудования и треснувшие опоры.

Мы работали с EPRI и энергосистемами, чтобы создать рекомендации и таксономию для маркировки данных изображений. Например, как именно выглядит сломанный изолятор или корродированный разъем? Как выглядит хороший изолятор?

Затем нам пришлось объединить разрозненные данные, изображения, снятые с воздуха и с земли с использованием различных датчиков камеры, работающих под разными углами и разрешениями и снятых в различных условиях освещения.Мы увеличили контраст и яркость некоторых изображений, чтобы попытаться привести их в единый диапазон, мы стандартизировали разрешения изображений и создали наборы изображений одного и того же объекта, снятого под разными углами. Нам также пришлось настроить наши алгоритмы, чтобы сосредоточиться на интересующем объекте на каждом изображении, например, на изоляторе, а не рассматривать все изображение целиком. Для большинства этих корректировок мы использовали алгоритмы машинного обучения, работающие в искусственной нейронной сети.

Сегодня наши алгоритмы искусственного интеллекта могут распознавать повреждения или неисправности, связанные с изоляторами, соединителями, амортизаторами, полюсами, траверсами и другими конструкциями, а также выделять проблемные области для личного обслуживания.Например, он может обнаруживать то, что мы называем перекрывающимися изоляторами — повреждение из-за перегрева, вызванного чрезмерным электрическим разрядом. Он также может обнаружить износ проводов (что также вызвано перегревом линий), корродированные разъемы, повреждение деревянных опор и траверс и многие другие проблемы.

Разработка алгоритмов для анализа оборудования энергосистемы требовала определения того, как именно выглядят поврежденные компоненты под разными углами в разных условиях освещения.Здесь программное обеспечение отмечает проблемы с оборудованием, используемым для уменьшения вибрации, вызванной ветром. Buzz Solutions

Но одна из самых важных проблем, особенно в Калифорнии, заключается в том, чтобы наш ИИ распознал, где и когда растительность растет слишком близко к высоковольтным линиям электропередачи, особенно в сочетании с неисправными компонентами, что является опасным сочетанием в стране пожаров.

Сегодня наша система может обрабатывать десятки тысяч изображений и выявлять проблемы за часы и дни, по сравнению с месяцами для ручного анализа.Это огромная помощь коммунальным предприятиям, пытающимся поддерживать инфраструктуру электроснабжения.

Но ИИ хорош не только для анализа изображений. Он может предсказывать будущее, глядя на закономерности в данных с течением времени. ИИ уже делает это, чтобы предсказывать погодные условия, рост компаний и вероятность возникновения заболеваний — это лишь несколько примеров.

Мы полагаем, что ИИ сможет предоставить аналогичные инструменты прогнозирования для электроэнергетических компаний, упреждая сбои и отмечая области, где эти сбои потенциально могут вызвать лесные пожары.Мы разрабатываем систему для этого в сотрудничестве с отраслевыми и энергетическими партнерами.

Мы используем исторические данные проверок линий электропередач в сочетании с историческими погодными условиями для соответствующего региона и передаем их в наши системы машинного обучения. Мы просим наши системы машинного обучения найти закономерности, относящиеся к сломанным или поврежденным компонентам, здоровым компонентам и заросшей растительности вокруг линий, наряду с погодными условиями, связанными со всем этим, и использовать эти закономерности для прогнозирования будущего состояния источника питания. линии или электрические компоненты и растительность вокруг них.

Программное обеспечение PowerAI от компании

Buzz Solutions анализирует изображения энергетической инфраструктуры для выявления текущих проблем и прогнозирования будущих

Прямо сейчас наши алгоритмы могут предсказать на шесть месяцев вперед, что, например, существует вероятность повреждения пяти изоляторов в определенной области, наряду с высокой вероятностью зарастания растительности вблизи линии в то время, что в совокупности создает риск возникновения пожара.

Сейчас мы используем эту систему прогнозирующего обнаружения неисправностей в пилотных программах с несколькими крупными коммунальными предприятиями — одним в Нью-Йорке, одним в регионе Новой Англии и одним в Канаде.С тех пор, как мы начали наши пилотные проекты в декабре 2019 года, мы проанализировали около 3500 электрических опор. Мы обнаружили среди примерно 19 000 исправных электрических компонентов 5 500 неисправных, которые могли привести к отключению электроэнергии или искрообразованию. (У нас нет данных о произведенных ремонтах или заменах.)

Куда мы отправимся отсюда? Чтобы выйти за рамки этих пилотных проектов и более широко развернуть прогнозирующий ИИ, нам понадобится огромный объем данных, собранных с течением времени и в разных географических регионах. Это требует работы с несколькими энергетическими компаниями, сотрудничества с их группами по инспекции, техническому обслуживанию и управлению растительностью.У крупных энергетических компаний США есть бюджеты и ресурсы для сбора данных в таком большом масштабе с помощью программ инспекций с помощью дронов и авиации. Но небольшие коммунальные предприятия также получают возможность собирать больше данных, поскольку стоимость дронов падает. Чтобы сделать такие инструменты, как наш, широко полезными, потребуется сотрудничество между крупными и мелкими коммунальными предприятиями, а также поставщиками дронов и сенсорных технологий.

Перенесемся в октябрь 2025 года. Нетрудно представить западный U.S ждет еще один жаркий, сухой и чрезвычайно опасный пожарный сезон, во время которого небольшая искра может привести к гигантской катастрофе. Люди, живущие в стране пожаров, стараются избегать любых действий, которые могут привести к пожару. Но в наши дни они гораздо меньше обеспокоены рисками, связанными с их электросетью, потому что несколько месяцев назад пришли коммунальные работники, которые ремонтировали и заменяли неисправные изоляторы, трансформаторы и другие электрические компоненты и подрезали деревья, даже те, которые еще не были дойти до линий электропередач.Некоторые спрашивали рабочих, почему такая активность. «О, — сказали им, — наши системы искусственного интеллекта предполагают, что этот трансформатор, расположенный рядом с этим деревом, может искрить при падении, а мы не хотим, чтобы это произошло».

В самом деле, конечно же, нет.

Дорожная карта по коммерциализации твердотельных батарей

[Изображение вверху] Будут ли твердотельные батареи обеспечивать наше будущее? Кредит: Питер Миллер; Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)

Если бы я был ископаемым топливом, я бы сейчас немного нервничал из-за конкуренции.

