Литий ионные батарейки – Литий-ионный аккумулятор — Википедия

Содержание

Литий-ионный аккумулятор — Википедия

Литий-ионный аккумулятор цилиндрический, типоразмера 18650
Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический[1]

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили.

Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году.

Нобелевская премия по химии 2019 года была вручена троим учёным «За создание литий-ионных батарей».

При использовании литий-ионных аккумуляторов в составе батарей без балансирующего устройства, часть из них окажется переразряженной (B) при работе батареи или перезаряженной (C) либо не дозаряженной (D) до номинальной ёмкости во время зарядки батареи

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

Контроллер заряда/разряда (плата защиты) цилиндрического литий-ионного аккумулятора, конструкционно припаянный к отрицательному контакту аккумулятора и обратной фольгированной стороной выполняющий его функции. На снимке частично демонтирован и отсоединён от проводника, идущего к положительному контакту аккумулятора

Часто в корпус аккумулятора встраивают контроллер защиты (или PCB-плата (англ. Protection Circuit Module)), который отключает аккумулятор, предотвращая превышение напряжения заряда, чрезмерный разряд и превышение температуры, приводящие его к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может опционально ограничивать ток потребления. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения стоимости производители могут не устанавливать её. Кроме того, в устройствах в которых встроен контроллер защиты, а также в аккумуляторных батареях (к примеру ноутбуков) используются только аккумуляторы без встроенной платы защиты[5].

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно. Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного отличаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда/разряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные, так как переразряд или перезаряд литий-ионных аккумуляторов выводит их из строя. Эту функцию выполняет специальный узел — балансир[en] (или BMS-плата (англ. Battery Management System)[6]). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё. Балансиры одновременно выполняют функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом[7][8].

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25В.

Кроме контроллера защиты, литий-ионные, а также литий-полимерные аккумуляторы выпускаемые в формфакторах АА и ААА с напряжением 1,5 В (не следует путать с аналогичного размера формфакторами 14500 и 10440 напряжением 3,7 В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания напряжением тоже 1,5 В) оборудуются встроенными электронными преобразователями напряжения. Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на выходе на контактах в 1,5 В независимо от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда напряжение самой литиевой ячейки становится ниже допустимого (срабатывает плата защиты).

Литий-ионный аккумулятор. Схема работы

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
  • литий-феррофосфат LiFePO4.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

  • литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6
  • литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

  • Высокая энергетическая плотность (ёмкость).[источник не указан 606 дней]
  • Низкий саморазряд.
  • Высокий ток работы
  • Не требуют обслуживания.

Широко применяемые литий-ионные аккумуляторы при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными.

  • Огнеопасны
  • Теряют работоспособность при переразряде
  • Теряют ёмкость на холоде
  • От 200 до 500 циклов зарядки

Взрывоопасность[править | править код]

Вздувшийся литий-ионный аккумулятор в плоском алюминиевом корпусе типоразмера ENEL10 (Li-42B, NP-45). Бумажная этикетка снята

Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.[источник не указан 485 дней]

Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию.[16][17][18] Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова, что может приводить к тяжким последствиям.[19] Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.[20][21]

Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих вещества для поддержания горения, горючие газы от электролита[22], а также в случае не LiFePO4 электродов[23], выделяется кислород. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Целью тушения может быть лишь снижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения пламени[24][25][26].

Эффект памяти[править | править код]

Традиционно считается, что, в отличие от Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторы полностью избавлены от эффекта памяти. По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) в 2013 году этот эффект был таки обнаружен, но оказался ничтожен.[27]

Причиной его является то, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки.[28]
Во время зарядки ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарного напряжения батареи.
Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

Требования к режимам заряда/разряда[править | править код]

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать[29].

Старение[править | править код]

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C:[30]

Температура, ⁰C С 40%-м зарядом, % за год Со 100%-м зарядом, % за год
0 2 6
25 4 20
40 15 35
60 25 40 % за три месяца

Снижение ёмкости при низких температурах[править | править код]

Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов и может приводить к преждевременному исчерпанию ресурса. Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам заряжания, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.[31]

Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом.[32]

  1. А.М. Скундин, О.А. Брылев. Наноматериалы в современных химических источниках тока (неопр.). МГУ (2011г).
  2. ↑ Li-ion 4.35V vs 4.20V сколько теряем? Тест SANYO UR18650ZTA. / Зарядки, пауэрбанки, провода и переходники / iXBT Live (рус.). iXBT Live (26 августа 2018). Дата обращения 18 октября 2019.
  3. ↑ Топовые аккумуляторы 21700: LG M50 5000мАч vs Samsung 48G 4800мАч / Зарядки, пауэрбанки, провода и переходники / iXBT Live (рус.). iXBT Live (30 июня 2018). Дата обращения 18 октября 2019.
  4. ↑ Sony VTC6A и VTC6 с одинаковыми Matrix-кодами — результаты тестов (неопр.). www.ecigtalk.ru. Дата обращения 18 октября 2019.
  5. Н. Бровка, О. Янченков Применение специализированных микропроцессоров для построения схем контроля и защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей // Журнал «Компоненты и Технологии». — № 3, 2007 г. С. 132—135. ISSN 2079-6811.
  6. ↑ Обзор BMS контроллера заряда литий-ионных аккумуляторов 18650 3.7В на YouTube
  7. Сердечный Д. В., Томашевский Ю. Б. Управление процессом заряда многоэлементных литий-ионных аккумуляторных батарей / Научная статья // Журнал «Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль». — № 3 (21), 2017 г. С. 115—123. УДК 621.314. DOI 10.21685/2307-5538-2017-3-16. ISSN 1999-5458.
  8. Сазонов И. Е., Лукьяненко М. В. Выравнивание заряда в литий-ионных аккумуляторных батареях / Научная статья // Сборник материалов IX Междунарародной научно-практической конференции, посвящённой Дню космонавтики]]. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» [Электронныйресурс]. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева — № 9, т. 1, 2013 г. С. 204. УДК 537.22. ISSN 1999-5458.
  9. ↑ [1].
  10. ↑ [2].
  11. ↑ [3].
  12. ↑ [4]
  13. ↑ [5]
  14. ↑ [6].
  15. ↑ [7].
  16. ↑ Возгорания на Dreamliner связаны с аккумуляторами
  17. ↑ Samsung отзывает Galaxy Note 7 из-за возможности возгорания
  18. ↑ Находившийся за рулем Tesla бывший агент ФБР погиб в ДТП
  19. ↑ Should You Be Worried About Your E-Cigarette Exploding?
  20. ↑ Лайнер экстренно сел из-за загоревшегося планшета Samsung
  21. ↑ Lithium Batteries as Cargo in 2016 Update III
  22. Bandhauer Todd M., Garimella Srinivas, Fuller Thomas F. A Critical Review of Thermal Issues in Lithium-Ion Batteries (англ.) // Journal of The Electrochemical Society. — 2011. — Vol. 158, no. 3. — P. R1. — ISSN 0013-4651. — DOI:10.1149/1.3515880. [исправить]
  23. Zaghib K., Dubé J., Dallaire A., Galoustov K., Guerfi A., Ramanathan M., Benmayza A., Prakash J., Mauger A., Julien C.M. Enhanced thermal safety and high power performance of carbon-coated LiFePO4 olivine cathode for Li-ion batteries (англ.) // Journal of Power Sources. — 2012. — December (vol. 219). — P. 36—44. — ISSN 0378-7753. — DOI:10.1016/j.jpowsour.2012.05.018. [исправить]
  24. ↑ http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php
  25. ↑ Гореть, а не тлеть! Что на самом деле случилось с электроседаном Tesla Motors?
  26. ↑ Аспекты безопасности литий-ионных аккумуляторов
  27. ↑ Paul Scherrer Institut (PSI) :: Memory effect now also found in lithium-ion batteries (неопр.). Дата обращения 2 мая 2013. Архивировано 11 мая 2013 года.
  28. ↑ Экономия батареи на Андроид: советы и мифы | AndroidLime (неопр.). androidlime.ru. Дата обращения 29 февраля 2016.
  29. Мельничук О. В., Фетисов В. С. Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами / Научная статья // Журнал «Электротехнические и информационные комплексы и системы». — № 2, т. 12, 2016 г. С. 41-48. УДК 621.355.9. ISSN 1999-5458.
  30. ↑ 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов (рус.)
  31. ↑ Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторов (рус.)
  32. ↑ Независимая интернет-газета «Новый взгляд». 22.01.2016.Созданы литий-ионные аккумуляторы с подогревом

ru.wikipedia.org

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) | Принцип работы

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементов

 

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

 

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

www.ruselectronic.com

5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы не столь «привередливы», как их никель-металл-гидридные собратья, но все равно требуют определенного ухода. Придерживаясь пяти простых правил, можно не только продлить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей, но и повысить время работы мобильных устройств без подзарядки.

