Про акумулятори, або повний гайд

Так які ж бувають акумулятори і який потрібен саме вам? Тип, вага, щільність енергії, надійність, кількість циклів заряду-розряду, температурні диапазони роботи акумулятора.

Почнемо з самого початку, для загального розуміння треба пояснити, що ж означає це слово і чому саме. Слово «акумулятор» має походження від латинського дієслова accumulāre і означає, умовно кажучи "збирати, накопичувати". Фактично даний термін використовується у нас в Україні майже виключно для позначення електричних пристроїв, здатних накопичувати і віддавати енергію, але ж є і інші: наприклад бойлер сміливо можна назвати акумулятором тепла (гарячої води), батареї, особливо чавунні теж акумулюють тепло, в холодильнику лежить банальний пакет з гелем і це є акумулятор холоду...
Нас цікавлять акумулятори, АКБ, акумуляторні батареї та їх технології (виробництва, характеристики акумуляторів, хімія, тощо). Стаття не є науковою, але відображає думку автора, який свого часу намагався розібратись в даній темі у зв'язку з ситуацією в країні.
Також розглянемо, які ж акумулятори підійдуть вам для використання вдома разом з інвертором, враховуючи ситуацію в енергетиці і перспективи. 

Свинцево-кислотні акумулятори:

наразі найбільш розповсюджений тип за рахунок використання на автомобілях в якості стартерних батарей і навіть на електромобілях для підтримки роботи бортової мережі. Ага, так і є, автомобілі, маючи на борту 70кВт/г використовують ще й ці "застарілі" типи АКБ, але на те є свої особливі вимоги і фізична складність (дороговизна) реалізації, а саме високовольтна архітектура. Не будемо на цьому зупинятись. Розпишемо плюси, мінуси та принцип побудови:
- Звичайні АКБ (WET/Flooded) — з рідким електролітом, треба доливати воду
- AGM акумулятори (Absorbent Glass Mat) — електроліт всмоктаний в скловолокно, не обслуговуються
- GEL — електроліт у вигляді гелю
- EFB (Enhanced Flooded Battery) - ну фактично це такий компроміс між найстарішим типом батарей і AGM, в принципі підходять для систем СТАРТ-СТОП автомобілю, часто використовуються в вантажівках, але мають менше циклів і гіршу надійність ніж AGM.
Окрім зазначеного визначимо основні ключові характеристики кислотних акумуляторів:
 - Напруга: 2V на елемент (12V акумулятор це 6 елементів)
- Енергощільність: 30-50 Вт·год/кг
- Цикли заряду: 200-300 (звичайні), 500-800 (AGM/GEL)
- Саморозряд: 3-20% на місяць
- Температурний діапазон: -20°C до +50°C
Переваги:
✅ Свинцево-кислотні АКБ на сьогодні найдешевші
✅ Високий пусковий струм (підходять для запуску авто)
✅ Надійні, перевірені десятиліттями
✅ Не вибухають при перезарядці (тільки виділяють газ)
Недоліки:
❌ Свинцові акумулятори дуже важкі
❌ Мало циклів заряду у порівнянні з сучасними 
❌ Повільна зарядка (8-12 годин), зазвичай нормальний ток заряду для даного типу є 0,1С - тобто 10% відсотків його ємності. Акумулятор 60 Аг треба заряджати током 6 Ампер, умовно, зважаючи на наявність вже інтелектуальних зарядок, які самі визначають потрібний ток
❌ Не люблять глибокого розряду - втрачають хімічні властивості
❌ Токсичні (свинець)
Де використовуються: переважно автомобілі з ДВЗ, також електромобілі для заживлення бортової мережі, ДБЖ (UPS), великі накопичувачі для сонячних електростанцій, невеликі електричні спеціальні машини (гольф-кари, навантажувачі, тощо). 

Нікель-кадмієві (NiCd) та Нікель-металгідридні (NiMH)

Надовго на даних типах акумуляторів зупинятись не будемо, зважаючи, що ці пристрої майже не використовуються. Але, хотілось би зауважити, що НІКЕЛЬ-КАДМІЄВІ батарейки винайдені ще у 1899 році і мають досить пристойні показники по кількості циклів заряду-розряду, 1000-1500, але при цьому високий саморозряд 10-20% на місяць, працюють на морозі аж до -40°С, завдяки чому використовувались на літаках, але зараз майже не випускаються, зважаючи на негативні фактори. НІКЕЛЬ-МЕТАЛГІДРИДНІ ж мають вищу енергощільність, завдяки чому використовувались раніше на старих гібридних моделях авто, отримали широке розповсюдження в пальчикових акумуляторах та старих моделях кнопкових телефонів. Також з недоліків варто відмітити високий саморозряд, наявність "ефекту пам'яті" (коли батарея не розряджається до кінця, вона втрачає ємність), не люблять перезаряд та перегрів. Одним словом - це були рішення для свого часу, а наразі вони не актуальні. 

Найрозповсюдженіші акумулятори нашого часу - літій-іонні акумулятори. 

Насправді ці АКБ розроблялись ще з 1970-х років і були нестабільні, а перший комерційний стабільний зразок випущений компанією SONY у 1991 році. На сьогодні Li-Ion постіно вдосконалюються і не збираються уходити з ринку. Крім того літій-іонні акумулятори це просто узагальнене визначення, а насправді вони розподіляються в першу чергу по типу хімії, де основою, все-ж таки є літій.
До речі, відомі аккумулятори 18650 теж є літій-іонними. І на них робліть лампы на акумуляторі, ліхтарик на акумуляторі. Для чого тільки їх не використовують, адже це найпопулярніший формат. Але мають різну хімію у складі, не будемо зупинятись на цьому дуже детально. 
Дивимось схему:

Проговоримо за найрозповсюдженіші типи акумуляторів по черзі (як мініму ті, які ви можете придбати або зустріти в приладах, засобах пересування, накопичення, тощо).

Літій-Нікель-Марганець-Кобальт акумулятори або LiNMC - найпоширеніший тип, які всі і називають літій-іонними

- використання таких акумуляторів: портативна електроника, а саме: смартфони, ноутбуки, планшети. Дрони, гіроборди, моноколесо за рахунок найвищої щільності енергії, балансу безпеки та ціни
 - щільність енергії LiNMC: 150-200 Вт·год/кг 🔥 одна з найвищих серед усіх існуючих на даний момент
 - кількість циклів акумулятора Li: прийнято вважати як 500-1000, але вони працюють і втрачають близько 20% ємності за 1000–2000 циклів (при 25°C)
 - Робоча напруга: 3.6-3.7V
Переваги:
✅ Баланс: енергія, довговічність, ціна, безпека
✅ від 2000 до 3000+ циклів заряду-розряду до зниження ємності на 20-30%
✅ Легкі - саме вони на сьогодні використовуються в будь-якій техніці, яка літає, бо вага дуже важлива
✅ Швидка зарядка - можна заряджати током від 0,5 до 1С (50-100% ємності)
✅ Ідеальні для електротехніки, яка працює на вулиці,  електроінструменту. Їх використовують такі бренди як Makita, Bosch, DeWalt
Частка ринку акумуляторів NMC на сьогодні складає 40-45% серед усіх LiION батерей. 
Недоліки:
❌ Нестабільні - ризик перегріву та «теплового розгону», що може призвести до займання і пожежі
❌ Працюють при мінусі -20°С, але не заряджаються, тому, наприклад в електромобілях потребують термоменеджменту (підігріву)
Цей аккумулятор може існувати у відомому форматі li ion 26650, який більший за розмірами ніж його брат 18650, а тому має більшу ємність і потужність. Також аккумулятори 21700 набирають зараз популярність, за рахунок іншого, більшого формату. 

LiCoO₂ (Кобальт) поступово витісняється з ринку

Недоліки акумуляторів: 
❌ Кобальт дорожчає ($30k → $80k за тонну з 2020) і даний тип стає неконкурентним по ціні
❌ Менш безпечний (горить легше за NMC)
❌ Чутливий до перегріву та перезарядки, нижчий життєвий цикл ніж у LiNMC
В іншому кобальтові акумулятори схожі, але поступаються характеристиками LiNMC.