Возобновляемые источники энергии достигли нового максимума в прошлом году, составив почти 75% новых генерирующих мощностей, построенных в 2019 году. Солнечная энергия, а за ней и ветер, в совокупности составляют почти 90% новой общей мощности.

В дополнение к способности генерировать возобновляемую энергию, часто упускаемый из виду компонент нашей способности перейти к будущему, основанному на возобновляемых источниках энергии, — это энергосистемы. Это важно, потому что природные источники энергии, такие как солнце и ветер, изменчивы — их мощность колеблется вверх и вниз, что ограничивает их способность удовлетворять потребность в энергии в любой момент времени.

Накопитель энергии решает эту проблему, предоставляя возможность собирать возобновляемую энергию и сохранять ее для дальнейшего использования. И хотя существуют различные формы хранения энергии, батареи, пожалуй, являются одним из самых известных решений, и они также предлагают одни из самых высоких показателей эффективности.

Сегодня наиболее коммерчески распространены литий-ионные батареи, хотя у них есть свои ограничения и недостатки — именно поэтому многие исследователи сейчас исследуют полностью твердотельные батареи, чтобы обеспечить наше будущее.

Полностью твердотельные батареи, как следует из их названия, содержат твердый электролит, часто сделанный из керамических материалов, вместо жидкого электролита, содержащегося в литий-ионных аккумуляторах (часть литий-ионных аккумуляторов, которая делает их склонными к возгоранию). .

Таким образом, полностью твердотельные батареи безопаснее литий-ионных, но они также могут похвастаться более высокими характеристиками, более длительным сроком службы и широким рабочим диапазоном. Кроме того, на системном уровне их способность легко складываться вместе означает, что полностью твердотельные батареи предлагают более высокие потенциальные возможности, чем литий-ионные, несмотря на то, что материалы батарей имеют схожую плотность энергии.

В совокупности эти атрибуты выводят твердотельные батареи на лидирующую позицию как наиболее многообещающую технологию для обеспечения наших будущих потребностей в энергии, будь то электромобили или энергосистемы.

За последние несколько лет произошло много исследований и разработок твердотельных батарей (см., Например, здесь и здесь), что неуклонно наращивало темпы их коммерциализации. Однако, как подробно описано в статье из бюллетеня ACerS Bulletin за сентябрь 2019 г., остаются серьезные проблемы, в том числе разработка более масштабируемых производственных процессов, прежде чем полностью твердотельные батареи смогут получить свое.

Аналогичные настроения отражены в обзорной статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology , в которой наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) излагают план исследования, в котором подробно описаны четыре оставшиеся проблемы, которые необходимо решить, прежде чем твердотельные батареи станут коммерческими. потенциал.

1. Создание стабильных интерфейсов с твердыми электролитами

2. Разработать новые инструменты для определения характеристик твердотельных батарей

3.Разработка масштабируемого и экономичного производства

4. Конструирование аккумуляторов для вторичной переработки

«Очень важно сделать шаг назад и подумать о том, как решать эти проблемы одновременно, потому что все они взаимосвязаны», — говорит Ширли Мэн, профессор наноинженерии в Школе инженерии Джейкобса Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в пресс-релизе UCSD. «Если мы собираемся оправдать обещание о полностью твердотельных батареях, мы должны найти решения, которые одновременно решают все эти проблемы.”

Создание стабильных интерфейсов с твердыми электролитами

Хотя исследователи разработали различные материалы для аккумуляторов с достаточно высокой ионной проводимостью, плохая межфазная стабильность по-прежнему ограничивает их использование в полностью твердотельных аккумуляторах.

«На этом этапе мы должны сместить наше внимание с погони за более высокой ионной проводимостью. Вместо этого мы должны сосредоточиться на стабильности между твердотельными электролитами и электродами », — говорит Мэн в пресс-релизе.

В частности, эта стабильность подвергается сомнению из-за реакций между катодным и анодным электродами и твердотельным электролитом, которые вызывают потерю напряжения и снижают способность к выработке энергии, что приводит к плохой работе батареи.

Одним из возможных решений для смягчения этих межфазных реакций является включение тонкого материала покрытия между электродами и электролитом, и различные такие стратегии показали некоторый успех в предыдущих исследованиях. Однако «Несмотря на эти результаты, до сих пор нет единого мнения о том, как выбирать материалы для защитных покрытий», — пишут авторы UCSD в статье.

Другое возможное решение — умеренность — вместо того, чтобы выбирать электролит с наивысшей ионной проводимостью, исследователи предполагают, что электролиты с более умеренной ионной проводимостью, но с лучшей межфазной стабильностью, могут обеспечить лучшую производительность батареи в целом.

Создание новых инструментов для определения характеристик твердотельных батарей

Несмотря на то, что твердый электролит полностью твердотельных аккумуляторов полезен для безопасности и рабочих характеристик батарей, он представляет собой серьезную проблему, когда дело доходит до характеристики этих аккумуляторов в процессе эксплуатации — методы, традиционно используемые для проверки прозрачных электролитов литий-ионных аккумуляторов, не позволяют адекватно визуализировать твердотельные и скрытые компоненты в твердотельных батареях.Кроме того, многие из этих материалов с твердыми электролитами чувствительны к источникам энергии методов тестирования, что еще больше усложняет анализ.

Ученые в настоящее время используют электрохимические методы, такие как гальваностатический цикл или импедансная спектроскопия, для исследования твердотельных батарей. «Однако такие методы ограничены, потому что они не могут предоставить элементарную или морфологическую информацию, которая жизненно важна для правильной оценки механизмов разрушения клеток», — пишут авторы в статье.

Другими словами, поскольку мы не можем должным образом заглянуть внутрь полностью твердотельных батарей во время работы, трудно проанализировать, почему они выходят из строя, или понять, что ограничивает их производительность.

Предыдущая работа показала некоторый успех в анализе с помощью рентгеновской компьютерной томографии, нейтронных методов, ядерно-магнитно-резонансной томографии, методов криогенного сфокусированного ионного пучка и спектроскопии, но способность этих методов адекватно характеризовать полностью твердотельные батареи сильно зависит на отдельных материалах батареи, и все перечисленные методы имеют определенные недостатки и ограничения.

По-прежнему необходимы более чувствительные и надежные стратегии для адекватной характеристики полностью твердотельных батарей в процессе эксплуатации — информация, необходимая для дальнейшего улучшения этой технологии и вывода ее на коммерческий уровень.