Не допускайте полного разряда. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов. Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100.

Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:

Разряжайте раз в 3 месяца. Полный заряд на протяжении длительного времени также же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до нуля.
Из-за крайне нестабильного процесса заряда (мы часто заряжаем телефон как придется, и где получится, от USB, от розетки, от внешнего аккумулятора и тд.) специалисты рекомендуют раз в 3 месяца полностью разряжать аккумулятор и после этот заряжать до 100% и подержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает сбросить так называемый верхний и нижний флаги заряда аккумулятора. Более подробно об этом можно прочитать здесь.

Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.

В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.

Используйте оригинальное зарядное устройство. Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые гаджеты, например цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи.

Не допускайте перегрева. Ну а злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура – перегрева они напрочь не переносят. Поэтому не допускайте попадания на мобильные устройства прямых солнечных лучей, а также не оставляйте их в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов: от –40°C до +50°C

Также, вы можете посмотреть Часто Задаваемые Вопросы по аккумуляторам на нашем сайте.

habr.com

Литий ионный аккумулятор: конструкция, характеристики

Сейчас практически во всех портативных устройствах используются литий ионные аккумуляторы. Этот тип АКБ имеет ряд преимуществ перед своими предшественниками. С момента изобретения и до сегодняшних дней Li-ion прошел множество усовершенствований. Благодаря этому накопитель данного типа можно считать лучшим в своем роде. Но несмотря на это у нее присутствуют свои недостатки.

История появления

Первый литий ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Ведущей компанией по производству данного типа АКБ стала Sony. Но батареи были разработаны в 70-х. Это были первые устройства с высокой энергоёмкостью, что сделало их востребованными. Но не было возможности применять их практически в массовом масштабе.

В составе батареи присутствует два электрода. На фольге из алюминия размещен катод, анод же поместили на медную. Их разделяет специальный сепаратор, который состоит из жидкого электролита, в некоторых случаях материал гелеобразный. Положительные заряды переносятся ионами лития. Они способы проникать внутрь других материалов и химических элементов, что провоцирует электрохимическую реакцию. Этим свойством они и обеспечивают заряд или питание устройств (телефонов, ноутбуков и т.д.).

В первые годы после создания литиево ионного накопителя они были известны своей взрывоопасностью. Это происходило из-за использования в конструкции накопителя металлического лития, а также по причине образования химических соединений в виде газа. При большом количестве разряда и заряда происходило замыкание, что влекло за собой взрыв аккумулятора.

Также взрывы происходили и потому, что ионы лития реагировали с другими соединениями и веществами в составе батарейки. Реакция была опасной и влекла за собой выделение большого количества тепла, после чего происходило возгорание и взрыв АКБ. В ходе улучшения было принято решение заменить анод на графитовый аналог. Такая рокировка позволила устранить проблему с взрывоопасностью аккумулятора. А производителю после выявления недостатка пришлось отозвать всю партию для мобильных телефонов.

Интересный факт! В зарядных устройствах, посредством которых накопители получают заряд, есть функция предохранения перегрева АКБ и защита от «переполнения» током.

Чтобы разработать полностью безопасную литий ионную батарейку понадобилось более чем 20 лет активных исследований и совершенствований. Это привело к выпуску более инновационного вида АКБ, а именно литий фосфатных. Они не перегреваются, а также в составе отсутствуют компоненты с опасными реакциями друг на друга. Также многие производители встраивают в корпус контроллер для заряда аккумуляторов во избежание эксцессов с возгоранием.

Принцип работы и устройство

Литий ионный аккумулятор имеет следующий принцип работы:

  • После подачи тока на контакты АКБ, катионы лития переходят в анод;
  • Во время использования и непосредственной разрядки, ионы лития перемещаются из анода и проникают в диэлектрик примерно на глубину до 50 нм.

Количество циклов зарядки за весь срок службы АКБ может исчисляться 1000. Интересно то, что при глубоком разряде окисление пластин источника не происходит. Но не все типы литий ионных аккумуляторов переносят процесс глубокой разрядки. Например, при установке в телефон или фотоаппарат, во время возникновения глубокого разряда плата блокирует возможность повторного заряда. Зарядить можно будет только с использованием специального устройства.

А вот тяговые литиевые батареи для лодочных моторов совсем не боятся полной потери заряда. Устройство литий ионного аккумулятора, как правило, состоит из некоторых источников энергии, которые соединены параллельно или последовательно.

Химические процессы на положительном и отрицательном электроде

Современные модели литий ионных АКБ содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Матрица анода является слоистой. Она может быть, как частично, так и полностью упорядоченной

Во время протекания интеркаляции ионы от лития как бы раздвигают пласты углерода и встраиваются между ними. При внедрении и изъятии ионов объем матрицы не меняется. Положительный электрод выполняется из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.

Во время заряда происходят реакции, которые описываются следующими уравнениями:

  • на положительном электроде;
  • на отрицательном электроде.

Принцип действия разряда описывается обратными уравнениями.

Виды литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы стали востребованы во многих сферах. Помимо использования в гаджетах, бытовых устройствах и автомобилях, выпускают и АКБ для промышленного использования, который имеют высокое напряжение и емкость. Самыми востребованными считаются АКБ, представленные в таблице.

Две цифры первые в ряду указывают на размер диаметра батареи, вторые две на длину. Нуль ставится в случае цилиндрической формы. Также выпускаются АКБ подтипа «Крона» с напряжением в 9 Вольт.

Обозначения батареи указывают на содержание элементов, например, как:

  • ICR – кобальта;
  • IMR – марганца;
  • INR – никеля и марганца;
  • NCR –кобальта и никеля.

Виды li ion аккумуляторов в основном отличаются размерами, химическим составом, а также по емкости и напряжению.

Конструкция литий ионной батареи

Литиево ионные батареи изготавливаются в цилиндрическом и призматическом виде. Вариант в виде цилиндра является по сути рулоном из электродов с материалами для разделения разно полюсных. Корпус выполняется из стали или алюминия, с которым соединен минус. Плюс выводится на площадку, расположенную на торце корпуса.

Призматическая конструкция выполняется путем складывания прямоугольных пластин друг на друга. Такой вариант позволяет сделать накопитель компактней.

Любая конструкция предусмотрена с герметичным корпусом. Вытекание электролита недопустимо, так как сразу же выводит батарею из строя.

Характеристики

Характеристики li ion аккумуляторов напрямую зависят от компонентов в составе накопителя. Параметры могут принимать значения в следующих диапазонах:

  • Напряжение: номинальное – 3.7 В, макс. – 4.2-4.35 В, мин. – 2.5-3 В.
  • Энергоемкость – 110-243 Втч/кг.
  • Сопротивление – 5-15 Ом/Ач.
  • Время скорого заряда – 15-60 минут.
  • Рабочие температуры — -20-60 градусов.

Эксплуатация и срок службы

Батарея такое же сложное устройство, как и телефон, разве что выполняет только одну функцию. Именно поэтому, чтобы максимально эффективно использовать все возможности акб, рекомендуется ознакомиться с тем, как правильно пользоваться и хранить батарею. Это также поспособствует продлению срока службы.