LiFePO₄ (Літій-Залізо-Фосфатні) мабуть найпопулярніші в Україні в період блекаутів

Давайте про них детально. Зважаючи на ситуацію в країні у період 2022-2026 років українцям довелось стикнутись з періодичною відсутністю енергопостачання. Тут ми всі і почали розбиратись в акумуляторних батареях і, виявилось, що LiFePO4 і є тою самою золотою серединою за параметрами функціональність-довговічність-ціна-якість. Широке використання даного типу обумовлене по-перше їх безпечністю, а також кількістю життєвих циклів. 
Використання:

- Електротранспорт: електромобілі, мотоцикли, скутери, гіроборди, моноколеса, електричні автобуси.. Це найбільший сегмент ринку, коли не так важлива вага як безпека і кількість циклів аккумулятора. Автовиробник BYD розробляє і постійно удосконалює літій залізо фосфат, підвищує їх характеристики і основна маса моделей цього виробника працює саме від них. Tesla (Model 3/Y) - базові версії працють від LFP
- Системи накопичення енергії (ESS) та СЕС - в даному випадку також не важлива вага та об'єм, а важлива саме роботоспроможність протягом довгого часу. 
Сонячні електростанції заряджають батареї вдень,а вночі дають використовувати накопичену енергію. Саме тому LFP в даному випадку це стандарт
- Домашні накопичувачі: всім відомі EcoFlow та Blueti. Ще їх називають зарядними станціями, фактично це пристрій all-in-one, який вміє заряджатись і одночасно віддавати енергію, працювати в режимі джерела безперебійного живлення. Вони стали спасінням в умовах блекаутів, коли потрібно швидко зарядити пристрій, щоби він працював годинами. 
- Окремо хочу винести систему домашнього живлення інвертор+панелі(або без них)+LFP. Особисто мною була зроблена збірка з комірок EVE на 24V ємністю 2,8кВт/г, яка працює в парі з інвертором Vevor. На трикімнатну квартиру (4 людини) цього вистачає при економному використанні до 10 годин, заряджається ж ця збірка током 0,5С за дві години. Про це - тут детально
-Телекомунікації - для підтримання роботи станцій стільникового зв'язку, медичне обладнання - життєво необхідне живлення, електронавантажувачі, рокли та штабелери, спецтехніка та водний транспорт, Кемпінг -  живлення будинків на колесах (RV) та автономних таборів. На даному етапі LFP найкращі акумулятори для більшості сфер життя. 
Переваги:
✅ Дуже безпечні, не горять, не випаровують шкідливих речовин, можна застовувати в житлових приміщеннях, вибухобезпечні
✅ Багато циклів
✅ Працюють на морозі краще, ніж основний конкурент
Недоліки:
❌ Менша енергощільність, що не дозволяє використовувати їх там, де важлива вага, наприклад в дронах
❌ Нижча напруга ніж у конкурента - 3.2V замість 3.7V
АКБ lifepo4 12v 100ah - мабуть найпоширеніший зараз формат в Україні під час загроз блекаутів 2022-2026. 

ЛІТІЙ-ПОЛІМЕРНІ (Li-Po): відмінність від Li-ion:

Замість рідкого електроліту - полімерний гель. АКБ Можна робити будь-якої форми, т.я вони тонкі і гнучкі
Характеристики: Напруга: 3.7V Енергощільність: 150-250 Вт·год/кг
Цикли: 300-500 набагато менше ніж Li-ion
Переваги:
✅ Легші за Li-ion на 10-20%, тому гарно підходять до техніки, яка літає
✅ Будь-яка форма (тонкі смартфони)
✅ Мінімальний саморозряд
Недоліки:
❌ Дорожчі за конкурентів
❌ Менше циклів ніж у конкурентів
❌ ЩЕ небезпечніші  ніж LiNMC — роздуваються, горять легше
❌ Не люблять перезаряд взагалі
Де використовуються завдяки своїм характеристикам: Дрони, радіокеровані моделі (RC), ультратонкі смартфони, навушники TWS, смартгодинники