Разработка масштабируемого и экономичного производства

За последние несколько десятилетий исследований не было недостатка в лабораторных разработках батарей, в том числе для полностью твердотельных батарей. Тем не менее, подавляющее большинство этих открытий никогда не выходят за рамки лаборатории, потому что они слишком дороги или не могут быть произведены в больших масштабах — два компонента, критически важных для коммерческого успеха.

Это особенно верно для неорганических твердых электролитов, таких как керамика, которым часто не хватает необходимой механической стабильности при увеличении масштаба.

«Например, многие из них становятся очень хрупкими, если их сделать достаточно тонкими для производства рулонов, требующих толщины менее 30 микрометров», — говорится в пресс-релизе UCSD.

«Чтобы преодолеть такие ограничения, исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего объединяют несколько областей знаний», — говорится в сообщении. «Они сочетают керамику, используемую в традиционных науках о материалах, с полимерами, используемыми в органической химии, для разработки гибких и стабильных твердых электролитов, совместимых с масштабируемыми производственными процессами.Чтобы решить проблемы синтеза материалов, команда также сообщает, как материалы с твердыми электролитами можно масштабировать с помощью одностадийного производства без необходимости дополнительных этапов отжига ».

Дизайнерские батареи для вторичной переработки

Когда дело доходит до литий-ионных батарей, возможность вторичной переработки не является их сильной стороной. Это проблема с точки зрения устойчивого развития, а также с точки зрения материалов, поскольку она представляет собой потерю ценных материалов аккумуляторных батарей, таких как литий, кобальт и никель.

Поскольку полностью твердотельные батареи только приближаются к фазе коммерциализации своих разработок, исследователи UCSD утверждают, что для предотвращения тех же проблем, с которыми сталкиваются литий-ионные батареи, необходим подход в целом на основе устойчивого жизненного цикла. В своей статье они пишут: «… разумно разрабатывать потенциальные стратегии утилизации так, чтобы будущие производители [полностью твердотельных батарей] могли рассматривать ее как часть устойчивого производственного процесса от производства до утилизации».

Например, необходимо более эффективное регулирование для поощрения и обеспечения возможности переработки отходов как на уровне правительств и регулирующих органов, так и на уровне производителей.

Кроме того, более полная переработка всей батареи, а не только электродов, как это делается в настоящее время, предотвратила бы потерю материала и отходы. Улучшенные методы обработки также принесут пользу как продукту, так и циклу — вместо того, чтобы полностью разрушать материалы во время рециркуляции, методы сокращения требуемых этапов обработки также снизят затраты на энергию и обработку, лучше сохранят целостность материала и предотвратят потерю материала.

Чтобы улучшить возможность вторичной переработки полностью твердотельных батарей, необходимо решить множество проблем — аналогично ситуации, связанной с существующими препятствиями на пути коммерциализации батарей.

Вместе, однако, решения этих четырех проблем могут обеспечить последний толчок, который нужен твердотельным батареям, чтобы сделать наше будущее полностью возобновляемой энергии реальностью.

Как заключают авторы в статье, «нанотехнология сама по себе не может быть всеобъемлющей серебряной пулей для каждой проблемы, с которой сталкиваются [полностью твердотельные батареи], однако она, безусловно, становится средством для более глубокого понимания наноразмерных явлений, помогая лучшие стратегии проектирования, которые могут привести к улучшению материалов и производительности на уровне ячейки.”

Обзорная статья, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology , называется «От определения характеристик интерфейса в наномасштабе к устойчивому хранению энергии с использованием полностью твердотельных батарей» (DOI: 10.1038 / s41565-020-0657-x).

Расширенные возможности скорости в натриевой полностью твердотельной батарее на основе стеклокерамики

In situ Импедансная спектроскопия ASSB

Чтобы проверить эффективность предложенных подходов, мы изготовили пять ASSB (ячейки A – E) .Условия термообработки, состав катода и емкость батареи изготовленных элементов показаны в таблице S1 дополнительных материалов. Ячейка A была изготовлена таким же образом, как и в предыдущем исследовании ⁴¹. Для оценки влияния размера частиц стекла NFP Ячейка B была изготовлена с использованием измельченного стекла и β ″ -оксида алюминия и подвергнута термообработке в течение более короткого времени при низкой температуре 525 ° C. Ячейка C была изготовлена с увеличенным количеством проводящей добавки ацетиленовой сажи (AB).Ячейку D прокаливали с использованием подложки из β ″ -оксида алюминия с шероховатой поверхностью только на катодной стороне, а ячейку E кальцинировали с использованием подложки из β ”-оксида алюминия с шероховатостью обеих поверхностей; подробности об этой ячейке обсуждаются в разделе «Пористость подложки из β ″ -оксида алюминия и оптимизация проводящей добавки». На рисунке 1 показан график Найквиста ячейки A при комнатной температуре, полученный в тех же условиях, что и в предыдущем отчете ⁴¹. В первую очередь наблюдались три вида полукругов, классифицируемые как большие, средние и маленькие.Они могут быть представлены эквивалентными схемами с удельными сопротивлениями переноса заряда R1, R2 и R3 соответственно. Вклад удельного сопротивления подложки из β ″ -оксида алюминия в объемное сопротивление составляет всего 2,7 Ом · м (27 Ом с подложкой из β ″ -оксида алюминия толщиной 1 мм), и это значение настолько мало, что его нельзя наблюдать. в высокочастотной области на рис. 1. Основная составляющая сопротивления R1 может быть связана с сопротивлением переносу заряда на границе анод – твердый электролит.На рисунке компонент среднего удельного сопротивления R2 может быть отнесен к границе раздела между катодным слоем и подложкой из твердого электролита (поверхность раздела катод – твердый электролит), а большая компонента удельного сопротивления R3 возникает из-за удельного сопротивления границы раздела активного материала NFP в пределах катодная смесь и твердый электролит. Детали распределения компонентов удельного сопротивления на графике Найквиста полностью твердотельной батареи приведены в таблице S2.

Рис. 1

График Найквиста при комнатной температуре и разбивка каждого компонента сопротивления блока ASSB, изготовленного с помощью традиционной термообработки.

Измерение импеданса, то есть «спектроскопия операндо-импеданса», было выполнено для исследования этих компонентов сопротивления во время реакции заряда / разряда ^43,44. Данные импеданса непрерывно собираются во время процессов заряда / разряда. На рисунке 2 показаны результаты измерений операндной спектроскопии импеданса ячейки A.