Как правильно эксплуатировать

Необходимо стараться не допускать полного разряда батареи. Этот процесс легко контролировать. Но помимо этого также требуется следить за правильным ходом заряда.

При процессе заряда аккумуляторной батареи необходимо не допускать избыточного подключения к устройству зарядки. Литий ионный АКБ корректно работает и заряжается при напряжении до 3.6 В. Как правило, зарядные устройства подают 4.2 В. При превышении времени заряда в корпусе могут провоцироваться небезопасные электрохимические реакции. Это может повлечь за собой перегревание и вздутие.

При разработке была учтена такая особенность и при превышении напряжения выше рекомендуемого показателя, процесс заряда останавливается. Также литиевые АКБ правильно заряжать именно двухступенчатым способом. Первым этапом происходит зарядка накопителя на постоянном токе, вторым постоянным напряжением с постепенным понижением тока. Данный алгоритм уже реализован во многих зарядных устройствах.

Срок службы

Срок службы батареи напрямую зависит от правильного использования. Например, при несоблюдении рекомендаций в эксплуатации литий ионных аккумуляторов этот период сокращается в 10 раз. Принято считать, что АКБ способны выдержать 500-1000 циклов заряд-разряд, в этом случае учтен фактор полного разряда. При остатке даже минимального процента заряда можно увеличить срок службы устройства на порядок.

Нельзя назвать точный срок работоспособности данного типа устройств, так как длительность напрямую зависит от условий использования. Но все же ориентировочно одна литий ионная батарейка может корректно выполнять свои функции на протяжении 8-10 лет с учетом того, что ее использование будет происходить строго по рекомендациям.

Хранение и утилизация

Данный тип аккумуляторов достаточно просто хранить. Как правило, саморазряд при корректном хранении составляет около 10-15 % в год. Но этот показатель может меняться в большую или меньшую сторону в зависимости от условий консервации.

Важно! Даже при идеальных условиях хранения литий ионных аккумуляторов все равно будет происходить процесс деградации элементов.

 

При возникновении необходимости длительной консервации аккумулятора типа Li-ion требуется позаботиться о минимизации негативного воздействия на акб:

  1. Место для хранения должно быть сухим, с небольшим показателем влажности. Требуется исключить риск ударов, возникновения вибрации и непосредственное соседство с открытым огнем или нагревательными элементами.
  2. Температура хранения литий ионного аккумулятора не должна быть ниже нуля. Оптимально хранить устройство при 5-25 градусах.
  3. Перед консервацией устройства вынимают из прибора. Также предварительно заряжают полностью.

Главное учесть, что любой контакт с водой негативно скажется на состоянии аккумулятора. Хранить при соблюдении всех рекомендаций устройство можно в течение нескольких лет. Важно понимать, что это не убережет батарею от уменьшения емкости.

Утилизировать АКБ требуется путем сдачи в предприятия, которые на этом специализируются. Просто выбрасывать батарею строго запрещено. Дело в том, что более чем половина устройства, вышедшего из строя, используется повторно для производства новых батарей.

Безопасность

Основная проблемы по защите литий ионного аккумулятора на сегодняшний день решена. Специальная электронная защита в виде встроенного контролера держит под надзором все процессы, происходящие во время заряда и разряда (т.е. при использовании АКБ по назначению). Помимо этого, постоянно усовершенствуется материал для изготовления катода. Приоритетно сейчас стоит возможность сделать его термически стабильным.

Также Li-Ion оснащены специальной защитой, которая реагирует на внутреннее замыкание цепи. Помимо этого, немногие типы АКБ этого рода защищены от внешнего короткого замыкания. Защита внутри устройства состоит из двух слоев сепараторов. Один из слоев изготовлен из полипропилена, другой из аналогичного этому материалу вещества. В случае возникновения короткого замыкания второй из слоев просто плавится, что делает его непроницаемым. И рост дендритов лития, стремящихся к положительному электроду, прекращается.

Производители стали встраивать в корпус батареи контролеры заряда, чтобы избежать возможность самовозгорания.  Это устройство держит под контролем температуру внутри корпуса батарейки, глубину заряда, а также количество тока, потребляемого АКБ.

Но несмотря на этот тип усовершенствований даже сегодня есть много сообщений о взрывах аккумуляторов. Довольно часто это случается в телефонах. Эти случаи объясняются тем, что не все производители литий ионных АКБ пользуются такими контролерами. Отказ мотивируется улучшением показателей емкости самой батареи, а также удешевлением производства. Так что, если батарея вздулась спустя некоторое время после эксплуатации — это верный признак того, что производитель сэкономил на производстве.

Но даже такая опасная возможность, как возгорание, которую можно устранить, делает литий ионные аккумуляторы лучше, чем предшествующие аналоги по всем характеристикам. Данный тип батареи работает намного дольше благодаря высокой емкости, низкий уровень пассивного разряда продляет срок годности. Также батареи типа Li-ion не нужно дополнительно обслуживать. А при выходе из строя устройства его дешевле заменить, чем отремонтировать.

Требования к режимам заряда/разряда

Требуется тщательно следить за уровнем разряда аккумулятора. Дело в том, что полный разряд батареи негативно сказывается на его характеристиках. Также возможен полный вывод из строя после глубокого разряда.

Помимо этого, на срок службы литий ионных аккумуляторов непосредственно сказывается уровень разряда перед зарядом и произведение зарядки при помощи токов номиналом выше рекомендованного производителем. Такой тип довольно чувствителен к напряжению зарядного устройства. Например, если использовать вспомогательный прибор с напряжением выше рекомендованного на 3-4 процента, то батарея потеряет емкость в два раза быстрее.

Ток заряда находится в непосредственной зависимости от разницы напряжения аккумулятора и устройства.  А также от сопротивления АКБ и проводов, подводимых к нему. При простых расчетах выходит, что при увеличении напряжения зарядного устройство на 4%, ток заряда возрастет в 10 раз. Такой скачок негативно скажется на работоспособности аккумулятора. Также это увеличивает возможность перегрева.

Как восстановить литий ионный акб

Даже большой срок службы литий ионного аккумулятора не спасает от истощения батареи. В таком случае есть проверенный способ как восстановить литий ионный аккумулятор, но он проработает не долго.

Важно! Восстановить вздутую батарею невозможно. В этом случае она подлежит только утилизации.

Необходимо взять зарядку с напряжением в 5-12 В, а также резистор 330-1 кОм. Минус источника подключить к АКБ, плюс подключается аналогично только через резистор. После чего включить подачу тока и замерять рост показателей напряжения в следующие 10-20 минут. Как только показатель выдаст 3.31 В, смартфон покажет, что пошел процесс заряда. Повышение напряжения, а затем последующее его снижения до рекомендуемых параметров поможет немного восстановить емкость li ion аккумулятора.

Как проверить работоспособность АКБ

Для того, чтобы проверить работоспособность литий ионного аккумулятора, необходимо для начала полностью зарядить батарейку. После чего подключить ее одним концом к тестеру, а другим к нагрузочному резистору.

Тестер покажет емкость, ток и напряжение. Достаточно сравнить полученные показатели с базовыми параметрами батареи. Сильное отклонение в меньшую сторону будет означать, что устройство медленно выходит из строя.

Плюсы и минусы

У литий ионных аккумулятор есть свои преимущества и недостатки перед другими батареями. К плюсам относят такие моменты, как:

  • высокий уровень энергоемкости;
  • эффект памяти настолько минимален, что практически отсутствует;
  • срок эксплуатации очень большой;
  • нет нужды дополнительно обсуживать АКБ;
  • корректно выполняет свои функции в большом диапазоне температур;
  • уровень саморазряда очень низок.