Твердотільні літій-металеві акумулятори Solid-State - це майбутнє

Характеристики цих батарей просто неймовірні, адже виробники обіцяють небачену енергощільність в 400-500 Вт·год/кг, що перевищує всі існуючі на ринку акуми. Понад 5000 циклів заряду-розряду, зарядка до 80% за 10-15 хвилин, як вам для електрокарів? На сьогодні даний тип знаходиться в розробці, вже були спроби перших комерційних випусків, і їх розробляють декілька компаній - Toyota, Samsung, Solid Power. Не думаю, що твердотільні акумулятори найближчим часом витіснять з ринку LFP або LiNMC, але це дійсно майбутнє. Уявляєте собі цей акумулятор для дрона? Він зможе пролетіти як мінімум вдвічі більшу відстань на відміну від Li-PO або LiNMC. А якщо зробити їх в форматі 18650 або 26650 і отримати адекватну ціну, це точно буде хіт. Отже
Переваги:
✅ Удвічі легші за конкурентів за рахунок іншого принципу побудови. Бо замість графіту тут застосовано чистий літій (анод), а замість рідкого електроліту - твердий кераміка або скло
✅ Абсолютно безпечні, тобто вони не горять
✅ Solid-State працюють на морозі до -40°C, що робить їх ідеальними при використанні в техніці
✅ Зарядка за чверть години до 80%
Ну і недоліки акумуляторів:
❌ На сьогодні вони дуже дорогі за рахунок складності у виробництві

ЛІТІЙ-ТИТАНАТНІ (Li₄Ti₅O₁₂ / LTO) - дорого, важно, ефективно

ПЕРЕВАГИ:
✅ Рекордна довговічність - заявлено 10,000-25,000 циклів. І це дійсно вражає
✅ Надшвидка зарядка з усіх існуючих АКБ— 80% за 6-10 хвилин. Можна заряджати струмом 5-10C без деградації, тобто наприклад: акумулятор 10 А·год зарядиться за 6 хв струмом 100А
✅ Працюють на екстремальному морозі — до -50°C
✅ Найбезпечніші серед літієвих. Не утворюють дендрити літію (причина коротких замикань) Не горять, не вибухають
✅ Високий струм розряду — до 10C, тобто з акумулятору на 10Аг можна витягувати одномоментно 100А, що ідеально для електробусів, швидкого розгону техніки
✅ Не деградують при зберіганні - даний тип можна зберігати роками без втрати ємності
✅ Не бояться глибокого розряду Можна розрядити до 0% і це ніяк не зашкодить батарейці 

Ну і тепер НЕДОЛІКИ, бо як без них:
❌ Найнижча енергощільність серед літієвих — 50-80 Вт·год/кг Тобто акумулятор у 2-3 рази важчий для тієї ж ємності, у порівнянні з LiNMC
❌ Низька напруга — 2.3V замість 3.7V, а це теж фактор до ваги
❌ Дорогі — у 3-5 разів дорожчі за звичайні Li-ion. Титан дорожчий за графіт та його виробництво складніше
❌ Великі розміри — через низьку енергощільність Для тієї ж ємності акумулятор у 2-3 рази більший

Де використовуються вже: електробуси та електричний громадський транспорт, системи рекуперації енергії (гальмування) , електропоїзди, гібридні авто. Сонячні електростанції в холодному кліматі, т.я. працюють при -30°C без втрати ефективності 20-30 років служби. Військова та космічна техніка - працюють у екстремальних умовах (-50°C до +60°C).  ДБЖ (UPS) для критичної інфраструктури, а це дата-центри, лікарні, банки 20 років служби без заміни.

Сподіваюсь, дана стаття трохи допомогла вам розібратись в акумуляторах, та їх типах, зрозуміти різницю між ними та переважне використання в тих чи іних гаджетах, пристроях, техніці. 
Картинка виключно для привернення уваги :)