Рисунок 2

Профили заряда / разряда и графики Найквиста, полученные с помощью метода in situ импеданса переменного тока для блока ASSB на основе NFP, и изменения во внутреннем сопротивление для каждого компонента.

Результаты измерения импеданса только что приготовленной ячейки А подтвердили существование трех полукругов. Однако, если импеданс динамически оценивается во время заряда / разряда, было бы трудно отличить его от составляющей удельного сопротивления R3, которая приписывается границе раздела катод-твердый электролит, поскольку наибольшая составляющая удельного сопротивления R4, относящаяся к катодной смеси , существенно различались. Таким образом, вклады от катодной смеси и границы раздела катод – твердый электролит рассматривались как одна комбинированная составляющая удельного сопротивления, приписываемая «катоду», и все кривые импеданса ячеек описывались двумя полукругами.Из измерений операндного импеданса, показанных на рис. 2, можно увидеть, что внутреннее сопротивление увеличивается, когда заряд / разряд завершается. Это большое отклонение, зависящее от глубины разряда, возникло из-за удельного сопротивления переноса заряда, которое приписывается «катоду». Это произошло из-за кристалла NFP, который является активным катодным материалом во время процесса заряда / разряда, по следующим причинам.

ионов Na высвободилось во время зарядки кристалла NFP, который является активным катодным материалом.Когда оно приближалось к напряжению окончания заряда, удельное сопротивление увеличивалось из-за высвобождения ионов Na из внутренней части частиц активного материала, а также из-за недостатка ионов Na, которые могли бы высвобождаться. С другой стороны, удельное сопротивление увеличивалось во время разряда из-за насыщения ионов Na внутри кристаллов NFP, поскольку ионы занимали пространство, в котором ионы Na могли перемещаться.

Кроме того, обратите внимание, что на кривой заряда / разряда может наблюдаться двухступенчатое изменение при 2,6 и 3 В.Считается, что изменение при 3 В связано с серией двухфазных реакций, а изменение при 2,5 В можно отнести к однофазной реакции ионов Na ⁴⁰. На графике зависимости удельного сопротивления от напряжения можно было наблюдать изменение удельного сопротивления между 2,5 и 3 В, когда механизм реакции переключался. Более того, во время процесса заряда / разряда наблюдался потенциальный гистерезис, как это обычно наблюдается при циклической вольтамперометрии. Эти большие значения удельного сопротивления возникли из-за R2, которое объясняется удельным сопротивлением переносу заряда катодной смеси и границей раздела катод – твердый электролит.Следовательно, снижение удельного сопротивления переносу заряда активного катодного материала имеет большое значение для улучшения выходных характеристик АБП.

Дополнительный рис. S1 показывает зависимость разряда от глубины для графиков Найквиста для ячеек A – E и неводной полуячейки для справки. На дополнительном рис. S2 показаны графики Найквиста на глубине разряда, на которой импеданс был самым низким во время процесса разряда. Результаты для всех ячеек согласуются с двумя полукруглыми компонентами, показанными на рис.1.

Таким образом, внутреннее сопротивление увеличивалось после завершения разряда, а удельное сопротивление активного материала зависело от глубины разряда. Когда гостевые ионы насыщали кристалл, сопротивление активного катодного материала увеличивалось.

Влияние размера частиц стекла NFP на внутреннее сопротивление

Что касается механизма кристаллизации стекла NFP, мы показали, что кристаллизация NFP происходит преимущественно с поверхности стекла, то есть поверхностная кристаллизация происходит в стекле NFP и Na ₂ MnP ₂ O ₇ стекло ^30,31,32,33.Во время кристаллизации, которая идет с поверхности стекла, стекло испытывает гетерогенное зародышеобразование. Чем больше количество образованных сайтов зародышеобразования, тем позже происходит стимуляция роста. То есть скорость кристаллизации, вероятно, может быть увеличена за счет уменьшения размера частиц и увеличения удельной поверхности стекла. Увеличение скорости кристаллизации позволяет применять термическую обработку при более низкой температуре. Кристалличность стекла, показывающая эту поверхностную кристаллизацию, пропорциональна удельной площади поверхности стеклянного порошка.Следовательно, для завершения кристаллизации при более низкой температуре и за более короткое время эффективно использовать мелкие частицы порошка активного катодного материала и твердого электролита. Дополнительный рис. S3 показывает изображения порошка стекла NFP и порошка β ″ -оксида алюминия, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Тонкие порошки как NFP, так и твердого раствора β ″ -оксида алюминия получали путем измельчения. Удельная поверхность, определенная методом Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ), также показана на рис.S3.

Дополнительный рис. S4 (a) показывает профили дифференциального термического анализа (ДТА) стеклянных порошков NFP с различными размерами частиц. Ясно, что экзотермический пик, сопровождающий кристаллизацию, смещается в область более низкой температуры в результате распыления. Она снижается на 54 ° C с 491 ° C до 437 ° C. Кроме того, заостряется пик кристаллизации. Острый пик свидетельствует о том, что кристаллизация поверхности завершилась в узком температурном диапазоне. Это связано с тем, что кристаллизации способствует увеличение удельной площади стеклянного порошка из-за увеличения вероятности кристаллизации после повышения температуры, а также количества центров зародышеобразования на поверхности.Посредством макротиповых измерений DTA ⁴⁵ мы смогли определить температуру T _d (точка деформации), при которой произошло сжатие стеклянного порошка после спекания, а также температуру T _s ( точка размягчения), при которой происходит размягчение и разжижение стекла. На рис. S4 (a) видно, что T _d и T _s были понижены на 39 ° C в результате измельчения. Из этих результатов можно сделать вывод, что увеличение площади поверхности частиц прекурсора из-за измельчения порошков благоприятно повлияло на размягчение и псевдоожижение порошка, а также на кристаллизацию стекла с точки зрения кинетики, таким образом делая возможен обжиг при более низкой температуре.

Катодный слой состоит из кристаллизованного NFP стекла в качестве активного катодного материала, β ″ -оксида алюминия в качестве твердого электролита и AB в качестве проводящего материала. На дополнительном рис. S4 (b) показан профиль ДТА этого катодного слоя. Как и ожидалось, пик кристаллизации смещается к низкой температуре из-за распыления.