Несмотря на все преимущества у литий ионных батарей есть и свои минусы, например, как:

  • возможность самовозгорания и взрыва, вздутие и выход из строя;
  • емкость понижается при температуре эксплуатации ниже нуля;
  • стоимость продукта значительно выше чем у предшествующих АКБ;
  • для повышения безопасности использования устройства необходим контроллер заряда;
  • плохо переносит глубокий разряд.

Кстати, большинство минусов купируются. Например, при желании можно найти батарейку с контроллером, что уже устраняет возможность перегрева и самовозгорания. А при постоянной подзарядке, глубокий разряд также исключается. Также производители с каждым годом выпускают более совершенные варианты литий ионных аккумуляторов. Недостатки постепенно купируются и в скором времени возможно совсем исчезнут, что сделает этот тип совершенным.

Маркировка

Все параметры литий ионной батареи можно узнать из маркировки, нанесенной на корпус. Вариант маркировки может отличаться у каждого вида АКБ. Пока не существует единого стандарта маркирования. Но достаточно просто разобраться в ней, зная типовые параметры и обозначения:

  1. Буквы. Первой буквой всегда стоит I, так как обозначает тип технологии, т.е. литий ионную. Вторая буква дает уточнение по составу, встречаются маркировки такие как M, F, C, N. Третья буква дает обозначение того, что батарея является перезаряжаемой, маркировка R.
  1. Цифры. Цифровая маркировка означает размеры в миллиметрах. Таким образом первые 2 цифры — это диаметр, две последующие длина. Ноль на конце маркировки может означать цилиндрическую форму.

Для уточнения значений необходимо обратиться к документам батареи или производителю. У каждого из них может быть разные маркировки. Также отсутствует стандарт нанесения маркера даты производства.

Применение литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы используются в большинстве мобильных устройств. Дело в том, что они не имеют аналогов в случаях, когда необходимо отдавать электричество практически в полном объеме. Также они необходимы для долгосрочного использования, так как способны выдержать большое количество циклов разряд-заряд, при этом не снижая свою емкость.

Преимуществами литий ионных АКБ является и малый вес, так как отсутствует необходимость использовать свинцовые решетки. Благодаря отличным характеристикам устройства применяются в разных ипостасях.

Как стартерные батареи

Аккумуляторы из лития становятся дешевле с каждым годом. Это происходит из-за новых разработок, снижающих затраты на производство. Но в данный момент литиево ионные батареи для автомобилей достаточно дорогостоящие и не все автовладельцы могут их приобрести. Также не рекомендуется использовать этот тип АКБ в северных регионах, так как мощность при низких температурах падает и использовать их будет непрактично.

Как тяговое устройство

Этот тип достаточно стойко переносит сильную разрядку хоть это и не рекомендуется. Их ставят на моторные лодки. Если двигатель не слишком мощный, батареи, как правило, хватает на 5-6 часов непрерывной работы. Также литий ионный АКБ устанавливают на погрузочную технику, которая работает в закрытом помещении.

Бытовая техника.

Частая практика у производителей делать устройства, где вместо пальчиковых батареек или других вынимаемых аналогов используется литий ионный акб. Существуют модели с напряжениями 3.6 вольт, которые заменяют солевые или щелочные батарейки на 1.5 вольта. В некоторых случаях встречаются li ion аккумуляторы в 3 вольта, их, как правило, используют для замены 2 стандартных батареек.

 

Литий ионные аккумуляторные батареи прочно вошли в мир технологий. Компактность этого вида акб позволяет использовать их в небольших мощных устройствах как, например, смартфоны.

 

batteryzone.ru

Характеристики, Виды, Размеры, особенности производства

В течение длительного времени кислотный аккумулятор был единственным устройством, способным обеспечивать электрическим током автономные объекты и механизмы. Несмотря на большой максимальный ток и минимальное внутреннее сопротивление, такие батареи имели ряд недостатков, которые ограничивали их применения в устройствах потребляющих большое количество электроэнергии или в закрытых помещениях. В этом плане литий-ионные аккумуляторы лишены многих негативных качеств своих предшественников, хотя и недостатки у них имеются.

Что такое литий ионный аккумулятор

Первые литиевые аккумуляторы появились 50 лет назад. Такие изделия представляли собой обычную батарейку, в которой для повышения уровня отдачи электроэнергии был установлен литиевый анод. Такие изделия имели очень высокие эксплуатационные характеристики, но одним из самых серьёзных недостатков являлась высокая вероятность воспламенения лития при перегреве катода. Учитывая эту особенность, учёные со временем заменили чистый элемент ионами металла, вследствие чего значительно увеличилась безопасность.

Современные li-ion аккумуляторы очень надёжны и способны выдерживать большое количество циклов заряда — разряда. Они имеют минимальный эффект памяти и относительно небольшой вес. Благодаря таким свойствам, литиевая батарея нашла широкое применение во многих устройствах. Изделие может применяться в качестве АКБ, в виде батареек для бытовой техники, а также как высокоэффективный тяговый источник электроэнергии.

На сегодняшний день такие устройства обладают несколькими недостатками:

  • высокая стоимостью;
  • не любят глубокие разряды;
  • могут умереть при низких температурах;
  • теряют емкость при перегреве.

В качестве более совершенных аналогов можно найти или аккумуляторы, но они стоят заметно дороже.

Как осуществляется производство li-ion АКБ

Литий-ионные аккумуляторы производятся в несколько этапов:

  1. Изготовление электродов.
  2. Объединение электродов в батарею.
  3. Установка платы защиты.
  4. Установка батареи в корпус.
  5. Заливка электролита.
  6. Тестирование и заряд.

На всех этапах производства должна быть соблюдена технология и меры безопасности, что в итоге позволяет получить качественное изделие.

В качестве катода в литий-ионных батареях используется фольга, с нанесённым на её поверхности содержащий литий веществом.

В зависимости от назначения АКБ могут быть использованы следующие соединения лития:

  • LiCoO2;
  • ;
  • LiNiO2;
  • LiMn2О4.

При изготовлении цилиндрических источников электроэнергии типоразмера AA и AAA основной электрод скручивается в рулон, который отделяется от анода сепаратором. При большой площади катода, плёнка которого имеет минимальную толщину, удаётся добиться высокой энергоёмкости изделия.

Принцип работы и устройство li-ion аккумулятора

Литий ионный аккумулятор работает следующим образом:

  1. При подаче на контакты батареи постоянного электрического тока катионы лития перемещаются в материал анода.
  2. В процессе разрядки ионы лития покидают анод и проникают в диэлектрик на глубину до 50 нм.

В «жизни» литий-ионного аккумулятора таких циклов может быть до 3 000 при этом батарея может отдать практически весь электрический ток накопленный в процессе зарядки. Глубокий разряд не приводит к окислению пластин, что выгодно выделяет такие изделия по сравнению с кислотными АКБ.

Не все li-ion АКБ хорошо переносят глубокие разряды. Если подобная батарея установлена в телефоне или фотоаппарате (типа AAA), то при глубоком разряде контроллерная плата в целях безопасности блокирует возможность заряда батареи, поэтому без специального зарядного устройства зарядить ее не получится. Если это тяговая литиевая батарея для лодочного мотора, то ей глубокий разряд будет совсем не страшен.

В отличие от пальчиковых аккумуляторов сложные батареи состоят из нескольких отдельных источников электроэнергии соединённых параллельно или последовательно. Способ соединения зависит от того, какой показатель электричества необходимо увеличить.

Типоразмеры и виды li-ion батарей

Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение. Такие источники электрического тока используются в различных бытовых устройствах, гаджетах и даже автомобилях. Кроме этого, изготавливаются промышленные литий ионные аккумуляторы, имеющие большую ёмкость и высокое напряжение. Наиболее востребованными являются следующие типы литиевых аккумуляторов:

Название Диаметр, мм Длинна, мм Емкость, мАч
10180 10 18 90
10280 10 28 180
10440 (AAA) 10 44 250
14250 (AA/2) 14 25 250
14500 14 50 700
15270 (CR2) 15 27 750-850
16340 (CR123A) 17 34.5 750-1500
17500 (A) 17 50 1100
17670 17 67 1800
18500 18 50 1400
18650 (168A) 18 65 2200-3400
22650 22 65 2500-4000
25500 (тип C) 25 50 2500-5000
26650 26 50 2300-5000
32600 (тип D) 34 61 3000-6000

Первые две цифры таких обозначений указывают на диаметр изделия, вторая пара – на длину. Последний «0» ставится, если батарейки имеют цилиндрическую форму.

