Об аккумуляторах, или полный гайд

Так какие же бывают аккумуляторы и какой нужен именно вам? Тип, вес, плотность энергии, надежность, количество циклов заряда-разряда, температурные диапазоны работы аккумулятора.

Начнем с самого начала, для общего понимания нужно объяснить, что же означает это слово и почему именно. Слово «аккумулятор» происходит от латинского глагола accumulāre и означает, условно говоря, «собирать, 
накапливать». Фактически данный термин используется у нас в Украине почти исключительно для обозначения электрических устройств, способных накапливать и отдавать энергию, но есть и другие: например, бойлер смело можно назвать аккумулятором тепла (горячей воды), батареи, особенно чугунные, тоже аккумулируют тепло, в холодильнике лежит банальный пакет с гелем, и это аккумулятор холода...
Нас интересуют аккумуляторы, АКБ, аккумуляторные батареи и их технологии (производство, характеристики аккумуляторов, химия и т.д.). Статья не является научной, но отражает мнение автора, который в свое время пытался разобраться в данной теме в связи с ситуацией в стране.
Также рассмотрим, какие же аккумуляторы подойдут вам для использования дома вместе с инвертором, учитывая ситуацию в энергетике и перспективы. 

Свинцово-кислотные аккумуляторы:

в настоящее время наиболее распространенный тип за счет использования на автомобилях в качестве стартерных батарей и даже на электромобилях для поддержания работы бортовой сети. Да, это так, автомобили, имея на борту 70 кВт/ч, используют еще и эти «устаревшие» типы АКБ, но на то есть свои особые требования и физическая сложность (дороговизна) реализации, а именно высоковольтная архитектура. Не будем на этом останавливаться. Распишем плюсы, минусы и принцип построения:
- Обычные АКБ (WET/Flooded) — с жидким электролитом, нужно доливать воду
- AGM аккумуляторы (Absorbent Glass Mat) — электролит впитан в стекловолокно, не обслуживаются
- GEL — электролит в виде геля
- EFB (Enhanced Flooded Battery) — фактически это компромисс между самым старым типом батарей и AGM, в принципе подходят для систем СТАРТ-СТОП автомобиля, часто используются в грузовиках, но имеют меньше циклов и худшую надежность, чем AGM.
Кроме указанного определим основные ключевые характеристики кислотных аккумуляторов:
- Напряжение: 2V на элемент (12V аккумулятор это 6 элементов)
- Энергоплотность: 30-50 Вт·ч/кг
- Циклы заряда: 200-300 (обычные), 500-800 (AGM/GEL)

- Саморазряд: 3-20% в месяц
- Температурный диапазон: от -20°C до +50°C
Преимущества аккумуляторов:
✅ Свинцово-кислотные АКБ на сегодняшний день самые дешевые
✅ Высокий пусковой ток (подходят для запуска авто)
✅ Надежные, проверенные десятилетиями
✅ Не взрываются при перезарядке (только выделяют газ)
Недостатки:
❌ Свинцовые аккумуляторы очень тяжелые
❌ Мало циклов заряда по сравнению с современными 
❌ Медленная зарядка (8-12 часов), обычно нормальный ток заряда для данного типа составляет 0,1С - то есть 10% его емкости. Аккумулятор 60 Аг нужно заряжать током 6 Ампер, условно, учитывая наличие уже интеллектуальных зарядок, которые сами определяют нужный ток
❌ Не любят глубокого разряда - теряют химические свойства
❌ Токсичны (свинец)
Где используются: преимущественно автомобили с ДВС, также электромобили для питания бортовой сети, ИБП (UPS), большие накопители для солнечных электростанций, небольшие электрические специальные машины (гольф-кары, погрузчики и т.д.). 

Никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH)

Надолго на данных типах аккумуляторов останавливаться не будем, учитывая, что эти устройства почти не используются. Но хотелось бы заметить, что никель-кадмиевые батарейки изобретены еще в 1899 году и имеют довольно приличные показатели по количеству циклов заряда-разряда, 1000-1500, но при этом высокий саморазряд 10-20% в месяц, работают на морозе до -40°С, благодаря чему использовались на самолетах, но сейчас почти не выпускаются, учитывая негативные факторы. НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ имеют более высокую энергоплотность, благодаря чему использовались ранее на старых гибридных моделях авто, получили широкое распространение в пальчиковых аккумуляторах и старых моделях кнопочных телефонов. Также из недостатков стоит отметить высокий саморазряд, наличие «эффекта памяти» (когда батарея не разряжается до конца, она теряет емкость), не любят перезарядку и перегрев. Одним словом — это были решения для своего времени, а сейчас они не актуальны. 

Самые распространенные аккумуляторы нашего времени - литий-ионные аккумуляторы. 

На самом деле эти АКБ разрабатывались еще с 1970-х годов и были нестабильны, а первый коммерческий стабильный образец выпущен компанией SONY в 1991 году. На сегодняшний день Li-Ion постоянно совершенствуются и не собираются уходить с рынка. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы - это просто обобщенное определение, а на самом деле они распределяются в первую очередь по типу химии, где основой все-таки является литий.
Кстати, известные аккумуляторы 18650 тоже являются литий-ионными. И на них делают лампы на аккумуляторе, фонарик на аккумуляторе. Для чего только их не используют, ведь это самый популярный формат. Но имеют разную химию в составе, не будем останавливаться на этом очень подробно. 
Смотрим схему:

Обсудим самые распространенные типы аккумуляторов по очереди (как минимум те, которые вы можете приобрести или встретить в приборах, средствах передвижения, накопления и т. д.).

Литий-никель-марганец-кобальт аккумуляторы или LiNMC - самый распространенный тип, которые все и называют литий-ионными

- использование таких аккумуляторов: портативная электроника, а именно: смартфоны, ноутбуки, планшеты. Дроны, гироборды, моноколесо за счет самой высокой плотности энергии, баланса безопасности и цены
- плотность энергии LiNMC: 150-200 Вт·ч/кг 🔥 одна из самых высоких среди всех существующих на данный момент
 - количество циклов аккумулятора Li: принято считать как 500-1000, но они работают и теряют около 20% емкости за 1000–2000 циклов (при 25°C)
 - Рабочее напряжение: 3.6-3.7V

Преимущества:
✅ Баланс: энергия, долговечность, цена, безопасность
✅ от 2000 до 3000+ циклов заряда-разряда до снижения емкости на 20-30%
✅ Легкие - именно они сегодня используются в любой технике, которая летает, потому что вес очень важен
✅ Быстрая зарядка - можно заряжать током от 0,5 до 1С (50-100% емкости)
✅ Идеальны для электротехники, которая работает на улице,  электроинструмента. Их используют такие бренды как Makita, Bosch, DeWalt
Доля рынка аккумуляторов NMC на сегодня составляет 40-45% среди всех LiION батарей. 
Недостатки:
❌ Нестабильны - риск перегрева и «теплового разгона», что может привести к возгоранию и пожару
❌ Работают при минус -20°С, но не заряжаются, поэтому, например, в электромобилях требуют термоменеджмента (подогрева)
Этот аккумулятор может существовать в известном формате li ion 26650, который больше по размерам, чем его брат 18650, а потому имеет большую емкость и мощность. Также аккумуляторы 21700 набирают сейчас популярность, за счет другого, большего формата. 

LiCoO₂ (кобальт) постепенно вытесняется с рынка

Недостатки аккумуляторов: 
❌ Кобальт дорожает ($30k → $80k за тонну с 2020) и данный тип становится неконкурентоспособным по цене
❌ Менее безопасен (горит легче, чем NMC)
❌ Чувствителен к перегреву и перезарядке, жизненный цикл ниже, чем у LiNMC
В остальном кобальтовые аккумуляторы похожи, но уступают характеристиками LiNMC.

LiFePO₄ (литий-железо-фосфатные) пожалуй самые популярные в Украине в период блэкаутов

Давайте о них подробнее. Учитывая ситуацию в стране в период 2022-2026 годов, украинцам пришлось столкнуться с периодическим отсутствием энергоснабжения. Здесь мы все и начали разбираться в аккумуляторных батареях и оказалось, что LiFePO4 и есть та самая золотая середина по параметрам функциональность-долговечность-цена-качество. Широкое использование данного типа обусловлено, во-первых, их безопасностью, а также количеством жизненных циклов. 
Использование:
- Электротранспорт: электромобили, мотоциклы, скутеры, гироборды, моноколеса, электрические автобусы... Это самый большой сегмент рынка, когда не так важен вес, как безопасность и количество циклов аккумулятора. Автопроизводитель BYD разрабатывает и постоянно совершенствует литий-железо-фосфат, повышает их характеристики, и основная масса моделей этого производителя работает именно от них. Tesla (Model 3/Y) - базовые версии работают от LFP
- Системы накопления энергии (ESS) и СЭС - в данном случае также не важен вес и объем, а важна именно работоспособность в течение длительного времени. 
Солнечные электростанции заряжают батареи днем, а ночью позволяют использовать накопленную энергию. Именно поэтому LFP в данном случае является стандартом
- Домашние накопители: всем известные EcoFlow и Blueti. Еще их называют зарядными станциями, фактически это устройство all-in-one, которое умеет заряжаться и одновременно отдавать энергию, работать в режиме источника бесперебойного питания. Они стали спасением в условиях блэкаутов, когда нужно быстро зарядить устройство, чтобы оно работало часами. 
- Отдельно хочу выделить систему домашнего питания инвертор+панели (или без них)+LFP. Лично мной была сделана сборка из ячеек EVE на 24V емкостью 2,8кВт/ч, которая работает в паре с инвертором Vevor. На трехкомнатную квартиру (4 человека) этого хватает при экономном использовании до 10 часов, заряжается же эта сборка током 0,5С за два часа. Об этом - здесь подробно
-Телекоммуникации - для поддержания работы станций сотовой связи, медицинское оборудование - жизненно необходимое питание, электропогрузчики, рокли и штабелеры, спецтехника и водный транспорт, Кемпинг -  питание домов на колесах (RV) и автономных лагерей. На данном этапе LFP лучшие аккумуляторы для большинства сфер жизни. 
Преимущества:
✅ Очень безопасны, не горят, не испаряют вредных веществ, можно использовать в жилых помещениях, взрывобезопасны
✅ Много циклов
✅ Работают на морозе лучше, чем основной конкурент
Недостатки:
❌ Меньшая энергоемкость, что не позволяет использовать их там, где важен вес, например в дронах
❌ Более низкое напряжение, чем у конкурента - 3,2 В вместо 3,7 В
АКБ lifepo4 12v 100ah - пожалуй самый распространенный сейчас формат в Украине во время угроз блэкаутов 2022-2026. 

ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ (Li-Po): отличие от Li-ion:

Вместо жидкого электролита - полимерный гель. АКБ можно делать любой формы, так как они тонкие и гибкие
Характеристики:
Напряжение: 3.7V
Энергоемкость: 150-250 Вт·ч/кг
Циклы: 300-500, что намного меньше, чем у Li-ion
Преимущества:
✅ Легче Li-ion на 10-20%, поэтому хорошо подходят для летательной техники
✅ Любая форма (тонкие смартфоны)
✅ Минимальный саморазряд
Недостатки:
❌ Дороже конкурентов
❌ Меньше циклов, чем у конкурентов
❌ ЕЩЕ опаснее, чем LiNMC — раздуваются, горят легче
❌ Не любят перезарядку вообще
Где используются благодаря своим характеристикам: Дроны, радиоуправляемые модели (RC), ультратонкие смартфоны, наушники TWS, смарт-часы