Дополнительный рис. S5 показывает картины дифракции рентгеновских лучей катодного слоя для каждого катодного состава. Кристаллические фазы триклинного Na _3.12 Fe _2,44 (P ₂ O ₇) ₂ и β ″ -оксид алюминия были подтверждены, и на рентгенограммах не было обнаружено никаких других кристаллических пиков, что свидетельствует об отсутствии примесей. Эти результаты способствуют значительному снижению температуры прокаливания.

Дополнительный рис. S6 показывает изображения SEM и профили состава границы раздела между активным материалом и твердым электролитом в ASSB, прокаленных при 550 и 525 ° C. Наличие или отсутствие связи между NFP и β ″ -оксидом алюминия ясно из профиля кислорода.Обратите внимание, что 550 ° C для ячейки A — это температура термообработки, применявшаяся в предыдущем исследовании для ячейки A ⁴¹. Было подтверждено, что Na и P диффундируют в β ″ -оксид алюминия при этой температуре. Кроме того, ячейка B, которую подвергали термообработке при 525 ° C в течение короткого промежутка времени 30 минут, также хорошо спекалась, и диффузия Na и P подавлялась. В результате было продемонстрировано, что взаимная диффузия атомов на границе твердое тело – твердое тело между активным материалом и твердым электролитом может быть подавлена низкотемпературным / кратковременным прокаливанием.

На рисунке 3 показана зависимость каждой составляющей сопротивления от глубины разряда. Пики на 60% соответствуют изменению в механизме заряда / разряда, обсужденному на рис. 2. Было обнаружено, что сопротивление границы раздела между активным материалом и твердым электролитом значительно снижается на один порядок величины из-за распыления предшественник стеклянного порошка и термообработка при низкой температуре в течение короткого времени. Следовательно, электродный слой может быть сформирован при низкой температуре в течение короткого времени при измельчении стеклянного порошка-предшественника NFP, используемого в качестве материала катода.Этот процесс успешно увеличил количество путей проводимости, не подавляя ионную проводимость между активным материалом и твердым электролитом.

Рис. 3

Зависимость от состояния заряда каждого компонента сопротивления Ячеек ( a ) A и ( b ) B, полученных с использованием порошков катодного активного материала с различными размерами частиц.

Пористость поверхности подложки из β ″ -оксида алюминия и оптимизация проводящей добавки

Сопротивление ASSB было уменьшено за счет уменьшения размера частиц стекла-предшественника NFP и твердого раствора β ″ -оксида алюминия в катодном слое.Как показано на рис. 3 (b), есть возможности для улучшения подавления увеличения сопротивления, наблюдаемого на поздней стадии разряда. Для этого необходимо оптимизировать содержание AB, который является проводящей добавкой. Поскольку удельная поверхность увеличивается в результате измельчения кристаллов NFP и β ″ -оксида алюминия, доля AB, которая становится все более недостаточной с увеличением удельной поверхности, должна быть увеличена.

На рис. 4 показаны СЭМ-изображение и карты энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) составляющих элементов границы раздела катодного слоя ‒ β ″ -подложка из оксида алюминия ячейки C.Ячейку C получали увеличением содержания AB с 3,5 до 4,2 мас.% Перед прокаливанием. Было обнаружено, что NFP, β ″ -оксид алюминия и AB равномерно диспергированы в субмикронном масштабе в катодном слое ячейки C. Мы дополнительно увеличили содержание AB до 5 мас.% И провели прокаливание, но не спекание. Считается, что количество стекла-предшественника NFP было недостаточным. Следовательно, оптимальное соотношение материалов для катодного слоя в данном исследовании, возможно, NFP: β ″ -оксид алюминия: AB = 83,4: 12.4: 4.2.

Рис. 4

СЭМ-изображения катодного слоя и ЭДС-карты составляющих элементов.

Кроме того, использование шероховатой подложки из β ″ -оксида алюминия увеличило площадь контакта между катодным слоем и подложкой из оксида алюминия, что, как ожидается, уменьшит внутреннее сопротивление. На рис. 5 показаны поперечные сечения SEM-изображения шероховатой подложки из β ″ -оксида алюминия и соединения слоя NFP. Поверхность была придана шероховатой с использованием порообразующего материала. Понятно, что NFP проник в поры.Хотя придание подложке шероховатости эффективно увеличивает площадь контакта, оно также считается эффективным для создания более прочной физической связи на границе раздела за счет анкерного эффекта, который наблюдается в низкотемпературной керамике с совместным обжигом (LTCC). Отслаивание катодного материала от подложки из β ″ -оксида алюминия из-за его усадки во время спекания также может быть предотвращено за счет анкерного эффекта.

Рис. 5

СЭМ-изображения, полученные после образования шероховатой подложки из β ″ -оксида алюминия и катодного слоя.

Канамура и др. . ⁸ и Котобуки и др. . ⁴² предложил трехмерную керамику с твердым электролитом с использованием монодисперсных полистирольных сфер в качестве порообразователя для увеличения площади контакта между активным материалом и электролитом. Они применили этот метод к Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ и сообщили о проводимости 10 ⁻⁵ Scm ⁻¹ при комнатной температуре. Они также продемонстрировали работу ASSB, образованного в результате длительной твердотельной реакции с LiMn ₂ O ₄ в качестве катодного слоя при комнатной температуре, хотя и со скоростью всего 1/100 C.Хотя твердый электролит с расположением монодисперсных пор способствует увеличению площади контакта, структура и производственный процесс, вероятно, будут сложными. Однако этот метод является многообещающим, если химическая реакция может подавить взаимодействия между активным материалом и твердым электролитом во время термообработки, подобной этому исследованию.

Как описано ранее, внутреннее сопротивление было дополнительно уменьшено за счет оптимизации состава катодного слоя и придания шероховатости подложке из твердого электролита.На рис. 6 показана зависимость внутреннего сопротивления от глубины во время процесса разряда для элементов B – E. Внутреннее сопротивление ячеек было уменьшено с 331 Ом до 120 Ом с оптимизацией проводящей добавки. Кроме того, за счет придания шероховатости твердому электролиту, используемому в качестве подложки, мы снизили внутреннее сопротивление ячейки, использованной в предыдущем исследовании, примерно в 30 раз с 3929 Ом до 120 Ом. Это значение сопоставимо с внутренним сопротивлением ASSB на основе сульфидов ¹². Электропроводность β ″ -оксида алюминия составляет 10 ⁻³ См · см ⁻¹ при комнатной температуре ⁴⁶, а толщина подложки из β ″ -оксида алюминия составляет 1 мм, как в настоящем исследовании.Следовательно, есть место для дальнейшего снижения внутреннего сопротивления.