Кроме аккумуляторов цилиндрической формы промышленностью выпускаются батареи типа «» напряжением 9v и мощные промышленные АКБ с напряжением 12v, 24v, 36v и 48v.

Батарея для штабелера

В зависимости от элементов, которые добавляется в изделие, на корпусе батареи может быть следующая маркировка:

  • ICR – содержащие кобальт;
  • IMR — — — — марганец;
  • INR — — — — никель и марганец;
  • NCR — — — — никель и кобальт.

Литиевые батареи отличаются не только размером и химическими добавками, но прежде всего по ёмкости и напряжению. Эти два параметра и определяют возможность их использования в тех или иных видах электрических приборов.

Где применяются li-ion АКБ

Литий-ионные батареи не имеют альтернативы там, где необходим аккумулятор способный отдавать электричество практически в полном объёме, и совершать большое количество циклов заряд/разряд без снижения ёмкости. Преимуществом таких устройств является относительно малый вес, ведь использовать свинцовые решётки в таких устройствах нет никакой необходимости.

Учитывая высокие эксплуатационные характеристики, такие изделия могут использоваться:

  1. В качестве стартерных батарей. Литиевые аккумуляторы для автомобилей с каждым годом дешевеют, благодаря новым разработкам, которые позволяют снизить издержки производства. К сожалению цена таких батарей может быть очень высокой, поэтому многим владельцам машин такой аккумулятор оказывается не по карману. К недостаткам литий-ионных батарей можно отнести существенное падение мощности при температуре ниже минус 20 градусов, поэтому в северных районах эксплуатация таких изделий будет непрактичной.
  2. В качестве тяговых устройств. Благодаря тому, что литий-ионные аккумуляторы легко переносят глубокий разряд их нередко используют как тяговые для лодочных электромоторов. Если мощности двигателя не слишком велика, то одного заряда хватает на 5 – 6 часов непрерывной работы, что вполне достаточно для рыбалки или совершения водной прогулки. Тяговый литий-ионный аккумуляторы устанавливают и на различную погрузочную технику (электроштабелеры, электропогрузчики), работающую в закрытых помещениях.
  3. В бытовой технике. Литий-ионные аккумуляторы применяются в различных бытовых устройствах вместо стандартных батареек. У таких изделий напряжение 3,6v — 3,7v, но существуют модели, которые способны заменить обычную солевую или щелочную батарейку на 1,5 Вольта. Также можно встретить батареи напряжением 3v (15270, ), которые можно установить вместо 2 стандартных батареек.

Используются такие изделия в основном в мощных приборах, в которых обычные солевые батарейки очень быстро разряжаются.

Тяговой АКБ

Правила эксплуатации li ion аккумуляторов

На срок службы литиевого аккумулятора влияют многие факторы, знание которых позволит существенно увеличить ресурс. При использовании этого вида батарей необходимо:

  1. Стараться не допускать полного разряда батареи. Несмотря на высокую устойчивость батареи к такому воздействию, желательно не выжимать из него все «соки». Особенно следует соблюдать осторожность при эксплуатации таких батарей с ИБП и электрическими двигателями высокой мощности. Если полный разряд батареи произошёл необходимо её незамедлительно оживить, то есть подключить к специальному зарядному устройству. Раскачать аккумулятор можно и после длительного пребывания в состоянии глубокого разряда, для чего необходимо произвести качественную зарядку в течение 12 часов, затем разрядить батарею.
  2. Не допускать перезаряда. Перезаряд негативно влияет на характеристики изделия. Встроенный контроллёр не всегда способен вовремя отключить батарею, особенно в том случае, когда зарядка осуществляется в холодном помещении.

Кроме перезаряда и чрезмерного разряда батарею следует оберегать от чрезмерных механических воздействий, которые могут вызвать разгерметизацию корпуса и возгоранию внутренних компонентов аккумулятора. По этой причине существует запрет пересылки почтой батарей, в которых содержание чистого лития превышает 1 г.

Применяется в качестве АКБ для шуруповертов, ноутбуков и телефонов

Как хранить литий ионные аккумуляторы

Если возникает необходимость в длительном хранении литий-ионных аккумуляторов, то для минимизации негативного воздействия на изделия, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

  1. Хранить изделие только в сухом, прохладном помещении.
  2. Аккумулятор обязательно извлекается из электрического прибора.
  3. Батарею необходимо зарядить перед консервацией. Минимальное напряжение, при котором не будут образовываться внутренние коррозионные процессы равно 2,5 Вольт на 1 элемент.

Учитывая малый саморазряд таких батарей, хранить таким образом аккумулятор можно в течение нескольких лет, но в течение этого срока всё равно неминуемо произойдёт уменьшение ёмкости элемента.

Утилизация литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы содержат опасные для здоровья вещества, поэтому ни в коем случае не следует их разбирать в домашних условиях. После того как батарея выработает свой ресурс её необходимо сдать для дальнейшей переработки. В специализированных приёмных пунктах можно получить денежную компенсацию за старый литиевый аккумулятор, ведь такие изделия содержат дорогостоящие элементы, которые могут быть использованы повторно.

istochnikipitaniy.ru

история создания литий-ионных аккумуляторов / Toshiba corporate blog / Habr

Перед тем как перейти к чтению, посчитайте, сколько устройств с аккумуляторами находится рядом с вами в радиусе нескольких метров. Наверняка, вы увидите смартфон, планшет, «умные» часы, фитнес-трекер, ноутбук, беспроводную мышь? Во всех этих устройствах установлены литий-ионные аккумуляторы — их изобретение можно считать одним из самых важных событий в области энергетики.

Легкие, ёмкие и компактные литий-ионные аккумуляторы способствовали буму портативной электроники, существование которой ранее было невозможным. Вот только гаджеты за последние 30 лет совершили фантастический технологический скачок, а современные литий-ионные аккумуляторы почти не отличаются от первых серийных образцов начала 1990-х годов. Кто и как изобрел литий-ионные перезаряжаемые батареи, какие составы в них используются и существует ли мировой заговор против «вечных» аккумуляторов? Рассказываем.

Легенда о первой батарейке

Между первой попыткой добыть электричество химическим способом и созданием литий-ионных аккумуляторов прошло, возможно, два тысячелетия. Существует неподтверждённая догадка, что первым рукотворным гальваническим элементом в истории человечества была «багдадская батарейка», найденная в 1936 году близ Багдада археологом Вильгельмом Кёнигом. Находка, датируемая II-IV веком до н. э., представляет собой глиняный сосуд, в котором находятся медный цилиндр и железный стержень, пространство между которыми могло заполняться «электролитом» — кислотой или щелочью. Современная реконструкция находки показала, что при заполнении сосуда лимонным соком можно добиться напряжения до 0,4 вольт.


«Багдадская батарейка» вполне похожа на портативный аккумулятор. Или чехол для папирусов? Источник: Ironie / Wikimedia


Для чего могла использоваться «багдадская батарейка», если до открытия электричества оставалась пара тысяч лет? Возможно, ее использовали для аккуратного нанесения золота на статуэтки методом гальванизации — тока и напряжения с «батарейки» для этого вполне хватает. Впрочем, это только теория, ибо никаких свидетельств об использовании электричества и этой самой «батарейки» древними народами до нас не дошло: позолоту в то время наносили методом амальгамирования, а сам необычный сосуд с тем же успехом мог быть всего лишь защищенным контейнером для свитков.