Твердотельные литий-металлические аккумуляторы Solid-State — это будущее

Характеристики этих батарей просто невероятны, ведь производители обещают невиданную энергоемкость в 400-500 Вт·ч/кг, что превышает все существующие на рынке аккумуляторы. Более 5000 циклов заряда-разряда, зарядка до 80% за 10-15 минут, как вам для электрокаров? На сегодняшний день данный тип находится в разработке, уже были попытки первых коммерческих выпусков, и их разрабатывают несколько компаний - Toyota, Samsung, Solid Power. Не думаю, что твердотельные аккумуляторы в ближайшее время вытеснят с рынка LFP или LiNMC, но это действительно будущее. Представляете себе этот аккумулятор для дрона? Он сможет пролететь как минимум вдвое большее расстояние в отличие от Li-PO или LiNMC. А если сделать их в формате 18650 или 26650 и получить адекватную цену, это точно будет хит. Итак
Преимущества:
✅ Вдвое легче конкурентов за счет другого принципа построения. Потому что вместо графита здесь используется чистый литий (анод), а вместо жидкого электролита - твердый керамика или стекло
✅ Абсолютно безопасны, то есть они не горят
✅ Solid-State работают на морозе до -40°C, что делает их идеальными при использовании в технике
✅ Зарядка за четверть часа до 80%
Ну и недостатки аккумуляторов:
❌ На сегодняшний день они очень дороги за счет сложности в производстве

ЛИТИЙ-ТИТАНАТНЫЕ (Li₄Ti₅O₁₂ / LTO) - дорого, тяжело, эффективно

ПРЕИМУЩЕСТВА:
✅ Рекордная долговечность - заявлено 10000-25000 циклов. И это действительно впечатляет
✅ Сверхбыстрая зарядка из всех существующих АКБ— 80% за 6-10 минут. Можно заряжать током 5-10C без деградации, то есть, например: аккумулятор 10 А·ч зарядится за 6 мин током 100А.
✅ Аккумуляторы работают при экстремальном морозе — до -50°C.
✅ Самые безопасные среди литиевых. Не образуют дендриты лития (причина коротких замыканий) Не горят, не взрываются
✅ Высокий ток разряда — до 10C, то есть из аккумулятора на 10Ач можно извлекать одномоментно 100А, что идеально для электробусов, быстрого разгона техники
✅ Не деградируют при хранении — данный тип можно хранить годами без потери емкости
✅ Не боятся глубокого разряда Можно разрядить до 0% и это никак не повредит батарейке
Ну и теперь НЕДОСТАТКИ, потому что как без них:
❌ Самая низкая энергоемкость среди литиевых — 50-80 Вт·ч/кг То есть аккумулятор в 2-3 раза тяжелее для той же емкости, по сравнению с LiNMC
❌ Низкое напряжение — 2.3V вместо 3.7V, а это тоже фактор к весу
❌ Дорогие — в 3-5 раз дороже обычных Li-ion. Титан дороже графита, а его производство сложнее
❌ Большие размеры — из-за низкой энергоемкости Для той же емкости аккумулятор в 2-3 раза больше
Где уже используются: электробусы и электрический общественный транспорт, системы рекуперации энергии (торможение), электропоезда, гибридные автомобили. Солнечные электростанции в холодном климате, т.е. работают при -30°C без потери эффективности 20-30 лет службы. Военная и космическая техника - работают в экстремальных условиях (-50°C до +60°C). ИБП (UPS) для критической инфраструктуры, а это дата-центры, больницы, банки 20 лет службы без замены.

Надеюсь, данная статья немного помогла вам разобраться в аккумуляторах и их типах, понять разницу между ними и преимущественное использование в тех или иных гаджетах, устройствах, технике.

Картинка исключительно для привлечения внимания :)