Рис. 6

Оптимизация аддитивов AB и зависимость внутреннего сопротивления аккумуляторов с шероховатой подложкой из β ″ -оксида алюминия от глубины разряда.

Скоростные характеристики и работа при низких температурах

Два различных предложенных подхода оказались эффективными для снижения внутреннего сопротивления оксидного ASSB. Поскольку в наших предыдущих исследованиях мы уже продемонстрировали очень хорошую циклическую стабильность ASSB при комнатной температуре, нет никаких опасений относительно срока службы батареи ⁴¹.Соответственно, мы сделали акцент на скоростных характеристиках. На рис. 7 (a – d) показан профиль заряда / разряда и зависимость емкости заряда / разряда от скорости при комнатной температуре при различных скоростях заряда (от 0,2 C до 2 C) элемента C, используемого в качестве репрезентативного элемента, поскольку его внутреннее сопротивление было успешно уменьшено. Для сравнения также показаны результаты для ячейки A. При уменьшении внутреннего сопротивления была получена разрядная емкость 61 мАч / г при 2 ° С, что соответствует 63% от теоретической емкости 97 мАч / г.Ранее АССБ на основе сульфидов с использованием LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ в качестве катода оценивали при комнатной температуре, и его емкость, как сообщалось, составляла примерно одну треть. разрядной емкости при 0,15 ° C ¹². Хотя конфигурация батареи ASSB на основе сульфида полностью отличается от конфигурации наших ячеек, если это значение считается эталоном, то характеристики батареи C являются удовлетворительными и многообещающими.Таким образом, увеличивая площадь границы раздела за счет измельчения катодного материала, нам удалось увеличить количество диффузионных путей для ионов и электронов, тем самым реализовав заряд / разряд с большим током. Кроме того, расстояние диффузии в активном материале также было сокращено за счет измельчения катодного материала, что могло быть причиной улучшенных характеристик ввода / вывода.

Рисунок 7

Скоростные характеристики изготовленных ячеек при каждой температуре: ( a ) Профиль разряда ячейки A при 30 ° C и 0.01 C и 0,1 C, ( b ) профиль заряда / разряда элемента C при 30 ° C, ( c ) номер цикла элемента C при 30 ° C, ( d ) C зависимость заряда от скорости / разрядная емкость элементов A и C при 30 ° C, ( e ) профиль заряда / разряда элемента C при более низких температурах и (f ) C зависимость разрядной емкости от скорости при каждой температуре.

Кроме того, как показано на Рис. 7 (d), характеристики зарядки очень хорошие, а емкость зарядки составляет 85 единиц.6 мАч / г при 2 C. Это значение составляет 88% от теоретической емкости, что указывает на то, что реализована быстрая зарядка. Причина такого результата в том, что внутреннее сопротивление аккумулятора составляет 234 Ом во время разряда, тогда как оно составляет 215 Ом во время зарядки. Таким образом, считается, что кристаллы NFP демонстрируют отличные характеристики удаления ионов Na при зарядке. Кроме того, катод NFP в ASSB достаточно стабилен, чтобы выдерживать перезаряд до 9 В ⁴¹, а безопасность может быть гарантирована путем увеличения напряжения отключения, даже если аккумулятор заряжается быстрее.

Мы дополнительно оценили характеристики заряда / разряда при более низких температурах. На рис. 7 (e, f) показаны профили заряда / разряда и скоростные характеристики при 0 и −20 ° C соответственно. Максимальная разрядная емкость 58 мАч / г при 0,2 ° C была получена при 0 ° C, а максимальная разрядная емкость 50 мАч / г была получена при 0,1 ° C при -20 ° C. Все элементы были оценены в режиме постоянного тока, и есть возможность для дальнейшего увеличения этого значения, изменив процесс зарядки.

Прототип карманной ячейки с катодной площадью 25.2 см ² на основе ячейки C (площадь катода 1 см ²) был построен для подтверждения практичности ячейки. Емкость площади катода в пакетной ячейке оказалась равной 0,31 мАч / см ², а общая емкость карманной ячейки составила 7,7 мАч. Как показано на дополнительном рис. S7, минимальное внутреннее сопротивление для процесса разряда ячейки пакета составляет 8,2 Ом, а сопротивление листа составляет 206 Ом см ², как и у ячейки C (234 Ом).

Рисунок 8 и дополнительное видео 1 демонстрируют работу ячейки пакета при 0 ° C.Видно, что мотор работает даже ниже точки замерзания воды. Таким образом, можно ожидать, что наш Na-ASSB будет работать в холодных регионах из-за его низкого сопротивления. Это очень важный результат, потому что оксидный твердый электролит имеет низкую ионную проводимость ⁴⁷ и трудно эксплуатировать оксидный ASSB при комнатной температуре ⁴⁸ из-за образования гетерогенного слоя на границе раздела между твердым электролитом и электролитом. активный электродный материал в процессе прокаливания ⁴⁹.

Рис. 8

Испытание работы двигателя мешочной ячейки на основе ячейки C при 0 ° C: ( a ) оптическое изображение электрического вентилятора, питаемого от стеклокерамического | β ″ -оксида алюминия | Na мешочной ячейки NFP ( емкость ячейки 7,7 мАч и емкость 0,31 мАч / см ²) зажатый между двумя ледяными блоками, как показано в дополнительном видео, ( b ) схематическая иллюстрация ячейки пакета.

Като и др. . сообщили, что LIB с сульфидным электролитом или жидким электролитом имеют отличные выходные характеристики, поскольку их внутреннее сопротивление составляет около 10 Ом ⁹.Нам удалось снизить внутреннее сопротивление Na-ASSB на основе оксида и пояснить, что его характеристики сопоставимы с характеристиками Li-ASSB на основе сульфида. Взаимосвязь между характеристиками скорости и внутренним сопротивлением суммирована в таблице 1, из которой очевидно, что разрядная емкость с высокой скоростью улучшается по мере уменьшения внутреннего сопротивления. Это первое сообщение о Na-ASSB на основе оксида с такими хорошими характеристиками. Таким образом, скоростные характеристики, представленные на рис.7, вероятно, будут использоваться в качестве будущих тестов.

Таблица 1 Номинальные характеристики и внутреннее сопротивление ASSB.

Решил ли QuantumScape проблему с батареей, которой уже 40 лет?