Теория небольшого взрыва

Русская поговорка «Не было бы счастья, да несчастье помогло» как нельзя лучше иллюстрирует ход работ над литий-ионными батареями. Без одного неожиданного и неприятного происшествия создание новых аккумуляторов могло бы задержаться на несколько лет.

Еще в 1970-х годах британец Стэнли Уиттингэм (Stanley Whittingham), работавший в топливно-энергетической компании Exxon, при создании перезаряжаемой литиевой батареи использовал анод из сульфида титана и литиевый катод. Первая перезаряжаемая литиевая батарея демонстрировала сносные показатели по току и напряжению, только периодически взрывалась и травила окружающих газом: дисульфид титана при контакте с воздухом выделял сероводород, дышать которым как минимум неприятно, как максимум — опасно. Помимо этого, титан во все времена был очень дорогим, а в 1970-е цена дисульфида титана составляла порядка $1000 за килограмм (эквивалент $5000 в наше время). Не говоря уже о том, что металлический литий на воздухе горит. Так что Exxon свернули проект Уиттингэма от греха подальше.

В 1978 году Коити Мидзусима (Koichi Mizushima), защитивший докторскую по физике, занимался исследовательской работой в Токийском университете, когда из Оксфорда ему пришло приглашение присоединиться к группе Джона Гуденафа (John Goodenough), занимавшейся поиском новых материалов для батарейных анодов. Это был очень многообещающий проект, так как потенциал литиевых источников питания уже был известен, но укротить капризный металл толком никак не удавалось — недавние эксперименты Уиттингэма показывали, что до начала серийного производства желанных литий-ионных батарей еще далеко.

В экспериментальных аккумуляторах использовались литиевый катод и сульфидный анод. Превосходство сульфидов над другими материалами в анодах задало Мидзусиме и его коллегам направление для поисков. Ученые заказали в свою лабораторию печь для производства сульфидов прямо на месте, чтобы быстрее экспериментировать с различными соединениями. Работа с печью закончилась не очень хорошо: в один день она взорвалась и вызвала пожар. Инцидент заставил команду исследователей пересмотреть свои планы: возможно, сульфиды, несмотря на их эффективность, были не лучшим выбором. Ученые сместили свое внимание в сторону оксидов, синтезировать которые было гораздо безопасней.

После множества тестов с различными металлами, в том числе железом и марганцем, Мидзусима обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует наилучшие результаты. Вот только использовать его надо не так, как до этого предполагала команда Гуденафа, — искать не материал, поглощающий ионы лития, а материал, который охотнее всего отдает ионы лития. Кобальт подходил лучше прочих ещё и потому, что отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.

Применение кобальта стало важнейшим, но не последним шагом в деле создания литий-ионных аккумуляторов. Справившись с одной проблемой, ученые столкнулись с другой: плотность тока оказалась слишком мала, чтобы использование литий-ионных элементов было экономически оправданным. И команда, совершившая один прорыв, совершила и второй: при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удалось повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом с удвоенным напряжением и емкостью.

Первые коммерческие шаги

На этом история изобретения литий-ионных батарей не заканчивается. Несмотря на открытие Мидзусимы, у команды Гуденафа ещё не было образца, готового к серийному производству. Из-за использования металлического лития в катоде во время заряда аккумулятора ионы лития возвращались на анод не ровным слоем, а дендритами — рельефными цепочками, которые, вырастая, вызывали короткое замыкание и фейерверк.

В 1980 году марокканский ученый Рашид Язами (Rachid Yazami) обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен. Вот только существующие в то время органические электролиты быстро разлагались при соприкосновении с графитом, поэтому Язами заменил их твердым электролитом. Графитовый катод Язами был вдохновлен открытием проводимости полимеров профессором Хидэки Сиракавой (Hideki Shirakawa), за что тот получил Нобелевскую премию по химии. А графитовый катод Язами до сих пор используется в большинстве литий-ионных аккумуляторов.

Запускаем в производство? И снова нет! Прошло еще 11 лет, исследователи повышали безопасность батарей, повышали напряжение, экспериментировали с разными материалами катода, прежде чем в продажу поступил первый литий-ионный аккумулятор.

Коммерческий образец был разработан Sony и японским химическим гигантом Asahi Kasei. Им стала батарея для пленочной любительской видеокамеры Sony CCD-TR1. Она выдерживала 1000 циклов зарядки, а остаточная емкость после такого износа была вчетверо выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора аналогичного типа.

Кобальтовый камень преткновения

До открытия Коити Мидзусимой литий-кобальтового оксида кобальт не был особо востребованным металлом. Его основные залежи были обнаружены на территории Африки в государстве, сейчас известном как Демократическая Республика Конго. Конго является крупнейшим поставщиком кобальта — 54% этого металла добывается здесь. Из-за политических потрясений в стране в 1970-х цена на кобальт взлетала на 2000%, но позже вернулась к прежним значениям.

Высокий спрос рождает высокие цены. Ни в 1990-х, ни в 2000-х годах кобальт не был одним из главных металлов на планете. Но что началось с популяризацией смартфонов в 2010-е! В 2000 году спрос на металл составлял примерно 2700 тонн в год. К 2010-му, когда по планете победно шагали iPhone и Android-смартфоны, спрос подскочил до 25000 тонн и продолжил расти год от года. Сейчас количество заказов превышает объем продаваемого кобальта в 5 раз. Для справки: более половины добываемого в мире кобальта идет на производство батарей.


График цен на кобальт за последние 4 года. Комментарии излишни. Источник: Elec.ru


Если в 2017 году цена за тонну кобальта составляла в среднем $24000, то с 2017 года она пошла круто вверх, в 2018 году достигнув пика на отметке $95500. Хоть в смартфонах используется всего 5-10 грамм кобальта, рост цен на металл отразился на стоимости устройств.

И это же одна из причин, почему производители электрокаров озаботились уменьшением доли кобальта в аккумуляторах автомобилей. Например, Tesla снизила массу дефицитного металла с 11 до 4,5 кг на одну машину, а в будущем планирует найти эффективные составы без кобальта вообще. Поднявшаяся аномально высоко цена на кобальт к 2019 году опустилась до значений 2015 года, но разработчики батарей активизировали работу по отказу или снижению доли кобальта.

В традиционных литий-ионных батареях кобальт составляет порядка 60% от всей массы. Используемый в автомобилях литий-никель-марганцевый состав включает от 10% до 30% кобальта в зависимости от желаемых характеристик батареи. Литий-никель-алюминиевый состав — всего 9%. Однако эти смеси не являются полноценной заменой оксиду литий-кобальта.

Проблемы Li-Ion

На сегодняшний день литий-ионные батареи различных типов — это лучшие аккумуляторы для большинства потребителей. Ёмкие, мощные, компактные и недорогие, они всё же имеют серьёзные недостатки, ограничивающие область использования.

Пожароопасность. Для нормальной работы литий-ионному аккумулятору обязательно нужен контроллер питания, предотвращающий перезаряд и перегрев. В противном случае батарея превращается в очень пожароопасную вещь, норовящую раздуться и взорваться на жаре или при заряде от некачественного адаптера. Взрывоопасность — пожалуй, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов. Для повышения ёмкости внутри батарей уплотняется компоновка, из-за чего даже незначительное повреждение оболочки моментально приводит к пожару. Все помнят нашумевшую историю с Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты внутри корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь проникал кислород и смартфон внезапно вспыхивал. С тех пор некоторые авиакомпании требуют перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади, а на грузовых рейсах на упаковки с батареями лепят большую предупреждающую наклейку.

Разгерметизация — взрыв. Перезаряд — взрыв. За энергетический потенциал лития приходится платить мерами предосторожности

Старение. Литий-ионные батареи подвержены старению, даже если их не использовать. Поэтому купленный в качестве коллекционного нераспакованный смартфон 10-летней давности, например, самый первый iPhone, будет держать заряд значительно меньше из-за того самого старения батареи. Кстати, рекомендации хранить аккумуляторы заряженными до половины емкости имеют под собой основания — при полном заряде во время долгого хранения батарея гораздо быстрее теряет свою максимальную ёмкость.

Саморазряд. Накапливать в литий-ионных батареях энергию и хранить ее долгие годы — плохая идея. В принципе, все аккумуляторы теряют заряд, но литий-ионные делают этого особенно быстро. Если NiMH-ячейки теряют 0,08–0,33% за месяц, то Li-Ion-ячейки — по 2-3% в месяц. Таким образом, за год литий-ионных аккумулятор потеряет треть заряда, а через три года «сядет» до нуля. Справедливости ради скажем, что у никель-кадмиевых батарей всё ещё хуже — 10% в месяц. Но это совсем другая история.

Чувствительность к температуре. Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры такого аккумулятора: +20 °C градусов считаются идеальной температурой окружающей среды для литий-ионных батарей, если её уменьшить до +5 °C, то батарея отдаст устройству на 10% энергии меньше. Охлаждение ниже нуля забирает от емкости десятки процентов и к тому же влияет на здоровье аккумулятора: если пытаться его зарядить, например, от пауэр-банка — проявится «эффект памяти», а батарея безвозвратно потеряет емкость из-за образования на аноде металлического лития. При средних зимних российских температурах литий-ионная ячейка нефункциональна — оставьте телефон в январе на улице на полчаса, чтобы убедиться в этом.

Чтобы справиться с описанными проблемами, ученые экспериментируют с материалами анодов и катодов. При замене состава электродов одна большая проблема заменяется проблемами поменьше — пожаробезопасность влечет снижение жизненного цикла, а высокий ток разряда понижает удельную энергоемкость. Поэтому состав для электродов выбирается в зависимости от области применения аккумулятора.

Кто украл революцию?

Каждый год на новостных лентах появляются сообщения об очередном прорыве в деле создания чрезвычайно ёмких и выносливых аккумуляторов — вроде как, смартфоны будут работать по году без подзарядки, а заряжаться — за десять секунд. И где же та аккумуляторная революция, которую всем обещают учёные?

Часто в таких сообщениях журналисты передергивают факты, опуская какие-нибудь очень важные подробности. Например, у батареи с мгновенной зарядкой может оказаться очень низкая ёмкость, годная только для питания прикроватного будильника. Или напряжение не дотягивает и до одного вольта, хотя для смартфонов нужно 3,6 В. А ещё для получения путевки в жизнь аккумулятору нужно иметь низкую себестоимость и высокую пожаробезопасность. К сожалению, подавляющее большинство разработок уступало хотя бы по одному параметру, из-за чего «революционные» аккумуляторы так и не выходили за пределы лабораторий.


В конце 00-х Toshiba экспериментировала с перезаряжаемыми топливными ячейками на метаноле (на фото заправка батареи метанолом), но литий-ионные аккумуляторы всё равно оказались удобней. Источник: Toshiba


И, конечно, оставим в стороне теорию заговоров «производителям не выгодны бесконечные аккумуляторы». В наше время аккумуляторы в потребительских устройствах незаменяемые (вернее, поменять их можно, но сложно). 10-15 лет назад заменить испорченную батарею в мобильном телефоне было просто, но тогда источники питания и правда сильно теряли ёмкость за год-два активного использования. Современные литий-ионные аккумуляторы работают дольше, чем составляет средний жизненный цикл устройства. В смартфонах о замене батареи можно задумываться не ранее, чем через 500 циклов зарядки, когда она потеряет 10-15% емкости. И скорее сам телефон утратит актуальность, прежде чем аккумулятор окончательно выйдет из строя. То есть производители аккумуляторов зарабатывают не на замене, а на продаже батарей для новых устройств. Так что «вечная» батарейка в десятилетнем телефоне не нанесёт ущерба бизнесу.

Команда Гуденафа снова в деле

А что же стало с учеными группы Джона Гуденафа, совершившими открытие литий-кобальтового оксида и тем самым давшими жизнь эффективным литий-ионным аккумуляторам?

В 2017 году 94-летний Гуденаф заявил, что вместе с учеными Техасского университета разработал новый тип твердотельных аккумуляторов, которые могут хранить в 5-10 раз больше энергии, чем прежние литий-ионные батареи. Для этого электроды были сделаны из чистого лития и натрия. Обещана и низкая цена. Но конкретики и прогнозов о начале массового производства нет до сих пор. Учитывая долгий путь между открытием группы Гуденафа и началом серийного производства литий-ионных батарей, реальные образцы можно ждать лет через 8-10.

Коити Мидзусима продолжает исследовательскую работу в Toshiba Research Consulting Corporation. «Оглядываясь назад, я удивляюсь тому, что никто до нас не догадался использовать на аноде такой простой материал как оксид литий-кобальта. К тому моменту было испробовано множество других оксидов, поэтому, вероятно, если бы не мы, то в течение нескольких месяцев кто-нибудь другой совершил бы это открытие», — считает он.


Коити Мидзусима с наградой Королевского химического общества Великобритании, полученной за участие в создании литий-ионных аккумуляторов. Источник: Toshiba


История не терпит сослагательных наклонений, тем более что и сам господин Мидзусима признает, что прорыв в создании литий-ионных аккумуляторов был неизбежен. Но всё же интересно представить, каким был бы мир мобильной электроники без компактных и емких батарей: ноутбуки с толщиной в несколько сантиметров, огромные смартфоны, требующие зарядки два раза в день, и никаких умных часов, фитнес-браслетов, экшн-камер, квадрокоптеров и даже электромобилей. Каждый день ученые всего мира приближают новую энергетическую революцию, которая подарит нам более мощные и более компактные аккумуляторы, а вместе с ними — невероятную электронику, о которой мы пока можем только мечтать.

habr.com

маркетинговые уловки и распространенные ошибки / Habr

Неоднократно сталкиваюсь в статьях и комментариях (в статьях все же гораздо реже) с использованием неправильных данных или названий, которые впоследствии приводятся, как аргументы, хотя на самом деле они ошибочны изначально. И эти ошибки распространяются по всем ресурсам, включая Гиктаймс.

Этой статьей я бы хотел разъяснить некоторые моменты и провести своеобразный ликбез.

Литий-полимерные аккумуляторы

Сразу с главного — в свободном доступе на рынке не существует литий-полимерных аккумуляторов в техническом смысле этого слова. В англоязычном мире с этим уже разобрались, а вот на постсоветском пространстве существуют некоторые издержки в терминологии, которыми пользуются маркетологи. Маленькое отступление — не то, чтобы этим не пользовались в других регионах, но там хотя бы есть возможность проверки этой информации на родном языке.

Немного истории

Любой литий-ионный аккумулятор имеет 4 основных составляющих — два электрода (анод и катод), электролит и сепаратор. Все 4 элемента развивались и развиваются дальше. Для электролита на начало исследований (1970-ые) было предложено два варианта — жидкий или твердый электролит. В то время твердый электролит обещал больше перспектив в эксплуатации — электролит не вытекает при повреждении корпуса, сам элемент более прочный. Главным недостатком было и остается высокое сопротивление твердого электролита, оно сводит на нет физические характеристики.

Фактически снижение количества ресурсов, выделяемых компаниями на разработку твердых электролитов, произошло в начале 1990-х, когда Sony вывела на рынок аккумулятор с жидким электролитом. Сама компания Sony еще в 1988 году была уверена в будущем успехе твердого электролита.

Не смотря на ориентацию на жидкий электролит компании не перестали искать альтернативы. Одним из вариантов стали так называемые гибридные электролиты. Фактически для них используется сепаратор с мелкими отверстиями и тем же жидки электролитом. Хотя он на ощупь кажется сухим, на самом деле количество электролита в нем не отличается от подобного в обычном аккумуляторе. Как в принципе и конструкция:


Схематическая модель литий-ионного аккумулятора с катодом LiCoO2 и графитовым анодом из Википедии на немецком языке.

