Рассмотрим самый первый источник тока, изобретенный Вольтой и носящий имя Гальвани.

Источником тока в любых батареях может служить исключительно окислительно-восстановительная реакция. Собственно это две реакции: атом окисляется, когда он теряет электрон. Получение же электрона назвыается восстановлением. То есть окислительно-восстановительная реакция протекает в двух точках: там откуда и там куда текут электроны.

Два метала (электрода) опущены в водный раствор их солей серной кислоты. Метал одного электрода окисляется, а другого восстанавливается. Причина протекания реакции в том, что элементы одного электрода сильнее притягива-ет электроны чем элементы другого. В паре металических электродов Zn – Cu ион (не нейтральное соединение) меди обладает большей способностью притягивать электроны, поэтому, когда существует возможность электрон переходит к более сильному хозяину, а ион цинка выхватывается раствором кислоты в электролит (некая ионопроводящая субстанция). Трансфер электронов осуществляется по проводнику через внешнюю электросеть. Праллельно с перемещением отрицательного заряда в обратном направлении через электролит перемещаются положительно заряженные ионы (анионы)(см. видео)

Во всех ХИТ, предшествующих Литий-ионным, электролит является активным участни-ком протекающих реакций
cм принцип работы свинцового аккуулятора

Ошибка Гальвани

Электролит тоже является проводником тока, только второго рода, перемещение заряда в котором осуществляют ионы. Человеческое тело является как раз таким проводником, и мышцы сокращаются из-за перемещения анионов и катионов.
Так Л. Гальвани случайно соединил два электрода через природный электролит – препарированную лягушку.

Характеристики ХИТ

Ёмкость – количество электронов (эл.заряд), которое может быть пропущено через подключенное устройство, до полного разряда батареи [Q] или
Емкость всей батарейки образуют ёмкости катода и анода: сколько электронов способен анод отдать и сколько электронов катод способен принять. Естественно, ограничивающей, будет меньшая из двух ёмкостей.

Напряжение – разность потенциалов. характеристика энергетическая, показывающая какую энергию освобождает единичный заряд при переходе от анода к катоду .

Энергия – работа, которую может совершить на данной ХИТ до его полного разряда.[J] или
Мощность – скорость отдачи энергии или работа в единицу времени
Долговечность или кулоновская эффективность - какой процент емкости безвозвратно теряется при цикле заряд-разряд.

Все характеристики предсказываются теоретически, однако из-за множества сложноучитываемых факторов большинство характеристик уточняют экспериментально. Так все они могут быть предсказаны для идеального случая, основываясь на хим составе, но макроструктура имеет огромное влияние как на ёмкость так и на мощность и долговечность.

Так долговечность и ёмкость в огромной степени зависят как от скорости зарядки/разрядки, так и от макроструктуры электрода.
Поэтому батарея характеризуется не одним параметром, а целым набором для различных режимов. Например, напряжение батареи (энергия трансфера единичного заряда**) может быть оценена в первом приближении (на этапе оценки перспектив материалов) из значений энергий ионизации атомов активных веществ при окислении и восстановлении. Но реальное значение – это разница хим. потенциалов, для измерения которых, а так же для снятия кривых заряда/разряда собирается тестовая ячейка с испытуемым электродом и эталонным.

Для электролитов на основе водных растворов применяют стандартный водородный электрод. Для Литий-ионных – металический литий.

*Энергия ионизации – это энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы разрушить связь между ним и атомом. То есть, взятая с обратным знаком, представляет собой энергию связи, а система всегда стремится минимизировать энергию связей
** Энергия единичного трансфера - энергия трансфера одного элеметарного заряда 1,6e-19[Q]*1[V]=1,6e-19[J] или 1eV(электронвольт)

Литий-ионные батареи

<В 80-х годах литий был предложен, как перспективный материал для анода, но ввиду высокой реактивности, и неконтролируемого преобрзования анода цикл за циклом, например, приводящего к росту литиевых ”веток”, достигающих напрямую катода, что приводило к короткому замыканию во вторичных батареях решили отказаться от использования металического лития в пользу соединений лишь вмещающих ионы лития. Свойства вмещать в себя литий у графита уже были описаны. И в 1991 годы Sony выпустила литиевые батарейки с графитовым анодом под ныне общеупотребимым названием Li-ion.
Как уже отмечалось, в литий-ионных батареях электролит не принимает непосредственного участия в реакции. Где же происходят две главных реакции: окисление и восстановление и как выравнивается баланс заряда?
Непосредственно эти реакции протекают между литием в аноде и атомом метала в структуре катода. Как уже отмечалось выше, появление литий ионных батарей – это не просто открытие новых соединений для электродов, это открытие нового принципа функционирования ХИТ:
Слабо связанный с анодом электрон вырывается по внешнему проводнику к катоду.
В катоде электрон сваливатеся на орбиту метала, компенсируя ему практически отобранный у него кислородом 4-й электрон. Теперь электрон метала окончательно присоединяеся к кислороду, и получающимся электрическим полем ион лития втягивается в промежуток между слоями кислорода. Таким образом огромная энергия литий ионных батареек достигается тем, что имеет дело не с восстановлением внешних 1,2 электронов, а с восстановлением более ”глубоких”. Например, для кобольта 4-й электрон.
Ионы лития удерживаются в катоде за счет слабого, порядка 10kJ/mol, взаимодействия (Ван дер Ваальса) с окружащими их электронными облаками атомов кислорода (красного цвета)

Li – третий элемент в , обладает низким атомным весом, и малыми размерами. Из-за того что литий начинает да к тому же лишь второй ряд, размер нейтрального атома довольно велик, тогда как размер иона очень мал, меньший, чем размеры атомов гелия и водорода, что делает его практически незаменимым в схеме ЛИБ. другое следствие вышесказанного: внешний электрон (2s1) имеет мизерную связь с ядром и легко может быть потерян (это выражается в том, что Литий имеет самый низкий потенциал относительно водородного электрода P=-3.04V).

Основные компоненты ЛИБ

Электролит

В отличие от традиционных батарей электролит вместе с сепаратором не принимает прямого участия в реакции а лишь обеспечивает транспорт ионов лития и не допускает транспорт электронов.
Требования к электролиту:
- хорошая ионная проводимость
- низкая электронная
- низкая стоимость
- малый вес
- нетоксичность
- СПОСОБНОСТЬ РАБОТАТЬ В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ НАПРЯЖЕНИЙ и ТЕМПЕРАТУР
- препятствовать структурным изменениям электродов (препятствовать снижению ёмкости)
В данном обзоре я позволю обойти тему электролитов, технически сложную, но не столь важную для нашей темы. В основном в качестве электролита используется раствор LiFP 6
Хотя считается, что электролит с сепаратором – абсолютный изолятор, в реальности это не так:
в Литий ионных элементах существует явление саморазряда. т.е. ион лития с электронами достигают катода через электролит. Поэтому необходимо держать аккумулятор частично заряженным в случае длительного хранения.
При больших перерывах в эксплуатации имеет также место явление старения, когда из равномерно насыщенного ионами лития выделяются отдельные группы, нарушая равномерность концентрации и снижая тем самым общую ёмкость. Поэтому при покупке аккумулятора, необходимо проверять дату выпуска

Аноды

Аноды – электроды обладающие слабой связью, как с ”гостевым” ионом лития, так и с соответствующим электроном. В настоящее время идет бум развития разнообразных решений для анодов Литий ионных батарей.
Требования к анодам

• Высокая электронная и ионная проводимость (Быстрый процесс внедрения /извлечения лития)
• Низкое напряжение с тестовым электродом (Li)
• Большая удельная ёмкость
• Высокая устойчивость структуры анода при внедрени и извлечении лития, что отвечает за кулоновскую

Методы улучшения:

• Изменить макроструктуру структуру вещества анода
• Уменьшить пористость вещества
• Выбрать новый материал.
• Применять комбинированные материалы
• Улучшать свойства пограничной с электролитом фазы.

В общем аноды для ЛИБ можно разбить на 3 группы по способу размещения лития в своей структуре:

Аноды - хосты. Графит

Почти все запомнили из средней школы, что углерод существует в твердом виде в двух основных структурах – графите и алмазе. Разница в свойствах этих двух материалов поразительна: один прозрачен - другой нет. Один изолятор – другой проводник, один режет стекло другой стирается о бумагу. Причина в различном характере межатомных взаимодействий.
Алмаз – это кристаллическая структура, где межатомные связи образованы вследствие sp3 гибридизации, то есть все связи одинаковы - все три 4 электрона образуют σ-связи с другим атомом.
Графит образован sp2 гибридизацией, которая диктует слоистую структуру, и слабую связь между слоями. Наличие ”плавающей” ковалентной π-связи делает углерод графит превосходным проводником
Графит – первый и на сегодняшний день основной анодный материал, имеющий множество плюсов
Высокая электронная проводимость
Высокая ионная проводимость
Малые объёмные деформации при внедрении атомов лития
Низкая стоимость
Первым графит, как материал для анода был предложен еще в 1982 году S.Basu и внедрён, в литий ионную ячеейку 1985 A. Yoshino
Сначала в электроде графит использовался в природном виде и емкость его достигала лишь 200 mAh/g . Основным ресурсом повышения ёмкости было улучшения качества графита (улучшение структуры и очищение от примесей). Дело в том, что свойства графита значительно разнятся в зависимости от его макроструктуры, а наличие множества анизотропных зерен в структуре, ориентированных розно, значительно ухудшают диффузионные свойства вещества. Инженеры пытались повысить степень графитизации, но её повышение вело к разложению электролита. Первым решением было использовать измельченный низко графитизированный уголь смешанный с электролитом, что повысило ёмкость анода до 280mAh/g (технология все еще широко используется) Преодолеть это смогли в 1998 году введением специальных добавок в электролит, которые создают защитную прослойку на первом цикле (далее SEI solid electrolyte interface) предотвращающую дальнейшее разложение электролита и позволяющую использовать искусственный графит 320 mAh/g . К настоящему времени емкость графитового анода достигла 360 mAh/g , а ёмкость всего электрода 345mAh/g и 476 Ah/l

Реакция: Li 1-x C 6 +Li x ↔ LiC 6

Структура графита способна принять максимум 1 атом Li на 6 С, следовательно максимально достижимая емкость – 372 mAh/g (это не столько теоретическая, сколько общеупотребимая цифра поскольку здесь редчайший случай, когда что-то реальное превосходит теоретическое, ведь на практике ионы лития могут размещаться не только внутри ячеек, но и на изломах графитовых зерен)
С 1991г. графитовый электрод претерпел множество изменений, и по некоторым характеристикам, похоже, как самостоятельный материал, достиг своего потолка . Основным полем для совершенствования является повышение мощности, т.е. Скорости разряда/заряда батареи. Задача увеличения мощности является одновременно задачей увеличения долговечности, так как быстрая разрядка/зарядка анода приводит к разрушению стуктуры графита, ”протягиваемыми” через него ионами лития. Помимо стандартных техник повышения мощности, сводящихся обычно к увеличению соотношения поверхность/объем, необходимо отметить исследование диффузионных свойств монокристала графита по различным направлениям кристаллической решетки показывающая, что скорость диффузии лития может различаться на 10 порядков.