Если электромобили когда-либо собираются полностью вытеснить на дорогах мира газовых пожирателей, им понадобится аккумулятор совершенно нового типа. Несмотря на неуклонное улучшение за последнее десятилетие плотности энергии и срока службы литий-ионных батарей, элементы в новых электромобилях по-прежнему отстают от двигателей внутреннего сгорания практически по всем показателям производительности.Большинство электромобилей имеют дальность действия менее 300 миль, для зарядки их аккумуляторных блоков требуется более часа, элементы теряют почти треть своей емкости в течение десятилетия и представляют серьезную угрозу безопасности из-за их легковоспламеняющихся материалов.

Решение этих проблем известно на протяжении десятилетий: оно называется твердотельной батареей, и оно основано на обманчиво простой идее. Вместо обычного жидкого электролита — вещества, которое переносит ионы лития между электродами — он использует твердый элоктролит.Кроме того, отрицательная клемма батареи, называемая ее анодом, сделана из чистого металлического лития. Эта комбинация направит его плотность энергии через крышу, обеспечит сверхбыструю зарядку и устранит риск возгорания аккумулятора. Но в течение последних 40 лет никому не удавалось создать твердотельную батарею, которая соответствовала бы этому обещанию — до тех пор, пока в начале этого года не стало секретным стартапом QuantumScape, который заявил, что решил проблему. Теперь у него есть данные, подтверждающие это.

Во вторник впервые соучредитель и генеральный директор QuantumScape Джагдип Сингх публично обнародовал результаты испытаний твердотельной батареи компании.Сингх говорит, что батарея решила все основные проблемы, которые преследовали твердотельные батареи в прошлом, такие как невероятно короткий срок службы и низкая скорость зарядки. Согласно данным QuantumScape, его ячейка может заряжаться до 80 процентов емкости за 15 минут, она сохраняет более 80 процентов своей емкости после 800 циклов зарядки, она негорючая, а ее объемная плотность энергии превышает 1000 ватт-часов на литр на уровне элементов, что почти вдвое превышает удельную энергию литий-ионных аккумуляторов верхнего уровня.

«Мы думаем, что мы первые, кто решит твердотельные решения», — сказал Сингх WIRED перед объявлением. «Никакие другие твердотельные системы не могут сравниться с этим».

Элемент батареи QuantumScape размером и толщиной с игральную карту. Его катод, или положительный вывод, сделан из никель-марганцево-кобальтового оксида, или NMC, который сегодня является обычным химическим составом для электромобилей. Его отрицательный электрод, или анод, сделан из чистого металлического лития, но точнее будет сказать, что у него вообще нет анода, поскольку он изготовлен без него.Когда батарея разряжается во время использования, весь литий течет с анода на катод. Свободное место на анодной стороне — тоньше человеческого волоса — временно сжимается, как гармошка. Процесс меняется на противоположный, когда батарея заряжается, и ионы лития снова наводняют анодное пространство.

«Эта безанодная конструкция важна, потому что это, вероятно, единственный способ, которым сегодня можно производить литий-металлические батареи с существующими производственными мощностями», — говорит Венкат Вишванатан, инженер-механик, работающий над литий-металлическими батареями в Университете Карнеги-Меллона и технический советник QuantumScape.«Без анода было большой проблемой для сообщества».

Простой метод изготовления гибких листов электролита на керамической основе для литий-металлических батарей

В ближайшем будущем литий-металлические батареи с гибким листом электролита LLZO могут быть использованы в современных электромобилях (электромобилях). Предоставлено: Токийский столичный университет.

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый метод изготовления гибких электролитных листов на керамической основе для литий-металлических батарей.Они объединили керамику типа граната, полимерное связующее и ионную жидкость, создав квазитвердый листовой электролит. Синтез осуществляется при комнатной температуре и требует значительно меньше энергии, чем существующие высокотемпературные (> 1000 ° C) процессы. Он работает в широком диапазоне температур, что делает его многообещающим электролитом для аккумуляторов, например, в электромобилях.

Ископаемое топливо обеспечивает большую часть мировых потребностей в энергии, включая электричество.Но ископаемое топливо заканчивается, и его сжигание также приводит к прямым выбросам в атмосферу углекислого газа и других загрязняющих веществ, таких как токсичные оксиды азота. В мире существует потребность в переходе на более чистые возобновляемые источники энергии. Но основные источники возобновляемой энергии, такие как ветер и солнечная энергия, часто работают с перебоями: ветер дует не постоянно, а солнце не светит ночью. Таким образом, необходимы современные системы хранения энергии для более эффективного использования возобновляемых периодических источников.Литий-ионные батареи оказали глубокое влияние на современное общество, питая широкий спектр портативной электроники и приборов, таких как беспроводные пылесосы, с момента их коммерциализации Sony в 1991 году. Но использование этих батарей в электромобилях (электромобилях) по-прежнему требует существенного улучшения емкость и безопасность современной литий-ионной технологии.

Это привело к возрождению исследовательского интереса к литий-металлическим батареям: литий-металлические аноды имеют гораздо более высокую теоретическую емкость, чем графитовые аноды, которые сейчас используются в коммерческих целях.По-прежнему существуют технологические препятствия, связанные с анодами из металлического лития. Например, в батареях на жидкой основе могут расти дендриты лития (или рукава), что может вызвать короткое замыкание батареи и даже привести к пожарам и взрывам. Вот где пришли твердотельные неорганические электролиты: они значительно безопаснее, а керамика гранатового типа (тип структуры) Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂, более известная как LLZO, является в настоящее время широко рассматривается как многообещающий твердотельный электролит из-за его высокой ионной проводимости и совместимости с металлическим литием.Однако для производства электролитов LLZO с высокой плотностью требуются очень высокие температуры спекания, достигающие 1200 ° C. Это неэффективно с точки зрения энергии и требует много времени, что затрудняет крупномасштабное производство электролитов LLZO. Кроме того, плохой физический контакт между хрупкими электролитами LLZO и материалами электродов обычно приводит к высокому межфазному сопротивлению, что значительно ограничивает их применение в полностью твердотельных литий-металлических батареях.