Подобные аккумуляторы довольно распространены, их коммерческое распространение началось еще в начале 2000-х, но физически и химически это те же самые литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом и их в общем не очень много.

Что же представлено на рынке?

Одним из способов классификации аккумуляторов является его корпус. На сегодня существуют три популярных способа упаковки:

  • Цилиндрические ячейки
  • Призматические ячейки
  • «Мешочек» или pouch-bag ячейки

Первый тип аккумуляторов известен своим использованием в ноутбуках и автомобилях Тесла (там используется его самый распространенный размер 18650).

Второй тип является измененной формой цилиндрических. Алюминиевый корпус, прямоугольник или квадрат в поперечном сечении. Популярен для стационарного применения и в транспорте.

Третий тип имеет мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах.

Последние в списке и есть те самые «полимерные». Они так называются по нескольким причинам. Самый наглый способ маркетологов — корпус из полимеров, потому и «полимерные».

Второй вариант — использование полимерного мелкопористого сепаратора. Фактически ничем не отличается от обычного литий-ионного аккумулятора.

Третий вариант, который я не встречал — давать название «полимерный» на основании использования полимерных элементов в качестве основ катодов, анодов и прочих элементов. Как правило попадает в множество аккумуляторов в пластиковом корпусе.

Проблемы терминологии

При разработке концепции идея была такова, что под понятием «жидкий электролит» понимались жидкий или гелеобразный раствор соли лития, в то время как под понятием «твердый электролит» (solid electrolyte) — твердое состояние вещества. Так как возникло желание продать то, что обещалось но чего нет, то сегодня даже в среде исследователей гелевый электролит вносят в перечень «твердых» электролитов, хотя его характеристики все же скорее гибридные. Потому можно встретить описание в научных работах «твердый гелевый электролит», которое некоторыми учеными считается вводящим в заблуждение.

Будущее полимерных электролитов

Разработки ведутся и в перспективе возможно появление аккумуляторов с настоящим полимерным электролитом. Однако по состоянию на 2015 год лабораторные образцы полимерных электролитов на основе органической химии не показывали ощутимого прогресса, потому на дату публикации статьи в обозримом будущем не предвидится массового ухода от жидкого электролита.

Проблемы с наименованием типов аккумуляторов

На рынке представлено несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов. Они имеют различные наименования, которые позволяют описывать их характеристики в плане емкости или безопасности. В целом можно встретить следующие типы:

  • Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2 — самые емкие модели имеют графитовый анод.
  • Литий-марганцево-оксидные с катодом LiMn2O4, Li2MnO3 или LMnO, последние могут выступать как просто литий-марганцовые
  • Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные или NMC с катодом LiNiMnCoO2
  • Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePO4 (LFP)
  • Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA) с катодом LiNiCoAlO2
  • Литий-титанат-оксидные (LTO) с анодом Li4Ti5O12

Сразу можно заметить неравномерность наименований. Некоторые названы в честь катода, некоторые — в честь анода. И если в первом случае еще можно попытаться угадать с высокой степенью вероятности, что анод будет графитовый, то в случае названия по аноду остается только гадать. Также на сегодня ведутся разработки и в принципе можно найти на рынке аккумулятор с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12, т.е. литий-железо-фосфатные литий-титанатовые, которые в этой системе не имеют простого маркетингового наименования По ссылке — научная статья 2013 года с испытаниями такого аккумулятора.

Причина существования такого большого числа катодов и анодов аккумуляторов в различных требованиях к аккумуляторам. Где-то нужна бóльшая безопасность, а где-то емкость или мощность. Получить представление о запасаемой энергии можно исходя из того, что каждый тип катода и анода имеет разный потенциал, как видно из изображений ниже (в качестве потенциала в 0 В выбирается потенциал металлического лития, больше разница напряжений — больше мощность, энергетическая плотность зависит от количества атомов лития):


Общая схема с потенциалами от университета г. Киль. Источник


Материал из статьи 2013 года авторов Jiantie Xu, Shixue Dou и др. Источник


Еще одна картинка от Purdue School of Engineering and Technology. Источник

Общее представление о причинах может давать следующее грубое изображение связи потенциалов элементов и возможности металлизация лития при очень низком разряде или термической нестабильности при перезаряде:


Изображения взято из курса лекций

Самые небезопасные в эксплуатации из представленных на рынке — литий-кобальтовые с графитовый анодом, самые безопасные — с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12. Естественно, наличие BMS (Battery Management System) уменьшает риски, но пренебрегать ими не стоит, тот же слишком сильный разряд эта система предотвратить не сможет, что критично для аккумуляторов с графитовым анодом.

Распространенные ошибки

Общие ошибки

Самая главная и часто встречаемая ошибка — противопоставление «обычному литий-ионному аккумулятору». Как видно выше, такого понятия, как «обычный» просто нет. И разница в напряжениях может быть самой разной для вроде бы одинаковых катодов и одинаковой для разных наборов катодов и анодов.

Вторая ошибка, не столь существенная, связанная с предыдущим пунктом, написание материала катода LiFePO4 следующим образом — LiFePo4. Здесь путаница довольно распространенная и сразу показывает, насколько можно доверять такому источнику.

Еще одна крупная ошибка — противопоставление LiPo-аккумулятора литий-ионному. Здесь несколько вариантов сравнения. Первое — это общее, связанное с заблуждением о существовании на рынке аккумуляторов с полимерным электролитом. Второе, имеющее более узкое применение, которое обычно озвучивается в следующем виде «литий-полимерный аккумулятор [речь о корпусе] лучше/хуже LFP/LTO/NCA (подставить нужное)».

Здесь идет смешение типа корпуса и начинки.

Например, по этой ссылке можно прочитать о LFP аккумуляторе в формате литий-полимерного (призматический корпус в данном случае).

Аккумулятор А долговечнее аккумулятора Б

Это еще одно своеобразное перекручивание фактов для аргументации при продаже. Такой метод применяется для разных типов аккумуляторов, но чаще всего сравнивается LFP вариант аккумулятора и литий-кобальтовый или NMC с графитовым катодом. В статьях в интернете, как рекламных так и просто популярных, можно найти соотношение полных эквивалентных циклов в 2000 к 500 в пользу LFP и как результат — рассказ о значительном превосходстве первого.

Здесь есть несколько неточностей. Во-первых, бóльшее число статей по литий-кобальтовым датировано 2005-2006 годами, в то время как для LFP — с 2012-2013. Данные по циклам основаны на этих статьях. Тем не менее разработки на останавливались и были одинаково активными для всех типов аккумуляторов и разрыв не настолько большой в один и тот же временной интервал. Во-вторых, не уточняется объем энергии, который передаст за свою жизнь аккумулятор, а ведь при равных размерах LFP имеет меньшую емкость.

Что же касается главного преимущества — бóльшего числа циклов, то если брать новые исследования и сравнивать в равных условиях серийные образцы, то разница не такая и драматическая. В общей сложности она составляет 20-30% (800 циклов против 1000 для 40°C, например), что не всегда оправдывает покупку того же LFP, так как будет передано меньше энергии за счет меньшей разницы напряжений за весь срок эксплуатации.

Источников с непосредственным сравнением нет, поскольку сам процесс тестирования длительный и дорогостоящий, осложненный договорами про не раскрывание названий участников, но сравнивая по ряду данных можно сделать вывод об аналогичных характеристиках на сегодня для всех литий-ионных аккумуляторов в плане срока эксплуатации во всех возможных сценариях, в т.ч. и простого хранения. Эти данные приведены, например, в источниках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Прочие источники

BU-206: Lithium-polymer: Substance or Hype?

Kazuo Murata, Shuichi Izuchi, Youetsu Yoshihisa «An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries»

A. Manuel Stephan, K.S. Nahm «Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer»

D. Golodnitskya, E. Straussc, E. Peleda and S. Greenbaum «Review — On Order and Disorder in Polymer Electrolytes»

Моя предыдущая статья про литий-ионные аккумуляторы — Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

habr.com

Вам может понравится

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о