К.С. Новоселов и А.К. Гейм - лауреаты нобелевской премии по физике 2010г. Первоткрыватели самостоятельного использования графена
Bell Laboratories U.S. Patent 4,423,125
Asahi Chemical Ind. Japan Patent 1989293
Ube Industries Ltd. US Patent 6,033,809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa, and Ralph J. Brodd. Lithium-Ion Batteries Science and Technologies Springer 2009.
Lithium Diffusion in Graphitic Carbon Kristin Persson at.al. Phis. Chem. Letters 2010/Lawrence Berkeley National Laboratory. 2010
Structural and electronic properties of lithium intercalated graphite LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Review 2003.
Active material for negative electrode used in lithium-ion battery and method of manufacturing same. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09/923,908 2003
Effect of electrode density on cycle performance and irreversible capacity loss for natural graphite anode in lithium ion batteries. Joongpyo Shim and Kathryn A. Striebel

Аноды Оловянные и Ко. Сплавы

На сегодняшний день одними из самых многообещающих являются аноды из элементов 14-й группы периодической таблицы. Еще 30 лет назад способность олова (Sn ) образовывать сплавы (растворы внедрения) с литием была хорошо изучена . Лишь в 1995 году Fuji анонсировала анодный материал основанный на олове (см, например )
Логичным было ожидать, что более легкие элементы той же группы будут обладать теми же свойствами, и действительно Кремний (Si ) и Германий (Ge ) показывают идентичный характер принятия лития
Li 22 Sn 5 , Li 22 Ge 5 , Li 15 Si 4

Li x +Sn(Si,Ge) <-->Li x Sn(Si,Ge) (x<=4.4)
Основной и общей сложностью в применении этой группы материалов является огромные, от 357% до 400% , объёмные деформации при насыщении литием (при зарядке), приводящие к большим потерям в ёмкости в следствии утраты частью материала анода контакта с токоснимателем.

Пожалуй самым проработанным элементом даной группы является олово:
являясь наиболее тяжелым дает более тяжелые решения: максимальная теоретическая ёмкость такого анода 960 mAh/g , но компактные (7000 Ah/l -1960Ah/l* ) тем не менее превосходящие традиционные углеродные аноды 3 и 8 (2.7* ) раз соответственно.
Наиболее перспективными считаются аноды на основе Кремния, которые теоретически (4200 mAh/g ~3590mAh/g ) более чем в 10 раз легче и в 11 (3.14* ) раз компактней (9340 Ah/l ~2440 Ah/l* ) графитовых.
Si не обладает достаточной электронной и ионой проводимостью, что заставляет искать дополнительные средства повышения мощности анода
Ge , германий не упоминается так часто, как Sn и Si, но являясь промежуточным, обладает большой (1600 mAh/g ~2200* Ah/l ) ёмкостью и в 400 раз более высокой, чем у Si ионной проводимостью, что может перевесить его высокую стоимость при создании высокомощной электротехники

Наряду с большими объемными деформациями существует и другая проблема:
потеря ёмкости на первом цикле из-за необратимой реакции лития с оксидами

SnO x +x2Li + -->xLi 2 O+Sn
xLi 2 O+Sn+yLi + <-->xLi 2 O+Li y Sn

Которых тем больше, чем больше контакт электрода с воздухом(чем больше площадь поверхности, т.е. чем мельче структура)
Разработано множество схем, позволяющих в той или иной степени задействовать большой потенциал этих соединений, сглаживая недостатки. Впрочем, как и достоинства:
Все эти материалы на сегодняшний день применяются в комбинированных с графитом анодах, поднимая их характеристики на 20-30%

* помечены значения, скорректированные автором, поскольку распространенные цифры не учитывают значительного увеличения объема и оперируют с значением плотности активного вещества(до насыщения литием), а значит совершенно не отражающих реальное положение дел

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
US Patent Application 20080003502.
Chemistry and Structure of Sony’s Nexelion
Li-ion Electrode Materials
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read, and D. Foster
Army Research Laboratory 2006.

Electrodes for Li-Ion Batteries-A New Way to Look at an Old Problem
Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.

Существующие разработки

Все существующие решения проблемы большх деформаций анода исходят из единого соображения: при расширении причиной механических напряжений является монолитность системы: разбить монолитный электрод на множество возможно более мелких структур, предоставив им расширяться независимо друг от друга.
Первый, самый очевидный, метод – это простое измельчение вещества с использованием какого-нибудь держателя, предотвращающего объединение частиц в более крупные, а также насыщение получившейся смеси электроно-проводными агентами. Схожее решение можно было проследить в эволюции графитовых электродов. Данный метод позволил добиться некоторого прогресса в увеличении ёмкости анодов, но тем не менее до полного раскрытия потенциала рассматриваемых материалов увеличив ёмкость (как объёмную, так и массовую) анода на ~10-30% (400 -550 mAh/g ) при невысокой мощности
Относительно ранним способом внедрения наноразмерных частиц олова (электролизом) на поверхность графитовых сфер,
Гениальный и простой взляд на проблему позволил создать эффективную батарею, используя обычный промышленно полученый порошок 1668 Ah/l
Следующим шагом стал переход от микрочастиц к наночастицам: ультрасовременные батареи и их прототипы рассматривают и формируют структур вещества в масштабе нанометров, что позволило увеличить ёмкость до 500 -600 mAh/g (~600 Ah/l *) при приемлемой долговечности

Одним из много обещающих видов наноструктур в электродах явлются т.н. конфигураця оболочка-ядро, где ядро – шар малого диаметра из рабочего вещества, а оболочка служит ”мембраной” предотвращающей стращивание частиц и обеспечивающей электронную связь с окружением. Впечатляющие результаты показало исползование меди, как оболочки для наночастиц олова , показав высокую ёмкость (800 mAh/g – 540 mAh/g *) на протяжении многих циклов, а так же при высоких токах зарядки/разрядки. В сравнении с углеродной облочкой (600 mAh/g ) аналогично для Si-C Поскольку Наношары целиком состоят из активного вещества, то её объемную ёмкость следует признать одной из самых высоких (1740 Ah/l (*))

Как отмечалось, для уменьшения пагубных воздействий резкого расширения рабочего вещества требуется предоставление пространства для расширения.
В последний год исследователи добились впечатляющего прогресса по созданию работоспособных наноструктур: нано стержней
Jaephil Cho добился 2800 mAh/g низкой мощности на 100 циклов и 2600 → 2400 при более высокой мощности используя пористую силиконовыю структуру
а также устойчивые Si нановолокна, покрытые 40нм плёнкой графита, демонстрирующие 3400 → 2750 mAh/g (акт. в-ва) через 200 циклов.
Yan Yao и соавторы предлагают исползовать Si в виде полых сфер, добиваясь поразительной долговечности: начальная ёмкость 2725 mah/g (и всего 336 Ah/l (*)) при падении ёмкости через 700 циклов менее 50%

В сеньтябре 2011 г. ученые из Berkley Lab заявили о создании устойчивого электроно-проводящего геля,
который может совершить революцию в использовании кремнеевых материалов. Значение этого изобретения сложно переоценить: новый гель может служить одновремено держателем и проводником, предотвращая сращивание наночастиц и потерю контакта. Позволяет использовать в качестве активного материала дешевые промышленные порошки и, по завлениям создателей, сопоставим по цене с традиционными держателями. Электрод, изготовленный из промышленных материалов (нано порошок Si) дает устойчивые 1360 mAh/g и очень высокие 2100 Ah/l (*)

*- оценка реальной ёмкости подсчитанная автором (см. приложение)
M.S. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 US Patent Application 20080003502.
Chemistry and Structure of Sony’s Nexelion Li-ion Electrode Materials J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read, and D. Foster Army Research Laboratory 2006.
High Capacity Li-Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires
Ball milling Graphite/Tin composite anode materials in liquide medium. Ke Wang 2007.
Electroless-plated tin compounds on carbonaceous mixture as anode for lithium-ion battery Journal of Power Sources 2009.
the Impact of Carbone-Shell on Sn-C composite anode for Lithium-ion Batteries. Kiano Ren et al. Ionics 2010.
Novel Core-Shell Sn-Cu Anodes For Li Rech. Batteries, prepared by redox-transmetallation react. Advanced Materials. 2010
Core double-shell Si@SiO2@C nanocomposites as anode materials for Li-ion batteries Liwei Su et al. ChemCom 2010.
Polymers with Tailored Electronic Structure for High Capacity Lithium Battery Electrodes Gao Liu et al. Adv. Mater. 2011, 23, 4679–4683
Interconnected Silicon Hollow Nanospheres for Lithium-Ion Battery Anodes with Long Cycle Life. Yan Yao et al. Nano Letters 2011.
Porous Si anode materials for lithium rechargeable batteries, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009–4014
Electrodes for Li-Ion Batteries-A New Way to Look at an Old Problem Journal of The Electrochemical Society, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
ACCUMULATEURS FIXES, US Patent 8062556 2006

Приложение

Частные случаи структур электродов :

Оценка реальной ёмкости наночастиц олова с медным покрытием Cu@Sn

Из статьи известно объемное соотношение частиц 1 к 3м




0.52 - это коэффициент паковки порошка. Соответственно остальной объем за держателем 0.48

Наносферы. Коэффициент паковки.
низкая объемная ёмкость приведенная для наносфер обусловлена тем, что сферы внутри полые, а следовательно коэффициент паковки активного материала очень низок

путь даже он будет 0.1 , для сравнения для простого порошка - 0.5...07

Аноды реакций обмена. Оксиды металлов.

К группе перспективных без сомнения так же относятся Оксиды металлов, такие как Fe 2 O 3 . Обладая высокой теоретической ёмкостю, эти материалы так же требуют решений по увеличанию дискретности активного вещества электрода. В данном контексте здесь получит должное внимание такая важная наноструктура, как нановолокно.
Оксиды показывает третий способ включать и исключать литий в структуру электрода. Если в графите литий находится преимущественно между слоями графена, в растворах с кремнием, он внедряется в его кристаллическую решетку, то здесь скорее происходит ”кислородообмен” между ”основным” металом электрода и гостем – Литием. В электроде формируется массив оксида лития, а основной метал страстается в наночастицы внутри матрицы(см., например, на рисунке реакцию с оксидом молибдена MoO 3 +6Li + +6e - <-->3Li 2 O+Mo )
Такой характер взамиодействия подразумевает необходимость легкого перемещения ионов металлов в структуре электрода, т.е. высокую дифузию, а это значит переход к мелкодисперсным частицам и наноструктурам

Говоря о различной морфологии анода, способах обеспечения электронной связи помимо традиционного (активный порошок, графитовый порошок + держатель), можно выделить так же другие формы графита, как проводящего агента:
Распространенным подходом является комбинация графена и основного в-ва, когда наночастицы могут быть расположены непосредственно на ”листе” графена, а он в, свою очередь будет служить проводником и буфером, при расширении рабочего вещества. Данная структура была предложена для Co 3 O 4 778 mAh/g и достаточно долговечная Аналогично 1100 mAh/g для Fe 2 O 3
но в виду очень низкой плотности графена сложно даже оценить на сколько применимыми являются подобные решения.
Другой способ - использование графитовых нанотрубок A.C. Dillon et al. экспериментируя с MoO 3 показывают высокую ёмкость 800 mAh/g (600mAh/g* 1430 Ah/l* )c 5 wt% держателя потерей ёмкости через 50 циклов будучи покрыты оксидом алюминия а так же с Fe 3 O 4 , без использованя держателя устойчивые 1000 mAh/g (770 -1000 Ah/l* ) Рис. справа: SEM снимок нановолокон анода / Fe 2 O 3 c графитовыми тончайними трубками 5 wt %(белые)
M x O y +2yLi + +2ye - <-->yLi 2 O+xM

Несколько слов о нановолокнах

В последнее время нановолокна являются одной из самых горячих тем для публикаций материаловедческих изданий, в частности посвященных перспективным батареям, поскольку обеспечивают большую активную поверхность при хорошей связи между частицами.
Изначально нановолокна использовались как разновидность наночастиц активного материала, которые в однородной смеси с держателем и проводящими агентами и образуют электрод.
Вопрос о плотности паковки нановолокон весьма сложен, поскольку зависит от множества факторов. И, видимо, сознательно практически не освещен (конкретно применительно к электродам). Уже это делает затруднительным анализ реальных показателей всего анода. Для составления оценочного мнения автор рискнул воспользоваться работой R. E. Muck, посвященной анализу плотности сена в бункерах. Судя по SEM снимкам нановолокон, оптимистичным анализом плотности паковки будет 30-40%
В последние 5 лет большее внимание приковано к синтезу нановолокон непосредственно на токоприемнике, что имеет ряд серьёзных преимуществ:
Обеспечивается непосредственный контакт рабочего матрериала с токоприемником, улучшается контакт с электроитом, снимается необходимость в графитовых добавках. минуется несколько стадий производства, значительно увеличивается плотность паковки рабочего вещества.
K. Chan и соавторы испытывая нановолокна Ge получили 1000mAh/g (800Ah/l ) для невысокой мощности и 800 →550 (650 →450 Ah/l *) при 2С через 50 циклов . В тоже время Yanguang Li и савторы показали высокую ёмкость и огромную мощность Со 3 О 4: 1100 → 800 mAh/g (880 → 640Ah/l *) после 20 циклов и 600 mAh/g (480 Ah/l *) при 20 кратном увеличении тока

Отдельно следует отметить и порекомендовать всем для ознакомления воодушевляющие работы A. Belcher**, которые являются первыми ступеньками в новую эру биотехнологий.
Модифицировав вирус бактериофаг, А. Белхер удалось построить на его основе нановолокна при комнатной температуре, за счет естественного биологического процесса. Учитывая высокую структурную четкость таких волокон, полученные электроды не только безвредны для окружающей среды, но и показывают как уплотнение паковки волокон, так и значительно более долговечную работу

*- оценка реальной ёмкости подсчитанная автором (см. приложение)
**
Angela Belcher – выдающийся ученый (химик, электрохимик, микробиолог). Изобретатель синтеза нановолокон и их упорядочивания в электроды посредством специально выведенных культур вирусов
(см. интервью)

Приложение

Как было сказано, заряд анода происходит через реакцию

Я не нашел в литературе указаний на фактические показатели расширения электрода при зарядке, поэтому предлагаю оценить их по наименьшим возможным изменениям. То есть по соотношению молярных объёмов реагентов и продуктов реакции (V Lihitated - объём заряженного анода, V UnLihitated - объём разряженного анода) Плотности металлов и их оксидов можно легко найти в открытых источниках.

Форулы расчета	Пример расчета для МоО 3

Надо иметь в виду, что полученная объемная емкость это емкость сплошного активного вещества, поэтому в зависимости от вида структуры активное вещество занимает различную долю объема всего материала, это ы буде учитывать вводя коэффициент паковки k p . Например для порошка он 50-70%

Highly reversible Co3O4/graphene hybrid anode for lithium rechargeable batteries. H.Kim et al. CARBON 49(2011) 326 –332
Nanostructured Reduced Graphene Oxide/Fe2O3 Composite As a High-Performance Anode Material for Lithium Ion Batteries. ACSNANO VOL. 4 ▪ NO. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
Nanostructured Metal Oxide Anodes. A. C. Dillon. 2010
A New Way Of Looking At Bunker Silage Density. R. E. Muck. U S Dairy Forage Research Center Madison, Madison WI
High Capacity Li Ion Battery Anodes Using Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 307-309
Mesoporous Co3O4 Nanowire Arrays for Lithium Ion Batteries with High Capacity and Rate Capability. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 265-270
Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes Ki Tae Nam, Angela M. Belcher et al. www.sciencexpress.org /06 April 2006 / Page 1 / 10.1126/science.112271
Virus-Enabled Silicon Anode for Lithium-Ion Batteries. Xilin Chen et al. ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 5366–5372.
VIRUS SCAFFOLD FOR SELF-ASSEMBLED, FLEXIBLE AND LIGHT LITHIUM BATTERY MIT, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Литий Ионные ХИТ. Катоды

Катоды литий ионных батареек должны главным образом быть способны принимать ионы лития, и обеспечивать высокое напряжение, а значит вместе с ёмкостью большую энергию.

Интересная ситуация сложилась в области разработки и производства катодов Li-Ion батарей. В 1979 году John Goodenough и Mizuchima Koichi запатентовали катоды для Li-Ion батарей со слоистой структурой типа LiMO2 под которые попадают почти все сущесвующие катоды литий ионных батарей.
Ключевые элементы катода
кислород, как связующее звено, мост, а также ”цепляющего” литий своими электронными облаками.
Переходный метал (т.е.метал обладающий валентными d-орбиталями), поскольку он может образовывать структуры с различным числом связей. Первые катоды использовали серу TiS 2 , но потом перешли к кислороду, более компактному, а главное более электроотрицательному элементу, дающего практически полностью ионную связь с металами. Слоистая структура LiMO 2 (*) наиболее распространенная, и все разработки куртятся вокруг трёх кандидатов M=Co, Ni, Mn и постоянно засматриваются на очень дешевый Fe .

Кобальт , вопреки многому, захватил олимп сразу и ужерживает её до сих пор (90% катодов), но благодаря высокой стабильности и правильности слоистой структуры со 140 mAh/g емкость LiCoO 2 возросла до 160-170mAh/g , благодаря расширению диапазона напряжений. Но из-за редкости для Земли, Со слишком дорог, и его применение в чистом виде может быть оправдано только в малых батареях, например, для телефонов. 90% рынка занято самым первым, и на сегодняшний момент, все еще самым компактным катодом.
Никель был и остается многообещающим материалом, показывающим высокие 190mA/g , но он гораздо менее устойчив и такой слоистой структуры в чистом виде для Ni не существует. Извлечение Li из LiNiO 2 производит почти в 2 раза больше теплаx чем из LiCoO 2 , что делает его применение в этой области неприемлемым.
Марганец . Еще одной хорошо изученной структурой является, изобретенный в 1992г. Жан-Мари Тараско, катод вида спинели оксида марганца LiMn 2 O 4 : при немного более низкой ёмкости, этот материал гораздо дешевле LiCoO 2 и LiNiO 2 и гораздо надежней. На сегодняшний день это хороший варинат для гибридного автотранспорта. Последние разработки связаны с легированием никеля кобальтом, который значительно улучшает его структурные свойства. Так же отмечено значительное улучшение устойчивости при легировании Ni электрохимически неактивным Mg: LiNi 1-y Mg y O 2 . Известно множество сплавов LiMn x O 2x , для Li-ion катодов.
Фундаментальная проблема - как увеличить ёмкость. Мы уже видели на примере олова и кремния, что самым очевидным способом увеличения ёмкости является путешествие вверх по переодической таблице, но к всеобщему сожалению, над ныне используемыми переходными металами ничего нет (рис. справа). Поэтому весь прогресс последних лет связанный с катодами в общем связан с устранением недостатков уже существующих: увеличением долговечности, улучшением качества, изучением их комбинаций (рис. выше слева)
Железо . С самого начала литий ионной эры предпринималось множество попыток задействовать железо в катодах, но все безуспешно. Хотя LiFeO 2 был бы идеальным дешевым и мощным катодом, было показано, что Li не может быть извлечен из структуры в нормальном диапазоне напряжений . Ситуация изменилась радикально в 1997 году с ис-следованием э/х свойств Оливина LiFePO 4 . Высо-кая ёмкость (170 mAh/g ) примерно 3.4V с литиевым анодом и отсутсвие серьёзного падения ёмкости даже через несколько сот циклов. Главным недостатком оливина долгое время являлась плохая проводимость, что существенно ограничивало мощность. Для исправления ситуации были предприняты классические ходы (измельчение с покрытием графитом) используя гель с графитом удалось добится высокой мощности при 120mAh/g на 800 циклах. Действительно огромного прогресса удалось добиться мизерным легированием Nb, увеличив проводимость на 8 порядков.
Все говорит о том, что Оливин станет самым массовым материалом для электромобилей. За эксклюзивное обладание правами на LiFePO 4 уже не первый год судятся A123 Systems Inc. и Black & Decker Corp, не без основания полагая, что за ним будущее электромобилей. Не удивляйтесь, но патенты оформлены все на того же капитана катодов - Джона Гудэнафа.
Оливин доказал возможоность использования дешевых материалов и пробил своеобразную платину. Инженерая мысль сразу же устремилась в образовавшееся пространство. Так, например, сейчас активно обсуждаются замена сульфатов флюрофосфатами, что позволит увеличить вольтаж на 0,8 V т.е. Увеличить энергию и мощность на 22% .
Забавно: пока идет спор о правах на использование оливина, я наткнулся на множество noname производителей, предлагающих элементы на новом катоде,

* Все данные соединения устойчиво существую только вместе с Литием. И соответственно изготоавливаются уже насыщенные им. Поэтому при покупке батарей на их основе необходимо сначала зарядить аккумулятор, перегнав часть лития на анод.
** Разбираясь в развитии катодов литий-ионных батарей, невольно начинаешь воспринимать его, как дуэль двух гигантов: Джона Гудэнафа и Жана-Мари Тараско. Если Гудэнаф запатентовал свой первый принципиально успешный катод 1980 (LiCoO 2 ) году, то др. Траско ответил двенадцатью годами позже (Mn 2 О 4 ). Второй принципиальное достижение американца состоялось в 1997 году(LiFePO 4 ), а в середине минувашего десятилетия француз занимается расширением идеи, внедряя LiFeSO 4 F , и занимается работами по использованию полностью органических электродов
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K. U.S. Patent 4,302,518, 1980.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K. U.S. Patent 4,357,215, 1981.
Lithium-Ion Batteries Science and Technologies. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
Method for preparation of LiMn2 O4 intercalation compounds and use thereof in secondary lithium batteries. Barboux; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean-Marie. Bell Communications Research, Inc. 1992 US Patent 5,135,732.

Rechargeable electrochemical cell with cathode of stoichiometric titanium disulfide Whittingham; M. Stanley. US Patent 4,084,046 1976
Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Lithium Batteries and Cathode Materials. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271−4301
A 3.6 V lithium-based fluorosulphate insertion positive electrode for lithium-ion batteries. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 and J-M. Tarascon. NATURE MATERIAL November 2009.

Приложение

Емкость катодов определяется опять же, как максимальный извлеченный заряд на на вес вещества, например группы
Li 1-x MO 2 +Li + +e - ---> Li x MO 2

Например для Co

при степени извлечения Li x=0.5 емкость вещества будет

На данный момент улучшение в техпроцессе позволили увеличить степень извлечения и достичь 160mAh/g
Но, безусловно, большинство порошков на рынке не достигают этих показателей

Органическая эра.
В начале обзора одним из главных побуждающих факторов в переходе к электромобилям мы назвали снижение загрязнения окружающей среды. Но возьмем, например, современный гибридный автомобиль: он, безусловно, сжигает меньше топлива, но при производстве аккумулятора к нему на 1 kWh сжигается примерно на 387 kWh углеводородов. Конечно, такой автомобиль выбрасывает меньше загрязняющих веществ, но от парникового газа при производстве все равно никуда не деться (70-100 kg CO 2 на 1 kWh). К тому же в современом обществе потребления товары не испрользуются до исчерпания их ресурса. То есть срок на то, чтобы ”отбить” этот энергетический кредит невелик, а утилизация современных батарей занятие дорогое, и не везде дос-тупное. Тем самым, энергетическая эффективность современных аккумуляторов все еще под вопросом .
В последнее время появилось несколько обнадеживающих биотехнлогий, позвооляющих синтезировать электроды при комнатной температуре. А. Белчер (вирусы), Ж.М. Тараско (использование бактерий).

Отличным примером такого перспективного биоматериала является литизированный оксокарбон – Li 2 C 6 O 6 (Радизонат Лития), который, обладая способностью обратимо размещать в себе до четырех Li на формулу, показал большую гравиметрической ёмкость но поскольку восстановление связано с пи-связями, несколько меньшим по-тенциалом (2.4 V). Аналогично рассматривают, как основу для положительного электрода, другие ароматические кольца , так же рапортуя о существенном облегчении батарей.
Главным ”недостатком” любых органических соединений является их малая плотность, поскольку вся органическая химия занимается легкими элементами С , H , O и N . Чтобы понять насколько перспективным является данное направление достаточно сказать, что эти вещества могут быть получены из яблок и кукурузы, а также легко утилизируемы и перерабатываемы.
Радизонат лития уже считался бы самым перспективным катодом для автопрома, если бы не ограниченная плотность тока (мощность) и самым перспективным для портативной электроники, если бы не низкая плотность материала(низкая об. емкость) (рис. слева). А пока это еще только один из самых многообещающих фронтов работ.аккумуляторы

мобильные устройства

Добавить метки

С развитием технологий устройства делают более компактными, функциональными и мобильными. Заслуга такого совершенства аккумуляторные батареи , которые питают устройство. За все время изобретено много разных видов аккумуляторов, которые имеют свои преимущества и недостатки.

Казалось бы, перспективная десяток лет назад технология литий ионных батарей, уже не отвечает требованиям современного прогресса для мобильных устройств. Они недостаточно мощны и быстро стареют при частом использовании или долгом хранении. С тех пор выведены подвиды литиевых батарей, такие как литий-железо-фосфатные, литий-полимерные и другие.

Но наука не стоит на месте и ищет новые способы еще более лучшего сохранения электроэнергии. Так, например, изобретают другие типы батарей.

Литий-серные батареи (Li-S)

Литий серная технология позволяет получать батареи и энергоемкостью которая в два раза превышает за их родителей литий ионных. Без существенной потери в емкости такой тип батарей можно перезарядить до 1500 раз. Преимущество батареи скрывается в технологии изготовления и компоновки, где используется жидки катод с содержанием серы, при этом он отделен специальной мембраной от анода.

Литий серные батареи можно использовать в достаточно широком диапазоне температур, а себестоимость их производства достаточно низка. Для массового применения надо устранить недостаток производства, а именно утилизация серы, которая вредна для экологии.

Магниево-серные батареи (Mg/S)

До последнего времени нельзя было объединить использования серы и магния в одной ячейке, но не так давно ученые смогли это сделать. Для их работы нужно было изобрести электролит, который бы работал с обоими элементами.

Благодаря изобретению нового электролита за счет образования кристаллических частит, которые стабилизируют его. Увы, но опытный образец на данный момент не долговечен, и в серию такое батареи скорей всего не пойдут.

Фторид-ионные батареи

Для переноса зарядов между катодом и анодом в таких батареях используется анионы фтора. Этот тип аккумуляторов имеет емкость которые в десятки раз превышает за обычные литий ионные батареи, а также может похвастаться меньшей пожароопасностью. В основе электролита лежит лантане бария.

Казалось бы, перспективное направление развитие батарей, но и оно не лишено недостатков очень серьезная преграда для массового использования - это работа аккумулятора только при очень высоких температурах.

Литий-воздушные батареи (Li-O2)

Вместе с техническими достижениями человечество уже задумывается о нашей экологии и ищет все более и более чистые источники энергии. В литий воздушных аккумуляторах вместо оксидов металла в электролите применяется углерод, который вступая в реакцию с воздухом создает электрический ток.

Плотность энергии составляет до 10 кВтч/кг, что позволяет их использовать в электромобилях и мобильных устройствах. Ожидает скорое появления для конечного потребителя.

Литий-нанофосфатные батареи

Этот тип батарей является следующим поколение литий ионных батарей, среди преимуществ который является высокая скорость заряда и возможностью высокой отдачи тока. Для полного заряда, например, требуется коло 15 минут.

Новая технология использования особых нано частиц, способных обеспечивать более быстрый поток ионов позволяют увеличить количество циклов заряда – разряда в 10 раз! Само собой, они имеют слабый саморазряд и отсутствует эффект памяти. Увы, но, широкому распространению мешает большой вес аккумуляторов и необходимость в специальной зарядке.

Как вывод, можно сказать одно. Мы скоро будем наблюдать повсеместное использование электромобилей и гаджетов, которые смогут работать очень большое время без подзарядки.

Электро новости:

Автоконцерн BMW представил свой вариант электровелосипеда. Электрический велосипед BMW оснащен электромотором (250 Вт) Разгон до скорости до 25 км/ч.

Берем сотню за 2,8 секунды на электроавтомобиле? По слухам, обновление P85D позволяет сократить время разгона с 0 до 100 километров в час с 3,2 до 2,8 секунды.

Испанские инженеры разработали аккумулятор на котором можно проехать больше 1000 км! Она дешевле на 77% и заряжается всего за 8 минут

Что нужно знать об аккумуляторе для автомобиля

Владельцы автомобилей, которые разбираются в устройстве своего «железного коня», понимают важность такой детали, как аккумулятор. Если он неисправен, то двигатель машины в штатном режиме завести не удастся. Поэтому всем автовладельцам желательно иметь представление о назначении АКБ, принципе работы и о том, как правильно выбрать аккумулятор для своей машины. У нас на сайте есть много статей, посвященных различных аспектам эксплуатации аккумуляторов для автомобиля. В этом материале мы попытались собрать всю информацию об аккумуляторных батареях воедино. Статья ориентирована на новоиспечённых владельцев автомобилей и дает общую информацию об автомобильном аккумуляторе.

Автомобильный аккумулятор представляет собой разновидность электрической АКБ. Применяется на автомобильных и мотоциклетных транспортных средствах. Назначение аккумулятора заключается в запуске двигателя, а также выполнении функций источника питания в бортовой сети машины при заглушенном моторе. Автомобильный аккумулятор также выступает в роли стабилизатора напряжения бортовой сети транспортного средства.

Наиболее распространенными являются АКБ с номинальным напряжением 12 вольт. Их можно встретить на легковых автомобилях, микроавтобусах, легких и средних грузовиках. Аккумуляторы с напряжением 6 вольт применяются на мотоциклетной технике. А батареи с напряжением 24 вольта эксплуатируются на тяжелых грузовиках, специальной и военной технике.

Для запуска двигателя требуется его прокрутка, которую обеспечивает стартер. А питание стартера обеспечивает аккумуляторная батарея. Поэтому их ещё часто называют стартерными АКБ. В этот момент стартер потребляет большой ток (несколько сотен ампер), разряжая батарею автомобиля. После того, как машина завелась, выработку электроэнергии в бортовой сети обеспечивает генератор. Схема построена так, что при поездке на автомобиле, аккумулятор подзаряжается и восполняет заряд, который был отдан при запуске мотора.

История возникновения и развития АКБ

Первые образцы аккумуляторных батарей появились более 200 лет назад, еще на заре электротехники. Одним из первых шагов в этом направлении сделал итальянский физик Алесандро Вольта в 1800 году. Он собрал источник питания, в котором медные и цинковые пластины был помещены в кислоту для прохождения электрического ток.

Изобретение получило название «батареи Вольта». Несколькими годами позже физик Джоан Вильгельм из Германии создал сухой гальванический элемент и АКБ. Эти изобретения не имели непосредственного отношения к автомобильным аккумуляторам, но были важным шагом на пути к ним.

Спустя полвека Вильгельм Зинстеден обнаружил и исследовал электрохимический процесс, который лег в основу будущих автомобильных АКБ. Он выяснил, что если через свинцовые пластины, погруженные в серную кислоту, пропускать электрический ток, то на положительно заряженном электроде образуется двуокись свинца. При этом отрицательно заряженный электрод никак не изменяется. При замыкании этого устройства возникал ток, и он присутствовал до момента полного растворения двуокиси свинца в кислоте. Но Зинстеден лишь изучил данное явление и никак не воплотил его на практике.

И вот в 1859 году Гастон Планте создает на базе этого процесса первый образец свинцово-кислотного аккумулятора. Можно сказать, что это и был прародитель аккумулятора для автомобиля. Эта батарея включала в себя 2 пластины из свинца, которые были надеты на цилиндр из дерева и разделены прокладкой из ткани. Эта конструкция помещалась в емкость с подкисленным раствором и подключалась к электрической батарее. После проведения заряда АКБ некоторое время выдавала электрический ток постоянного значения.

Аккумуляторная батарея Планте была небольшой ёмкость и быстро разряжалась. Поэтому французский ученый стал заниматься подготовкой поверхности электродов. Он обнаружил, что для увеличения ёмкости их нужно сделать максимально пористыми. С этой целью он пропускал ток в противоположном направлении через разряженную батарею. Данный прием он назвал формовкой пластин и делал его много раз подряд для наращивания окисла свинца на поверхности пластин. Широкое распространение такие аккумуляторные батареи получили после изобретения динамо-машины, то есть, после того, как появилась возможность быстрого заряда АКБ.

Камилл Фор в 1882 году значительно продвинулся в конструкции и производстве электродов для аккумуляторов. Фор стал покрывать свинцовые пластины окислом свинца. Когда производился заряд АКБ, то этот окисел превращался в перекись. Одновременно на другой пластине образовывалась низкая степень окисла. В результате этой операции на электродах получался пористый слой окислов свинца.

Дальнейшим усовершенствованием аккумуляторов занимался уже Томас Эдисон в начале XX века. Он как раз работал в направлении усовершенствования аккумуляторов под использование их на транспортных средствах. В ходе исследований он разработал железно-никелевые АКБ. Электролитом в них был едкий калий. Через некоторое время налаживается промышленный выпуск портативных аккумуляторов для автомобилей, которые нашли применение на транспортных средствах и судах. Корпус АКБ сначала делали из дерева. Потом для этого стали использовать эбонит. Аккумуляторная батарея состояла из нескольких элементов с номинальным напряжением 2,2 вольт. К примеру, в аккумуляторе номиналом 12 вольт имеется шесть таких элементов.

В легковых автомобилях долгое время стандартом считалось использование АКБ номиналом 6 В. Примерно в середине прошлого столетия начался переход на аккумуляторы для автомобиля номиналом 12 вольт. А батареи 6 вольт остались только на легкой мотоциклетной технике. Корпуса из эбонита постепенно заменили моделями из полипропилена, который легче и прочнее. Постепенно стали появляться автомобильные аккумуляторы, которые имели различные легирующие вещества в свинцовых электродах для изменения свойств. Позже появились модели аккумуляторов, где электролит находился в связанном состоянии (AGM, GEL). Но принцип действия АКБ для автомобиля оставался неизменным на протяжении все истории их развития.

Принцип действия аккумулятора и основные характеристики

Принцип действия свинцово-кислотного аккумулятора базируется на основе электрохимических реакциях Pb и PbO 2 в электролите. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Подробнее о том, что такое , читайте по ссылке. В автомобильном аккумуляторе протекают десятки различных реакций, но мы рассмотрим только основные. Когда на выводы аккумуляторной батареи подается внешняя нагрузка, запускается электрохимический процесс взаимодействия электролита с оксидом свинца.

В результате протекания этой реакции металлический Pb окисляется до PbSO 4 . При разряде АКБ на аноде идет процесс восстановления PbO 2 , а на катоде происходит окисление Pb. В процессе заряда аккумуляторной батареи для автомобиля протекает обратный процесс. Когда сульфат свинца расходуется, начинается процесс электролиза воды. В ходе его протекания на катоде и аноде выделяются водород и кислород, соответственно.

Ниже представлены реакции, протекающие на электродах АКБ. Слева направо реакция идет в процессе разряда. Справа налево процесс происходит при заряде аккумулятора.

Анод (положительный электрод):

PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e − -> PbSO 4 + 2H 2 O

Катод (отрицательный электрод):

Pb + SO 4 2- − 2e − ->PbSO 4

Когда аккумулятор на автомобиле разряжается, идет процесс расхода серной кислоты и понижение плотности электролита. Когда аккумуляторная батарея заряжается, процесс идет в обратном направлении и плотность электролита повышается. Когда заряд подходит к концу и сульфат свинца исчерпывается до некоторого порогового значения, запускается электролиз воды.

В результате выделения водорода и кислорода создается впечатление, что электролит кипит. Лучше избегать этого процесса, поскольку при нем расходуется вода, растет плотность электролита, а из-за гремучей смеси (водород + кислород) повышается опасность взрыва.

Чтобы поддерживать необходимый уровень электролита в элементы АКБ при необходимости доливают дистиллированную воду. Подробнее о том, читайте по ссылке.

Как уже говорилось, АКБ автомобиля состоит из отдельных элементов. Сам элемент имеет в своей конструкции положительные и отрицательные электроды, а также сепараторы (разделительные пластины). Сепаратор выпускается из материалов, которые не вступают в реакцию с серной кислотой. Его назначение – это исключить замыкание пластин разной полярности. Сами электроды – это решётки, выполненные из свинца. В зависимости от типа автомобильного аккумулятора в свинец могут быть добавлены различные легирующие добавки.

На решётки положительных электродов нанесен порошок PbO2, а отрицательных электродов – порошок металлического свинца. Это делается для того, чтобы нарастить ёмкость АКБ, поскольку порошок значительно увеличивает поверхности электродов, которая взаимодействует с электролитом. Сегодня наиболее распространёнными являются АКБ для автомобиля, в которых свинцовые решётки выполнены из сплава свинца и сурьмы. Сурьмы содержится примерно 1-2 процента. Такие аккумуляторные батареи называются малосурьмянистыми (содержание сурьмы до 6 процентов). Их можно встретить в ассортименте различных производителей, включая .

Сурьма добавляется для увеличения прочности пластин. Решетки из чистого свинца недолговечны и быстро разрушаются. Решетки электродов часто легируются кальцием. Он может добавляться как в оба электрода (кальциевые аккумуляторы или Ca/Ca), так и только в отрицательный электрод (гибридные аккумуляторы Sb/Ca). Подробнее о можно прочитать в отдельной статье. Преимущество кальция в том, что он значительно снижает процесс электролиза воды и практически устраняет необходимость доливки. А главный недостаток таких батарей в необратимой потери ёмкости при глубоком разряде.

Пластины электродов погружены в электролит. Для приготовления электролита используется серная кислота и дистиллированная вода. Простую воду использовать нельзя, поскольку в ней содержатся соли магния и кальция, которые ухудшают характеристики АКБ и уменьшают срок эксплуатации.

В зависимости от концентрации серной кислоты в электролите меняется его электрическая проводимость. Она принимает максимальное значение при плотности 1,23 г/см3 и комнатной температуре. От проводимости электролита зависит внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Чем проводимость выше, тем внутреннее сопротивление ниже. При уменьшении внутреннего сопротивления снижаются и потери. Но плотность электролита, чаще всего, поддерживается выше. Это значение на заряженном аккумуляторе держат 1,275 г/см3. В северных регионах рекомендуется поднимать плотность до 1,29 г/см3. Делается это для того, чтобы понизить температуру замерзания электролита. В случае замерзания электролита велика вероятность коробления пластин и разрыва банок АКБ.

Основные характеристики аккумуляторной батареи

• Ёмкость аккумулятора. Характеризует количество отдаваемого электричества при разрядке до минимально допустимого напряжения. Единица измерения ёмкости ─ ампер-часы;
• Ток холодной прокрутки. Также называется пусковым током. Согласно ГОСТ проверка на заявленный пусковой ток проводится после охлаждения АКБ до -18 градусов Цельсия. Автомобильный аккумулятор разряжается пусковым током 30 секунд. После этого его напряжение должно быть не меньше 8,4 вольта. В случае разряда продолжительностью 150 секунд напряжение должно быть не меньше 6 вольт;
• Электродвижущая сила батареи (ЭДС). Параметр, показывающий напряжение на выводах батареи, на которую не повешена внешняя нагрузка и нет утечек. ЭДС можно измерить при помощи вольтметра или мультиметра;
• Внутреннее сопротивление АКБ автомобиля. Эта характеристика объединяет в себе сопротивление сепараторов, электродов, электролита, выводов и прочих элементов батареи;
• Степень заряженности. Это параметр зависит от множества факторов и точное значение узнать сложно. Но ориентировочно степень заряженности оценивается по ЭДС и плотности электролита;
• Особенности конструкции (вес, типоразмер);
• Полярность. Подробнее о том,

  Все автомобильные аккумуляторы можно подразделить на следующие виды:

  • Сурьмянистые. Эти модели АКБ ушли в прошлое и сегодня для автомобилей не используются. В электродах этих батарей содержится больше пяти процентов сурьмы;
  • Малосурьмянистые. Пластины с уменьшенным содержанием сурьмы стали для того, чтобы снизить разложение воды на кислород и водород. Но проблема обслуживаниях в них до сих пор актуальна. На сегодняшний день один из наиболее распространенных видов АКБ;
  • Кальциевые АКБ. Кальцием стали легировать свинцовые решетки для решения проблемы расхода воды и снижения саморазряда. При этом добавилась проблема потери ёмкости при глубоком разряде;
  • Гибридные батареи. Это современные автомобильные аккумуляторы, которые стали попыткой найти компромисс между малосурьмянистыми и кальциевыми аккумуляторами;
  • AGM и гелевые батареи. Это относительно новые аккумуляторы для автомобилей. Они стали следующим шагом в обеспечении безопасной эксплуатации автомобильных аккумуляторов;
  • Щелочные аккумуляторы. В этом типе аккумуляторов вместо кислоты роль электролита выполняет щелочь. Наиболее распространены аккумуляторы никель-железо и никель─кадмий;
  • Литий-ионные АКБ. Модели аккумуляторов этого вида довольно перспективны, но на сегодняшний день не получили широкого применения на автомобилях из-за ряда нерешённых проблем.

  В списке ниже приводятся основные бренды автомобильных аккумуляторов, сгруппированные по странам:

  • Россия (Зверь, Аком, Титан, Тюмень, Исток);
  • Германия (Varta, Bosch, Moll, Tenax, Energizer);
  • Польша (Sznajder, Autopart, Centra, 1 Storm, Timberg);
  • Украина (Westa, Vortex, Docker, Forse, Ista, Volta, Oberon);
  • Турция (Mutlu);
  • Япония (FB, GS Yuasa, Panasonic, Hitachi, Alaska);
  • США (Exide, Hagen, ACDelco, Afa, Duracell, American, Gigawatt, Space, Deka, Optima, Tudor);
  • Италия (Fiamm);
  • Казахстан (Барс);
  • Словения (Tab, Topla, Moratti);
  • Южная Корея (Medalist, Delkor, Solite, Nord, Rocket).

  
  Более подробные обзоры линеек аккумуляторов разных производителей можно прочитать в разделе «Выбор». Подробнее о том, можно прочитать по ссылке.

Сегодня мы отправимся в увлекательную историю развития аккумуляторов, батарей и элементов питания.

Человечество никогда не стояло на месте. С древних времен наших предков интересовал целый спектр всевозможных физических и химических явлений. Ученые постоянно открывали что-то новое. Такое ноу-хау, как правило, сперва напрочь отрицалось наукой, затем о нем забывали, а спустя несколько десятилетий, уже забытого всеми ученого восхваляли и называли «человеком, который изменил мир». Наверняка вы читаете эти строки с устройства, работающего от розетки или имеющего в своем распоряжении один из важнейших элементов – аккумулятор . И если бы 2 700 лет назад древнегреческий философ Фалес не обратил внимание на взаимодействие шерсти и янтаря, если бы в 1600 году не был введен термин электричество, а в 1800 Аллесандро Вольта не заинтересовался пластинами из цинка и меди, возможно современный мир был намного скучнее.

С чего все началось

Наука средневековья – весьма спорное и запутанное явление. Тем не менее, именно существование целого ряда схоластических теорий породило такое понятие, как научно-технический прогресс. До появления первых аккумуляторов пройдет еще более 2,5 тысяч лет, а пока в солнечной Греции дочь философа Фалеса безуспешно пытается очистить янтарное веретено от мелких частичек ворса, ниток и пыли. Как оказалось, смахнуть их не так-то просто.

Во время правления английской королевы Елизаветы I (1533 – 1603) ее лейб-медик Вильям Гильберт Колчестерский всерьез заинтересовался устройством компаса, магнитами, янтарем и прочими драгоценными камнями, которые после натирания мехом притягивали к себе мелкие частички пергамента. Становилось понятным, что несмотря на определенную схожесть, магнетизм и электричество (термин, введенный самим Гильбертом) имеют совершенно разную природу. Магнит способен притягивать исключительно железо, в то время как электричество, вызванное трением, способно к притяжению частичек неметалического происхождения.

Понятие «притяжение» в средневековье относили к категории «магнитов» . Все дополняющие друг-друга явления, вроде ветра и мельницы, солнца и тепла, мужчины и женщины относили к магнитам. Ненависти собак и кошек, друзей и врагов, льда и огня приписывали категорию «феамидов» , а в магнетизме это понятие подтверждалось северным и южным полюсами магнита. С появлением электричества «магниты» и «феамиды» станут знакомы по маркировкам «плюс» и «минус» , которые можно найти на любом аккумуляторе.

В последующих опытах бургомистра Отто Фон Герике в качестве источника электричества использовался шар из серы . Во время вращения его придерживали руками, а скапливающийся электрический заряд передавался металлическому бруску, который в последствии назовут «лейденской банкой» – главный атрибут престижной средневековой лаборатории, который и стал прообразом современного аккумулятора.

После введения понятия электричество в 1600 году и вплоть до начала XIX века по Европе прокатилась буря опытов, связанных с изучением материалов, способных вызывать так называемый «универсальный временный магнетизм». Тем временем во Франции проводил свои эксперимент ученый, имя которого навсегда осталось нераздельно связанным с любым электрическим прибором.

Великий Вольт

Желая понять природу электричества и в прямом смысле слова «почувствовать его вкус», Алессандро Вольта экспериментировал с монетами, изготовленными из разных металлов . Положив одну из них на язык, а другую под, и соединив их проволокой, Вольта отмечал присутствие характерного кисловатого привкуса . Так острота вкусовых рецепторов человека привела к открытию гальванического электричества , явления, которое еще в середине XVIII века описывал итальянский врач, анатом и физик Луиджи Гальвани , проводя опыты по препарированию лягушек.

Следующим шагом стало конструирование первой электрической батареи , принцип работы которой заключался в погружении медных и цинковых пластин , соединенных последовательно, в раствор кислоты. Изобретение первого химического источника тока, полученного в лабораторных условиях, принято датировать 1798 годом, а его автором стал Аллесандро Вольта.

В течение последующих пяти лет в области исследования гальванических батарей начнется настоящий ажиотаж. 1801 год ознаменовался появлением кратковременного источника питания . Проводя опыты, Готеро (франц. физик), используя воду, платиновые электроды и ток, доказал, что даже после прекращения подачи тока, электроды продолжают излучать электричество. Два года спустя, немецкий химик Иоганн Риттер , заменив платиновые электроды на медные и сформировав из них цепочку пластин, переложенных кусками сукна, сконструировал первый вторичный элемент питания – иными словами, первую аккумуляторную батарею, способную сперва накапливать заряд, а потом постепенного его отдавать без участия «гальванической подпитки».

Пятьдесят медных кружков, смоченной в соленом растворе сукно и вольтов столб положили начало эры аккумуляторов с возможностью многократного цикла заряд-разряд. Появляется новая наука – электрохимия . Начатые в 1854 году немецким врачом Вильгельмом Зингстеденом опыты по использованию свинцовых электродов и их поведению в серной кислоте, спустя пять лет вылились в знаменательное открытие французского инженера Гастона Планте . В 1859 году Планте проводил исследования с листовым свинцом, свернутым в трубочку и разделенным полосами сукна. При погружении в подкисленную воду и под действием тока, свинцовые пластины покрывались активным действующим слоем. Многократное пропускание тока приводило к постепенному росту емкости первой свинцово-кислотной батареи , но рутинное осуществление этого трудоемкого процесса (на изготовление требовалось около 500 часов) приводило к росту конечной стоимости аккумулятора. Более того, потенциальный заряд аккумулятора был сравнительно невелик.

Наследие Зингстедена и Планте будет усовершенствовано через 23 года ученным Камиллом Фором , пересмотревшим процесс изготовления используемых в аккумуляторе пластин. Ускорить формирование активного слоя стало возможным благодаря покрытию пластин окислами свинца . Под действием тока вещество превращалось в перекись, а полученные окислы приобретали пористое строение , способствующее аккумулированию газов на электродах.

Параллельно с разработкой и совершенствованием свинцово-кислотных батарей велась работа и над построением «влажных» элементов Лекланше и их преемников угольно-цинковых аккумуляторов , предложенных в 1888 году Карлом Гасснером и использующихся вплоть до сегодняшнего дня.

В течение длительного периода времени аккумуляторы, электрохимия и все, что было связано с использованием кислых сред, пластин и гальванического электричества будоражило умы исключительно ограниченного круга – ученых, физиков, химиков и врачей. Ситуация кардинально изменилась с появлением в 1827 году динамо-машины – первого электрического генератора постоянного тока. Эволюция генераторов, в свою очередь, подталкивала развитие аккумуляторов и батарей. Узкопрофильные опыты Вольта наконец начали получать промышленное применение.

Промышленная эра аккумуляторов

В 1896 году на территории США, в штате Колумбия открывается компания National Carbon Company (NCC). NCC становится первым предприятием специализацией которого становится серийное производство сухих элементов и батарей . В последующие сто лет Национальную Угольную компанию ждет две стадии ребрендинга: сперва NCC станет Eveready , а сегодня мы знаем ее под именем Energizer .

Предложенный Фором метод заполнения пластин в течение продолжительного времени будет являться основой для построения практически любого типа аккумулятора. В поисках альтернативы морально устаревшему (еще по меркам конца XIX века) свинцово-кислотному аккумулятору и попытках решить две основных проблемы этого некогда революционного источника питания (огромный размер и малоэффективная емкость), в 1901 году легендарный изобретатель Томас Эдисон и Вальдмар Юнгнер одновременно патентуют несвинцовый тип батарей: никель-кадмиевых и никель-железных .

Батарея Юнгнера состояла из положительной пластины, изготовленной из никеля. В качестве отрицательной использовался лист кадмия. Значительное повышение емкости, многократное снижение веса и неприхотливость к регулярности подзарядки не смогли выдержать практического применения в связи с дороговизной процесса изготовления никель-кадмиемых аккумуляторов. Достойной заменой стал предложенный Эдисоном никель-железный элемент, который получил имя щелочного аккумулятора .

Развитие эры электричества, появление мощных промышленных генераторов, трансформаторов и глобальная электрификация приводит к резкому росту популярности портативных элементов питания. Щелочные батареи начинают использовать в корабле- и машиностроении, в транспорте и на электростанциях. На улицах появляются первые электромобили, а конструкторы уже успели сформировать принципы построения аккумуляторных батарей с различным вольтажом.

В поисках идеального корпуса

Опыты с электричеством и попытки построения первых батарей нераздельно были связаны с использованием кислоты или кислой водной среды. Любая жидкость для успешного проведения эксперимента требует соответствующий сосуд, а сбор аккумулятора – свой собственный корпус.

В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева . Увы, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки. Дерево заменяют на эбонит – каучук с большим содержанием серы, обладающий высокими электроизоляционными свойствами.

Общепринятым стандартом, использующимся при построении составных аккумуляторов начала XX века, было формирование батареи из нескольких элементов, рабочее напряжение которого составляло 2,2 вольта . Первые «пальчиковые батареи» появились еще в далеком 1907 году. С тех пор внешне они мало в чем изменились. Аккумулятор с напряжением в 6 вольт (три элемента по 2,2 В) оставался эталонным при производстве автомобилей вплоть до начала 50-х годов. Элементы на 12 и 24 Вольта имели более узкую специализацию. В первой половине прошлого века об эстетике в машиностроении никто не задумывался, поэтому любой аккумулятор выглядел весьма неряшливо. Эбонитовый корпус с напичканными элементами и грубыми торчащими перемычками намертво заливался мастикой.

Изобретение немецких ученых Шлехта и Аккермана и демонстрация в 1932 году процесса изготовления прессованных пластин для аккумуляторов не могло не повлиять на внешний вид батарей. В 1941 году в производство корпусов вмешивается австрийская компания Baren , проводившая серию экспериментов по разработке синтетических материалов. Через шесть лет француз Нойман предлагает конструкцию герметичного никель-кадмиевого аккумулятора . Параллельно с этим вся промышленность переходит на батареи с напряжением в 12 вольт , а синтетически полученный американской компанией Johnson Controls полипропилен становится основой для изготовления корпуса любых аккумуляторов. Они стали легче, практичнее, перестали бояться ударов и строгих ограничений при подзарядке.

Настоящее и обозримое будущее

Дальнейшее развитие индустрии аккумуляторных батарей движется настолько стремительно, что проследить за той чередой открытий, которые пришлись на последние пятьдесят лет практически невозможно. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов при построении которых используются два различных электрода, чем и определяется их название: никель-цинковые, литий-титанатные, цинк-хлорные. Среди этого обилия в быту мы сталкиваемся лишь с несколькими.

Причина, по которой мобильные устройства начали свою стремительную эволюцию лишь с начала 90-х годов XX века и за последние 35 лет превратились из громоздких и неповоротливых «чемоданов» в ультракомпактные плоские коробочки, кроется именно в элементах питания.

В 1991 году компания Sony выпускает первый литий-ионный аккумулятор . Этот тип портативных батарей пришел на смену некогда широко использовавшимся никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлгидридным (Ni-MH), изобретенных еще в начале прошлого века.

Литий-ионные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: они заряжаются на порядок быстрее никелевых, имеют более продолжительный срок эксплуатации и большой запас емкости. Li-ion-аккумуляторы получили широкое распространение в сфере портативной электроники, а предложенные инженерами решения позволили не только значительно увеличить максимальные токи разряда, сделавшие возможным использование этого типа аккумуляторов и в среде мощного оборудования, но и обеспечить внушительный рост емкости.

Зачастую руководители оптово-розничных компаний сталкиваются с одной и той же проблемой: выставили планы торговым командам, месяц прошел, а планы не выполнены. В течение одного-двух дней коммерческий директор поругал супервайзеров, услышал от них ответы вроде: «Продаж в этом месяце не было, были аутстоки…, но вот в следующем!!!»

После этого супервайзер говорит своей торговой команде: «Давайте наконец-то начнем продавать…». А в следующий месяц все повторяется сначала… Таким образом, зачастую вся работа супервайзера по управлению продажами сводится к простой констатации фактов в части продаж по окончании месяца.

Если говорить об управлении продажами, то, как и любое управление, оно должно включать прежде всего 4 функции:

1. Планирование продаж (что делать);

2. Организация продаж (кем и как делать);

3. Мотивация торговой команды и клиентов;

4. Контроль над процессом продаж (почему возникают отклонения от плана).

Теоретически вроде бы все понятно: каждый день фиксируй отклонения от плана, выявляй причины отклонения и устраняй их.

Но не все так просто на практике. Особенно хорошо это начинаешь понимать, когда сталкиваешься с супервайзерами в их ежедневной практической работе. В этой статье Вы найдете практический опыт по управлению оптово-розничными продажами.

Обычно единственный вопрос, на который супервайзер сможет ответить уверенно в конце месяца, это: «Какой объем продаж сделали?», а в начале месяца (и то не всегда): «Какой у вас план на этот месяц и по каким брендам?» «Не всегда» - это те случаи, когда планы вышестоящим руководством утверждаются ежемесячно, а не на год, и то к середине текущего месяца. Это будет означать, что до середины месяца продажи будут идти «по накатанной», никому до них дела нет, а торговым представителям - тем более.

Часто бывает, что компании-поставщики выставляют планы по брендам с условием, что при их выполнении компания-дистрибьютор получит скидку на весь объем поставки (2-10%), в ином случае - дистрибьютор этой скидки лишится.

Поэтому допустим, что планы есть, и супервайзер, и торговые представители знают, сколько и чего им надо будет продать.

А вот на следующие вопросы Вы редко у какого супервайзера добьетесь быстрого ответа:

1. Какие среднедневные продажи у твоих торговых представителей (Вики, Серика и т.д.)?

2. Какая у каждого из них среднемесячная активная база (АБ, которая соответствует числу накладных: не будем путать с активной клиентской базой - АКБ, которая соответствует числу клиентов)?

3. Каковы средние продажи на одну торговую точку у каждого торгового?

Отсутствие четких ответов супервайзера на эти вопросы говорит, прежде всего, об отсутствии не только оперативного контроля со стороны супервайзера над работой торговой команды, но и о полном непонимании в части организации продаж.

Возможно, это даже не проблемы самих супервайзеров, а проблема коммерческого директора, который с них не спрашивает, либо не обучает управлению продажами.

Поясню это на примере. Сразу отмечу, что в примере будет рассмотрен суммовой план. О коробочном - поговорим позже.

Предположим, месячный план на торговую команду при 6-дневной рабочей неделе выставлен компанией-поставщиком по бренду А - 1000000 тенге, компанией-поставщиком по бренду Б - 2000000 тенге, итого - 3000000 тенге. При этом мы надеемся получить 5% скидку (3000000*5%=150000 тенге). Для упрощения допустим, что в торговой команде два торговых представителя: Вика и Серик, и их маршруты - равнозначные.

Распределим между ними план. Можно подойти к распределению плана между ними просто: по 1500000 тенге на каждого - как хотят, так пусть и делают. А теперь более глубоко подойдем к этому вопросу.

1. Среднедневные продажи по результатам предыдущего месяца Вики составляют 38 462 тенге (ее продажи в предыдущий месяц составили 1000000, 1000000/26=38462), а Серика - 46164 тенге (его продажи в предыдущий месяц составили 1200000, 1200000/26=46164). Если Вы просмотрите продажи за предыдущие месяцы, то убедитесь, что отклонения по среднедневным продажам будут незначительные. Т.е. среднедневные продажи - это та планка, на которую вышел торговый представитель и будет ее поддерживать независимо от аутстоков, непогоды и т.д. Чтобы торговому перескочить на более высокую планку в продажах, супервайзеру необходимо приложить усилия (обучение, презентации товара, изменить систему контроля и т.д.).
Так вот, при таких среднедневных продажах прогноз продаж по текущему месяцу по Вике - 40000*26 = 1040000, а по Серику - 50000*26 = 1300000. Итого, уже в начале месяца мы знаем, что максимум, чего мы сможем добиться от них в итоге - 2 340 000 тенге. Недовыполнение плана изначально составит 660 000 тенге, что соответствует 22% (=660 000/3000000*100).
Получается, что скидку на 150 000 тенге мы уже заложили в акции и хотим использовать их в течение месяца, а оказалось, что понесем убытки и скидки этой нам не видать!

Вот теперь уже встает конкретный вопрос: может быть, лучше взять еще одного человека и перераспределить районы? Или перераспределить бренды?

Многие коммерческие директора достаточно быстро принимают подобного рода решения при полном отсутствии анализа уже имеющихся данных. А если и супервайзеры не видят картину продаж - значит, зарплата, которую они получают, выплачивается им за то, что они объявили торговой команде о плане, а коммерческому директору - о том, что этот план выполнить невозможно! Я утрирую, но управление продажами - это основная функция, которая не выполняется ими в принципе.

Итак, чтобы определиться с вопросом, нужен ли еще один торговый представитель, а также чтобы распределить план между торговыми, необходима информация по активной базе (АБ - число заявок; количественный показатель) и средними продажами на точку каждым торговым представителем (качественный показатель). Теперь проанализируем эти данные, чтобы получить достаточную информацию для принятия решения по распределению плана:

1. Вика. Несмотря на то, что ее АБ на 70% больше (=278/160-1), чем АБ Серика, среднее число срабатывания одной торговой точки всего лишь 2, т.е. из 4-х запланированных срабатываний одной точки (1 раз в неделю) они срабатывают 2 раза в месяц. Значит, половину своего времени она тратит вхолостую.

Более того, средние продажи на точку у нее составляют 3579, что по сравнению с Сериком практически в 2 раза ниже. При равнозначных маршрутах такие продажи возникают, когда торговый представитель некачественно (поверхностно, формально) работает с торговыми точками по принципу: «Здравствуйте, я Вика из ТОО «Одуванчик», заявочку делать будем?» Ответ: «Нет.» - «Хорошо, я на следующей недельке загляну». Нетрудно оценить и ассортимент, которым работает Вика, если посмотрите 1-2 ее заявочных листа: более 5-10 позиций она не прорабатывает, поэтому, когда по этим позициям имеется аутсток, ее продажи в значительной мере «тормозятся» в среднем на период аутстока.

Может быть еще один вариант ее стиля работы - низкоценовой сегмент. Это наихудший вариант, потому что работа в низкоценовом сегменте практически никогда не позволит торговому представителю освоить весь ценовой диапозон (установка такая: «Спички-то у меня хорошо берут, а вот красная икра - кому она нужна? И без нее у людей проблем хватает…»)

2. Серик. Если рассмотреть его продажи, показатель срабатывания одной торговой точки - 3, т.е. из 4-х визитов на точку большинство визитов активны.

Средние продажи на точку составляют 7500 тенге. Посмотрим его 1-2 заявочных листа и оценим, как он делает продажи: за счет объема, т.е. «сливает ходовку», либо умеет работать с точкой по полному ассортименту? Это позволит нам более конкретно оценить стиль его работы в «поле».

Далее, его АКБ практически в 2,5 раза ниже, чем у Вики (55 и 140 соответственно). Если он работает по полдня, то в офис часто приходит где-то в 13-00-14-00, забивает заявки и уходит заниматься своими делами. Тогда вполне возможно, что ему этой зарплаты вполне хватает и нет смысла упираться на выполнение плана. Если же приходит к 16-00-17-00 - значит, слишком много времени посвящает одной торговой точке. Тут уже стоит вопрос о самоорганизации (заболтавшись в одном месте, не успевает в другое).

Из приведенного выше анализа вполне понятно, что у каждого торгового представителя свой стиль работы в «поле», но ни один из них недоиспользует свой потенциал. Исключение составляет вариант, если анализ показал, что Вика работает в низкоценовом сегменте. Тогда ее просто необходимо менять. Итак, становится понятным, что перед каждым из них необходимо ставить свою задачу по продажам.

Давайте попробуем их сформулировать и для Вики, и для Серика, но первоначально - для себя.
Чтобы реально добиться выполнения плана в конце месяца, цели, поставленные в начале месяца перед торговыми, должны быть конкретными и достижимыми. Сразу оговорюсь, что показатель «среднее число срабатываний 1 (одной) торговой точки» возможно получить по окончании какого-то временного периода (например, недели, декады, месяца). Чтобы от него не зависеть в течение месяца, будем оперировать такими показателями, как: АБ и средние продажи на 1 торговую точку.

Так вот, однозначно, чтобы выполнить план в 3000000 тенге, Вику ориентируем на качество работы с торговой точкой, а Серика - на увеличение АКБ (привлечение новых торговых точек). Если мы, учитывая, что маршруты равнозначны, разделим план пополам, то спрогнозируем их задачи.

Проанализируем достижимость поставленных задач по каждому торговому.

1. Вика. Практика показывает, что увеличение средних продаж на точку на 50% считается качественным скачком и без дополнительных вложений в его обучение торговый просто не в состоянии выполнить эту задачу. Максимум, на что можно будет рассчитывать - это 5% рост средних продаж на точку, т.е. на 270 тенге. С учетом этого, по Викиным продажам мы сможем получить максимум (3597+270)*278=1075026.

2. Серик. При условии, что у Серика среднее число срабатываний одной точки 2,9, нетрудно посчитать, что увеличение АБ на 40 потребует привлечения 14-ти клиентов (= 40/2,9). Более того, у нас еще остался объем в 425000 (=1500000-1075026), который, кроме Серика, делать некому. Значит, необходимо увеличить АБ еще на 56 (т.е. дополнительно должно быть привлечено еще19 клиентов). В общей сложности речь идет о дополнительном привлечении Сериком 33-х клиентов.

Его план составит 7500* (160+40+56)= 1920000 тенге. Однако в реальном режиме времени привлечение новых 33-х клиентов в течение месяца практически невозможно осуществить. Практика показывает, что реально привлечение 20-ти торговых точек, причем необходимо это делать в первую неделю месяца и при помощи супервайзера. Тогда ему смело можно выставлять план в 1635000 тенге.

Выводы.

1. В результате, возвращаясь к плану Вики, получаем, что он должен составить 1365000 тенге, среднедневные продажи - 52500, при этом средние продажи на точку - 4910 при АБ - 278. При этом со стороны супервайзера необходимы усилия по систематическому ее обучению, так как качественный показатель всегда зависит от обучения.

2. План Серика - 1635000 тенге, среднедневные продажи - 62882, при этом средние продажи на точку - 7500 при АБ - 218. Более того, полевой контроль со стороны супервайзера в течение последующих 3-х недель станет гарантией выполнения плана, так как количественные показатели всегда зависят от полевого контроля. Более того, если по заявочным листам видно, что Серик отдает предпочтение «сливу товара», то важно в течение месяца прорабатывать с ним ассортимент.

3. Если присмотреться внимательно, структура имеющихся продаж 45,5% - 54,5% (Вика 1000000 тенге и Серик - 1200000 тенге соответственно) сохранилась и при анализе прогноза продаж (Вика - 1365000 тенге и Серик - 1635000 тенге соответственно). Поэтому обычно при условии повышения плана во внимание принимается имеющаяся структура продаж.

4. Дополнительно торгового представителя брать не надо, потому что, как мы говорим, не накопилась «критическая масса», и есть возможность активизировать потенциал имеющихся сотрудников.

5. Оценка качества управления продажами производится посредством анализа 4-х показателей:
- среднедневные продажи (объем продаж);
- активная база (количественный показатель);
- активная клиентская база (количественный показатель);
- средние продажи на 1 торговую точку (качественный показатель).

6. Однако невооруженным взглядом видно, что среднедневные продажи по каждому торговому должны возрасти, значит, дополнительные усилия супервайзера при этом просто необходимы! Он должен выбрать инструменты, необходимые для организации работы торговых представителей, иначе план останется просто на бумаге.

Каждый из этих инструментов более подробно мы сейчас рассмотрим. Единственное, на чем хочу акцентировать ваше внимание - это то, что рассмотрение этих инструментов будет проводиться исключительно с точки зрения практического применения.

Начну с инструментов контроля, потому что именно контроль необходимо связать с планированием, обеспечив таким образом принцип обратной связи (управление по отклонению). Если в системе продаж этот принцип автоматического управления не будет реализован, мы рискуем разомкнуть управление продажами, что приведет к «затоварке» склада, с одной стороны, и отсутствию продукции на рынке В2В - с другой.

Эффективным инструментом по реализации принципа обратной связи является оперативный (ежедневный) контроль. Это связано с тем, что месячный и недельный контроль не позволяют предпринимать своевременные меры по устранению причин, приведших к недовыполнению плана. Оперативный контроль обеспечит Вас своевременной информацией, необходимой для принятия и исполнения своевременных решения, даст возможность качественно оценить динамику продаж при использовании анализа 3-х показателей (при этом важна именно динамика этих показателей):

Первый показатель - дневные продажи торгового представителя; соответствует продажам по заявочному листу (а не по выписанным расходным накладным (далее - РН). Обычно, если в компании отсутствие возвратов привязано к выплачиваемому бонусу торгового представителя, приписок в заявочных листах не бывает. Нас прежде всего интересует минимальный и максимальный уровни продаж каждого торгового представителя. У каждого торгового представителя этот диапазон свой.

Слишком больших колебаний этого показателя быть не должно, и если в течение недели Вы их заметили, необходимо либо пересмотреть маршруты по дням недели, либо применить этот показатель к планированию по дням недели с учетом замеченных колебаний этого показателя в течение недели.

Стабильные дневные продажи говорят о том, что торговый умеет управлять продажами независимо от внешних факторов, корректировать свои действия на маршруте по ситуации, отлично отрабатывает поставленные перед ним задачи. После тренинга уровень его дневных продаж скачкообразно поднимается и стабилизируется на новом уровне.

Однако, может быть и другая ситуация, когда уровень дневных продаж у торгового представителя низок, и никакие мероприятия не способствуют их росту. Причину этого можно найти, проанализировав два следующих показателя: активная база (АБ, количественный показатель) и средние продажи на точку (качественный показатель).

Обычно в торговых командах на эти показатели никто не обращает внимания и считается, что достаточно анализировать только лишь дневные продажи. Тогда происходит следующее: начальник коммерческого отдела говорит супервайзеру: «У твоей Вики слабые продажи (при этом причину низких дневных продаж не выявляет), почему ее не обучаешь?» Супервайзеру деваться некуда, он говорит Вике: «Ты плохо продаешь, я тебя буду обучать.» Идет с ней в поле якобы проводить полевой коучинг, а на самом деле - 2-3 раза в неделю ходит с ней по торговым точкам, показывает, «как надо делать продажи» на своем примере. По сути, это означает, что он сам за нее делает заявки, продажи Вики в эти дни растут, а в остальные дни падают, появляется значительный импульс первого показателя. Время супервайзера тратиться на прямые продажи вместо управления продажами.

Второй показатель - Активная база: соответствует количеству клиентов в заявочных листах (либо числу РН). Этот показатель обеспечивает нас информацией о степени проработки маршрута торговым, качестве маршрута, умении торгового оперировать анализом по остаткам в точке, наличии/отсутствии перегрузки товаром торговой точки.

Положительная динамика по этому показателю говорит об умении торгового представителя работать в режиме самоорганизации и отсутствии необходимости дополнительного полевого контроля над его полевой работой.

Если же динамика по этому показателю у торгового представителя отрицательная, возникает потребность в полевом контроле по его маршруту.

Например, у Серика АБ в день должна составлять по плану 9 заявок (=218/26). В предыдущем месяце его фактическая АБ составляла 6 заявок (=160/26) (см. сентябрьский номер журнала «Бизнес Курьер»). В этом месяце, наблюдая динамику этого показателя, можно определиться с потребностью полевого контроля и, при необходимости, обязательно его проводить до тех пор, пока динамика по АБ не станет положительной, либо этот показатель не выйдет на уровень 9 заявок в день как минимум.

Рассмотрим еще один пример. И Вика, и Серик в течение недели выполняют среднедневный план по АБ (у Вики АБ - 10-11 заявок, у Серика - 8-9 заявок ежедневно), а вот в субботу у Серика - 4 заявки. Значит, в субботу Серик маршрут не отработал. Поэтому необходимо запланировать полевой контроль на следующую субботу и проверить работу Серика на маршруте.

Третий показатель - средние продажи на 1 торговую точку, который показывает умение торгового представителя работать с ассортиментом и объемом продаж в торговой точке. Если Вы видите, что этот показатель низкий (например, у Вики он был в прошлом месяце 3957 тенге, перед ней поставлена задача - 4910 тенге, но в начале этого месяца он остается на том же уровне), необходимо отсмотреть ее заявочные листы и Вы сразу увидите, каким ассортиментом и каким ценовым диапазоном она не работает, сосредоточить ее внимание на этих продуктах (ценах) - может, она вообще их не знает, следующим образом:
¦ поставить перед ней задачу: провести презентацию другим торговым по этому продукту;

¦ контролировать ее знание цен, умение пересчитывать разные граммовки в килограмм, чтобы оценивать, что дорого и что дешево и т.д.
В динамике этот показатель дает информацию:

¦ о качестве социального взаимодействия торгового представителя с руководителем точки, т.е. его умении устанавливать долгосрочные взаимоотношения с торговой точкой;

¦ об умении работать в ценовом диапазоне, т.е. и с дорогими, и с дешевыми позициями продуктовой линейки;

¦ о повышении уровня знаний торговым представителем по своему пакету, умении в нем легко ориентироваться.

Обычно в динамике этот показатель растет после качественных тренингов (сняты психологические барьеры), после организации аттестации торговых по продуктовым линейкам, после организации внутрифирменных презентаций продукта (более глубокое знание продукта). Если после этих мероприятий роста средних продаж не происходит, значит, торговый представитель, зная товар, не способен работать в ценовом диапазоне, т.е. работает исключительно в низкоценовом сегменте. В данном случае необходимо просмотреть его заявочные листы. При обнаружении такой тенденции необходимо искать замену торговому представителю.

Кстати, в нашей практике был противоположный случай, когда девушка не могла перейти с работы в высокоценовом сегменте на работу в диапазоне цен, однако своевременное разъяснение о необходимости этой работы сняло у нее внутреннее ограничение, о чем свидетельствовал рост средних продаж на точку.

Таким образом, ежедневно контролируя продажи по этим трем показателям, начальник торгового отдела сможет оценить текущую ситуацию продаж, понять причины сбоев, спрогнозировать продажи и предпринять меры, необходимые для выравнивания ситуации. Супервайзер сможет целенаправленно действовать в направлении организации продаж, а торговый представитель научится управлять продажами, а не беспомощно разводить руками: «У них денег нет, им ничего не надо и т.д.».

Четвертый показатель - среднедневные продажи (объем продаж / число дней) по каждому торговому представителю. Этот показатель позволяет планировать последующие продажи. В динамике он позволяет:

Во-первых , уверенно определить, благодаря каким инструментам организации продаж этот показатель был достигнут.

Во-вторых , можно спокойно определиться с планированием продаж и числом торговых представителей в команде. Пока у торгового представителя положительная динамика роста среднедневных продаж существует, можно уверенно говорить о его профессиональном росте. А если его продажи еще не достигли предела, значит, внутренние ресурсы компании задействованы не в полную силу.

В-третьих , оценить недельную динамику продаж в разрезе месяца: она постоянно растет, колеблется или идет на спад, что важно для корректировки планов на следующий месяц. Например, если Вы выводите на рынок новый бренд, Вы спокойно можете увидеть скорость его вывода и своевременно определиться с инструментами по стимулированию продаж именно этого бренда, а не всего пакета. Или применить недельные среднедневные продажи к недельному планированию с учетом замеченных колебаний этого показателя в течение месяца.

В-четвертых , оценить потенциал продаж по каждому торговому представителю и период, в который стажер (в случае увольнения одного из торговых представителей) по данному ассортименту выйдет на планку профессиональных продаж.

Обычно мы расцениваем этот показатель как нормальный, если он находится в пределах 100000 -120000 тенге. Если ниже - необходимо обучать торговых представителей именно управлению продажами.

Пятый показатель - активная клиентская база (АКБ), которая соответствует количеству сработавших клиентов. Этот показатель интересен в разрезе месяца. Его динамика позволяет оценить темп расширения (сокращения) клиентской базы каждого торгового представителя. Если база сокращается, необходимо сразу же выяснять причины и устранять их, чтобы не потерять клиентов. Если клиентская база стабильна, это свидетельствует об устойчивости. А если клиентская база растет - необходимо оценить темпы роста. Высокие темпы роста наблюдаются при выводе нового бренда на рынок. Промежуток времени от момента вывода бренда на рынок до момента стабилизации клиентской базы определяет динамику АКБ. Практика показывает, что как только клиентская база прекращает расти, стабилизируются и продажи по этому бренду. Если хотите добиться продолжения роста, надо принимать меры - надеяться на чудо в этом случае не приходится.

На рынке однородной продукции бывают также ситуации активизации конкурентов, когда часть клиентов прекращает работу с Вами. Значит, Вы владеете несовершенным инструментом мониторинга рынка либо вообще им не владеете.

Возможна также ситуация, когда прекращают с вами работать несколько клиентов по одному району, либо по городу по всему ассортименту - тогда можно говорить о наличии внутриорганизационной проблемы, которую необходимо решать.

И, наконец, шестой показатель - среднее число срабатываний 1(ой) торговой точки (АБ/АКБ).
Этот показатель также интересен в разрезе месяца.

Воспользуемся примером, рассматриваемом в прошлом номере журнала «Бизнес Курьер». Мы знаем, что наша активная клиентская база составляет 195 точек (140+55). Мы предполагаем, что они должны срабатывать каждую неделю (в среднем 4 раза в месяц) и средние продажи на точку составляют 5022 (продажи прошлого месяца 2200000 /438 - АБ прошлого месяца).

Ориентируясь на эти цифры, мы можем оценить «свой потенциал» и запланировать продажи на уровне 3917160 тенге (=195*4*5022). План нам поставили - 3000000 тенге. Казалось бы, что мы имеет значительный резерв по продажам. Но, анализ продаж (см. № 88 журнала «Бизнес Курьер») и распределение плана показало, что не все так просто, и нам придется приложить значительные усилия, чтобы план в 3000000 тенге выполнить! А почему? Потому что был учтен именно показатель среднего числа срабатываний точки, и он составляет не 4 (как должно быть), а всего лишь 2,24 (=(278+160)/(140+55). Значит гарантированно мы сможем получить (если еще болеть никто не будет) всего лишь 2200000 (=195*2,24*5022). Это продажи по уровню продаж прошлого месяца, которые сможем получить в конце и этого месяца.

В идеале этот показатель должен быть 4, а в норме - 3,2 (допускаются случаи, когда точка не смогла сработать).

Если этот показатель выше 4, торговый представитель недогружает точку продукцией.

Если ниже 3,2 - он просто не делает заявку на основании анализа остатков в точке, а действует по принципу: «Здравствуйте, компания такая-то, заявочку делать будем?» Ответ: «Нет». Окончание визита: «Хорошо, на следующей недельке заскочу».

Итак, если ориентироваться на минимально допустимый уровень среднего числа срабатываний 3,2, ожидаемые продажи составят 3133728, чего вполне достаточно для выполнения плана.

Теперь супервайзер вполне сможет спланировать и организовать свою работу при получении от торговых представителей ежедневной информации по первым трем показателям, недельной информации (по 4-ому показателю) и месячной (по 5-ому и 6-ому показателям).

Эффективных инструментов организации продаж супервайзером не так уж много:

1. Общие:

а) оптимальное распределение маршрутов между торговыми представителями по территории и по дням недели;

б) планерки утренние (распределение продукции с минимальными остатками между торговыми; презентация товара, проверка знания акций, цен, ассортимента; проверка планируемых продаж по точкам на соответствие дневным планам продаж, постановка дополнительных задач на день);

в) планерки вечерние (заполнение кавридж планов торговыми представителями по первым 3-м показателям, анализ этих показателей с торговыми «по-горячему», проверка заявочных листов, составление торговыми маршрутов на следующий день с планированием продаж по торговым точкам с учетом результатов анализа, особенно при отрицательной динамике по текущему исполнению месячного плана или по 2-ому или 3-ему показателю).

2. Выборочно при отрицательной динамике по показателям:

а) полевой контроль - по 2-ому показателю;

б) аудит торговой точки - по 5-ому показателю;

в) презентация продукции торговыми представителями, их аттестация - по 3-ему показателю;

г) отработка навыка анализа остатков в торговой точке - по 6-му показателю;

д) обучение управлению продажами посредством тренинга - по 4-му показателю.

Как видите, в инструментах нет полевого коучинга, потому что для того, чтобы он появился в их числе, у супервайзера должна быть как минимум подготовка на уровне тренера, каковой на этом уровне управления практически не наблюдается!

Итак, в двух статьях мы рассмотрели всего лишь 3 функции управления продажами: планирование, контроль и организацию, не задев функцию мотивации. Мне бы хотелось, чтобы Вы самостоятельно рассмотрели инструменты стимулирования и мотивации, причем не материальные, а нематериальные (конкуренция, учет психологического типа, своевременная оценка профессионального роста, условия карьерного роста и т.д.). Свое видение системы мотивации можете направлять мне по электронному адресу: [email protected] - будем разбираться вместе. Если уж совсем ничего не получится - не переживайте, мы поможем вам сделать это, более того, совместно с Вами разработать эффективную систему управления продажами через тренинг «Управление продажами».

Член межрегиональной общественной организации тренеров и консультантов (МООТиК)«Интертренинг», Москва, Директор ТОО «ЦОРП «Консалтинг», О.П. Алина