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый метод изготовления гибких электролитных листов на керамической основе для литий-металлических батарей.Они объединили керамику типа граната, полимерное связующее и ионную жидкость, создав квазитвердотельный листовой электролит. Синтез осуществляется при комнатной температуре и требует значительно меньше энергии, чем существующие высокотемпературные (> 1000 ° C) процессы. Он работает в широком диапазоне температур, что делает его многообещающим электролитом для аккумуляторов, например, в электрические транспортные средства. Предоставлено: Токийский столичный университет

Таким образом, группа под руководством профессора Киёси Канамура из Токийского столичного университета приступила к разработке гибкого композитного листового электролита из LLZO, который можно производить при комнатной температуре.Они выливают керамическую суспензию LLZO на тонкую полимерную основу, как масло, намазываемое на тосты. После сушки в вакуумной печи листовой электролит толщиной 75 микрон был пропитан ионной жидкостью (ИЖ) для улучшения его ионной проводимости. ИЖ — это соли, которые являются жидкими при комнатной температуре, известны своей высокой проводимостью, но при этом почти негорючие и нелетучие. Внутри листов ИЖ успешно заполняла микроскопические щели в структуре и перекрывала частицы LLZO, создавая эффективный путь для ионов лития.Они также эффективно снижают межфазное сопротивление на катоде. При дальнейшем исследовании они обнаружили, что ионы лития диффундируют как через частицы IL, так и через частицы LLZO в структуре, что подчеркивает роль, которую играют оба. Синтез прост и подходит для промышленного производства: весь процесс осуществляется при комнатной температуре без необходимости высокотемпературного спекания.

Команда утверждает, что механическая прочность и работоспособность гибкого композитного листа в широком диапазоне температур делает его многообещающим электролитом для литий-металлических батарей.Предоставлено: Токийский столичный университет.

Несмотря на то, что проблемы остаются, команда утверждает, что механическая прочность и работоспособность гибкого композитного листа в широком диапазоне температур делает его многообещающим электролитом для литий-металлических батарей. Простота этого нового метода синтеза может означать, что мы увидим на рынке литий-металлические батареи большой емкости раньше, чем мы думаем.

Инновационный метод повышает безопасность литий-серных батарей

Дополнительная информация: Эрик Цзяньфенг Ченг и др., Гибкий листовой электролит на керамической основе для литиевых батарей, ACS Applied Materials & Interfaces (2020).DOI: 10.1021 / acsami.9b21251

Предоставлено Токийский столичный университет

Ссылка : Простой метод изготовления гибких листов электролита на керамической основе для литий-металлических батарей (13 апреля 2020 г.) получено 1 ноября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2020-04-простой-метод-керамический-гибкий-электролит.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Тестирование литиево-керамических батарей (LCB)

Доступные по цене твердотельные батареи, достаточно большие для сотовых телефонов и дронов, обещались давно, но, похоже, до их производства всегда оставалось несколько лет.В данном случае компания Prologium, базирующаяся в Тайване, отправила [GreatScott] образцы своих литиево-керамических батарей (LCB) для тестирования, и хотя они еще не являются коммерческими продуктами, кто мы такие, чтобы отказываться от взгляда на то, чем они занимались? Ему прислали два типа: гибкие (FLCB) и жесткие (PLCB) большей емкости.

FLCB были рассчитаны на 100 мАч и всего 2 ° C, оба значения небольшие, но все же полезны для носимых устройств, особенно с учетом их гибкости. Проведя разрушительные испытания, ему удалось сохранить горящий светодиод, при этом сгибая батарею и отрезая ее ножницами.

Переключившись на более толстый PLCB 7,31 Вт · ч, он измерил и взвесил его, чтобы получить плотность энергии 258 Вт · ч / л и удельную энергию 118 Вт · ч / кг, что всего на 2/3 и 1/2 от его LiPo и литиевого сплава. ионные батареи. При повторении разрушающих испытаний с ними светодиод выключился и появился дым при прорезании и вбивании гвоздя, вероятно, из-за короткого замыкания, вызванного токопроводящими ножницами из олова и гвоздем. Но как только ножницы и гвоздь были убраны, дым прекратился, и снова загорелся светодиод.Из-за перезарядки и короткого замыкания батарей припой, соединяющий провода с ними, расплавился, но больше ничего не произошло. Быстрая разрядка через резистор приводила только к постепенному падению напряжения. Очевидно, что эти батареи намного безопаснее, чем их LiPo и литий-ионные аналоги. Эта безопасность и их гибкость кажутся их нынешними главными аргументами, если они станут доступными для нас, хакеров. Посмотрите его тесты на видео ниже.

Между тем, нам придется довольствоваться случайными дразнящими отчетами из лабораторий, таких как этот, из Массачусетского технологического института, о длительном сроке службы батареи, а также от одного из соавторов литий-ионной батареи, в которой используется стеклянный электролит.

Обзор композитных полимерно-керамических электролитов для литиевых батарей

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.10.006Получить права и контент

Основные моменты

•: Современное состояние рассмотрены композиционные полимерно-керамические электролиты Li ⁺ -ион.
•: Обсуждается корреляция структуры и свойств полимер-керамических композитов.
•: Выделены направления будущих исследований композитных полимерно-керамических электролитов.

Abstract

Все твердотельные литиевые батареи привлекают внимание как в академических кругах, так и в промышленности. Литий-ионные проводящие полимеры и литий-ионная проводящая керамика — это два основных класса твердых электролитов, которые широко используются в течение многих лет. Однако у каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Одним из подходов к преодолению недостатков и максимальному использованию каждого из этих материалов является твердый композитный электролит, сочетающий в себе преимущества неорганических керамических электролитов и твердых полимерных электролитов.Такие композитные электролиты могут обладать приемлемой ионной проводимостью, высокой механической прочностью и благоприятным межфазным контактом с электродами, что может значительно улучшить электрохимические характеристики полностью твердотельных батарей по сравнению с элементами, основанными только на полимерном электролите или только на керамическом электролите. В этом обзоре мы представляем современные композитные полимерно-керамические электролиты с учетом их электрохимических и физических свойств для применения в литиевых батареях.Обзор в основном охватывает полимерные матрицы, различные керамические наполнители и композитные системы полимер / керамика. В частности, подробно обсуждаются структуры, ионная проводимость, электрохимическая / химическая стабильность и изготовление твердых композитных электролитов. На основе предыдущей работы выделена перспектива будущих направлений исследований для разработки высокоэффективных композитных полимерно-керамических электролитов.

Ключевые слова

Электрохимический накопитель энергии

Литиевые батареи

Полимерно-керамический композит

Твердый электролит

Литий-ионная проводимость

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст