Литий ионный аккумулятор это: Как Работает Литий-Ионный (Литиевый) Аккумулятор?

Содержание

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

история создания литий-ионных аккумуляторов / Блог компании Toshiba / Хабр

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.

маркетинговые уловки и распространенные ошибки / Хабр

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

Какой аккумулятор лучше литий ионный или литий полимерный

Шуруповёрты — востребованные инструменты для любого человека, особенно для тех, кто время от времени занимается ремонтом, другим видом работ дома либо для профессиональных мастеров, использующих инструменты ежедневно. Если учитывать, что в магазинах, продающих инструменты, существует много видов инструментов, то в голову сразу приходит следующий вопрос: “Какой же инструмент выбрать?”. Это касается и типа накопителей. Разные АКБ имеют разные характеристики: продолжительность работы, эффективность, продуктивность инструмента и тому подобное. Перед тем, как решить проблему с вопросом “Какой тип аккумулятора лучше для шуруповерта?”, подробно разберем каждый вид батарейных блоков, которые устанавливают в эти инструменты.

Виды накопителей

Чаще всего в электрошуруповертах установлен аккумулятор никель кадмиевый или литий ионный. Существует также Ни-Мг накопители, которые имеют свои достоинства. Однако в шуруповерты никель-металлгидридные АКБ устанавливают редко, потому что при зарядке происходит слишком быстрый нагрев электролитов.
Это также сильно заметно при беспрерывной работе с инструментом.

Преимущества никель-металлгидридных батареек

Если не учитывать их склонность к сильному нагреву, Ни-Мг АКБ имеют следующие достоинства:

  • Наносит меньший ущерб для природы.
  • Меньший эффект памяти, чем у других.

Однако они не в состоянии конкурировать с Ни-Кд и Ни-Ли батарейками. Следовательно, не рекомендуется их использовать из-за низкой эффективности. Кроме того, их уже почти не используют в конструкциях шуруповертов.

Преимущества литий-ионных аккумуляторных батарей

Если сравнивать с никель-кадмиевыми батареями, Li Ion тип АКБ были изобретены относительно недавно — в 90-х годах 20-го века. В начале этот тип аккумуляторов был опасен из-за высокого риска разрыва. Это было из-за недоработок в техническом плане.

На текущий момент большинство литий-ионных аккумуляторов оснащено специальными датчиками для слежения за нагревом элементов и уровнем заряда. Такая конструкция более надежная, безопасная и эффективная по сравнению с первыми образцами.

Какими достоинствами обладают Ли Ион АКБ?

Сравнивая их с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными АКБ, можно подметить, что обладают следующими достоинствами:

  1. Возможность использования на протяжении более долгого времени благодаря высокой ёмкости.
  2. Отсутствие обратимой потери ёмкости (так заявляет 99% производителей и продавцов Li Ion АКБ).
  3. Аккумуляторный блок из лития имеет гораздо меньший вес при такой же ёмкости, чем кадмиевая АКБ.

Благодаря своей ёмкости, этот тип более распространен в технической сфере, где профессионалы используют инструменты дольше, чем никель-кадмиевые батарейные блоки.

Аккумуляторные батареи из лития имеют ряд недостатков. Например, они более чувствительные даже к самым маленьким скачкам напряжения во время подзарядки. В противоположность кадмиевым, литий-ионные более чувствительные к низкой температуре, особенно при выходе из теплого помещения на улицу в мороз. Конечно, любой вид АКБ в той или иной мере чувствителен к резким переменам температуры, но знающие мастера утверждают, что литий-ионные — самые прихотливые.

Литий-ионные батареи также быстрее теряют заявленную ёмкость, если они долго не эксплуатируются. Срок их эксплуатации составляет не более двух или двух с половиной лет.

Преимущества никель-кадмиевых акб

Многие осуждают кадмиевые накопительные батарейки в основном из-за того, что они более старые. Однако, невзирая на многочисленное осуждение, эти блоки имеют высокие показатели.

Например, они более емкие, при работе нагреваются не так сильно, как те же никель металлгидридные аккумуляторные элементы. Однозначный плюс в сторону использования их для шуруповерта.

Это благодаря теплопоглощательных реакций, которые происходят внутри аккумулятора. Теплопоглощающая реакция — поглощение выделяемого тепла внутри какого-нибудь элемента. Такие реакция не выпускают нагрев за пределы рабочей смеси. Теплопоглощающих реакций в Ni-Mh нет. Потому они так разогреваются.

Их сокращенное название — Ni-Cd. Это одни из первых щелочных батареек, производство которых началось еще под конец 19 столетия. В 19 эпохе производство аккумуляторных блоков было более дорогим, оно подразумевало приложения многочисленных усилий. Следовательно, оно не было столь интенсивным. Ускорилось производство в середине 20 века.

Если выбирать аккумуляторный элемент для электрошуруповерта, опираясь на их практичность и продуктивность, то Ni-Cd гораздо лучше Ni-Mh. На текущий момент они являются наиболее распространенным типом АКБ не только для электрошуруповертов либо дрелей, также других предметов бытовой техники.

Преимущества Ни-Кд АКБ:

  1. Более низкий шанс перегрева элементов блока.
  2. Они не перегорят и не испортятся в короткий срок, в противоположность Ни-Мг.
  3. Оснащены прочным и надежным корпусом из металла, который предоставляет хорошую герметичность конструкции.
  4. Устойчивы к различным нежелательным химическим реакциям.
  5. Устойчивы к отрицательным температурам. Функционируют даже при -35°С.
  6. При верной эксплуатации АКБ работают около 7-11 лет.
  7. Адекватная стоимость. Li Ion накопительные батареи стоят намного больше.

Чтобы никель-кадмиевые накопительные блоки не сломались раньше положенного срока и прослужили 7-11 лет, необходимо придерживаться некоторых правил при их эксплуатации этого типа АКБ.

Прежде всего запомните, что батареям из никеля не страшен полный разряд элементов. Следовательно, при работе разряжайте накопительный блок до самого конца. После разрядки можно поставить аккумуляторную батарею на зарядку, ведь она не потеряет свою ёмкость. Это из-за того, что при зарядке Ни-Кд блоки быстро восполняют утраченную ёмкость.

Хранить их рекомендуется в разряженном состоянии, потому что обратимая потеря ёмкости, либо так называемый “эффект памяти” будет менее выражен. При хранении подзаряжать АКБ не надо. Обратимая потеря ёмкости не является сильной угрозой для батареи. Чтобы снизить ущерб от “эффекта памяти”, рекомендуется два либо три раза полностью зарядить и разрядить АКБ. Эти манипуляции помогут снизить обратимую потерю ёмкости.

Какие аккумуляторы лучше Ni Cd или Li Ion для шуруповерта

Оба вида аккумуляторных элементов хороши. Однако выбор типа батарейного блока зависит в основном от цели эксплуатации. Основное отличие литий ионных аккумуляторов (Ли Ион) от никель кадмиевых (Ни Кд) — это кол-во циклов оборота. У Li Ion их 1500, а у кадмиевых — 500. На первых взгляд кажется, что Li Ion намного лучше, ведь кол-во циклов больше в 3 раза.

Однако это не так. При выборе аккумуляторной батареи опирайтесь на то, что износ кадмиевых батарей зависит от используемых циклов. А срок Li Ion батарей — от их возраста. Кадмиевые используются на протяжении 7-11 лет, а Li Ion уже через 5 не будут работать, независимо от того пользовались ими или нет. Поэтому не рекомендуется покупать несколько литиевых блоков “на будущее”. Они все придут в неисправное состояние.

Никель-кадмиевые АКБ в свою очередь проживут намного дольше, если ими редко пользоваться, но правильно хранить. Это правило работает даже в том случае, когда шуруповерт с Ни Кд батареей не использовали целый год.

Не рекомендуется покупать б/у шуруповерт с литиевым аккумулятором, потому что есть риск, что он уже не эксплуатировался в течение длительного времени и, соответственно, неисправен или близок к неисправности.

Напротив, если б/e шуруповерт оснащен никель-кадмиевой батареей, то он сохраняет до 55-60% своего заряда. Даже если он не использовался.

Если вы используете электрошуруповерт или дрель не очень часто, то Li Ion аккумуляторы скорее всего умрут “от старости”, чем от потери всех циклов. Следовательно, если вы не профессионал-мастер, который пользуется шуруповертом ежедневно, то покупать Li Ion аккумулятор не имеет смысла. Лучше всего для бытовой эксплуатации подходят кадмиевые АКБ. Они служат долго независимо от того, сколько они пролежали без работы.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи хранятся в ящике до тех пор, пока не потеряют свои 500 циклов оборота заряда элементов. Это при том условии, что блоки хранятся в нужных условиях.

Литий в свою очередь нуждается в постоянной зарядке, потому что основное условия его хранения — минимум 60% энергии. Если не подзаряжать литий регулярно, то он с высокой вероятностью разрушится раньше срока даже при правильном хранении.

Какие аккумуляторы подходят лучше для шуруповерта? Если эксплуатация шуруповерта происходит раз-два в год, то более подходящие будут никель-кадмиевые АКБ. Если инструмент используется каждый день на протяжении нескольких часов, то предпочитать рекомендуется литий-ионные аккумуляторные блоки. АКБ отслужат положенное кол-во циклов и “отмоют” потраченные на них деньги. Не покупайте литий, если он не будет использоваться часто. Это деньги впустую. Однако, если инструмент используется при условиях отрицательной температуры, то рекомендуется использовать кадмиевую батарею.

как устроены, виды, срок службы, принцип работы и хранение

Автор Aluarius На чтение 8 мин. Просмотров 780 Опубликовано

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

СПРАВКА: Разработчик коммерческой версии аккумулятора Акиро Ёсино, а также Уиттенгем и Гуденаф в 2019 году получили Нобелевскую премию в области химии за равноценный вклад в создание литиево ионных аккумуляторов.

Принцип действия

Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.

Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.

Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.

ВНИМАНИЕ: даже находясь в режиме ожидания, аккумуляторы теряют часть заряда. При этом они обладают такой характеристикой как старение – постепенно приходящая неспособность удерживать первоначальное количество заряда.

Устройство li-ion аккумулятора

В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.

В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.

По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.

Характеристики литиевых аккумуляторов

ИНТЕРЕСНО: собственные удельные характеристики обеспечили описываемым батареям лидирующие позиции среди всех выпускаемых химических источников тока.

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

СПРАВКА: 14500 аккумулятор, размеры которого сопоставимы с пальчиковой батарейкой (АА), также популярен среди пользователей и обладает номинальной ёмкостью 900 микроампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

ВНИМАНИЕ: если температура упадёт до +4°С объём вырабатываемой батареей энергии уменьшится на 5-7% в соответствии с максимальным значением. Более низкие значения приведут к потери 40-50% ёмкости и преждевременному исчерпанию ресурса.

Саморазряд

Данная характеристика варьируется от 6% до 10% в год.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Процент оставшегося заряда, %Количество циклов зарядки
500
501500
752500
904700

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

Разновидности аккумуляторов

Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:

  • Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
  • Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
  • Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
  • Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
  • Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
  • Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.

Особенности хранения и утилизации

Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:

  • Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
  • Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
  • Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.

После окончания срока годности использованный аккумулятор нужно сдать на переработку или утилизацию, причём этими вопросами занимаются специализированные службы, занимающиеся приёмом батарей.

Обычно процедура переработки включает в себя несколько этапов:

  • Разбор корпуса.
  • Избавление от электролита путём слива.
  • Очищение электродов.
  • Переработка корпуса и переплавление металлов.

ВАЖНО: литиевые батареи нельзя выбрасывать, как обычный мусор! Для их утилизации необходимо обращаться в специальные пункты сдачи.

Существует несколько способов для определения мест сбора использованных источников тока:

  • Проект RecycleMap от «Гринпис», позволяющий после выбора и объекта утилизации города найти пункты приёма.
  • Городской сайт администрации. На случай, если регион тщательно следит за подобным процессом.
  • Сайты с объявлениями. Частные организации и подрядчики выкладывают в интернет информацию о сборе батарей.
  • Магазины бытовой техники или крупные гипермаркеты. В последнее время в подобных местах стали появляться специальные контейнеры, куда можно выбросить неработающие батарейки.

Отличие аккумуляторов Li-ion от Ni-Cd аккумуляторов

Ёмкость литий-ионных источников тока значительно выше, чем тот же показатель у никель-кадмиевых аккумуляторов, вследствие чего требуется много меньшая по весу и габаритам батарея, чтобы обеспечить одно и то же время работы.

Также в процессе хранения ввиду низкой скорости саморазряда li-ion аккумуляторы разряжаются меньше, чем другие типы, и они более терпимы к постоянной зарядке, даже если заряд батареи не обнулён.

В плане экологичности рассматриваемые батарейки меньше вредят окружающей среде, чем никель-кадмиевые, как при изготовлении, так и в использовании материалов.

Однако по отношению к Ni-Cd аккумуляторами в литий-ионных используют более дорогостоящие технологии.

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:

НазваниеДиаметр, ммДлинна, ммЕмкость, мАч
10180101890
102801028180
10440 (AAA)1044250
14250 (AA/2)1425250
145001450700
15270 (CR2)1527750-850
16340 (CR123A)1734.5750-1500
17500 (A)17501100
1767017671800
1850018501400
18650 (168A)18652200-3400
2265022652500-4000
25500 (тип C)25502500-5000
2665026502300-5000
32600 (тип D)34613000-6000

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.

Все, что вам нужно знать о литий-ионных аккумуляторах

Если не появится Тони Старк и не изобретет дуговой реактор или не пройдут исследования спутников на солнечной энергии (SPS) для беспроводной передачи энергии, нам, людям, придется полагаться на аккумуляторы для питания наши портативные или удаленные электронные устройства. Самый распространенный тип аккумуляторных батарей, которые вы найдете в бытовой электронике, - это литий-ионные батареи или литий-полимерные типа . В этой статье нас интересуют литий-ионные батареи, поскольку они, как правило, более полезны, чем все другие типы.Будь то небольшой блок питания, ноутбук или что-то такое же большое, как новая модель Tesla 3, все работает от литий-ионной батареи.

Что делает эти батареи особенными? Что вы должны знать об этом, прежде чем использовать его в своих проектах / дизайнах? Как вы будете безопасно заряжать или разряжать эти батареи? Если вам интересно узнать ответы на все эти вопросы, значит, вы попали в нужную статью, просто сядьте и прочитайте, пока я постараюсь сделать ее как можно более интересной.

История литий-ионных батарей

Идея литий-ионной батареи была впервые предложена Дж. Н. Льюисом в 1912 году, но она стала осуществимой только в 1970-х годах, и первая неперезаряжаемая литиевая батарея была выпущена на коммерческие рынки. Позже, в 1980-х годах, инженеры попытались создать первую перезаряжаемую батарею с использованием лития в качестве анодного материала, и им это частично удалось. Они не заметили, что эти типы литиевых батарей были нестабильными во время процесса зарядки, и это могло вызвать короткое замыкание внутри батареи, увеличивая температуру и вызывая тепловой пробой.

В 1991 году одна такая литиевая батарея, используемая в мобильном телефоне, взорвалась над лицом человека в Японии. Только после этого инцидента стало понятно, что с литий-ионными аккумуляторами следует обращаться с особой осторожностью. Огромное количество этих типов батарей, которые были на рынке, были отозваны производителями из соображений безопасности. Позже, после долгих исследований, Sony представила передовые литий-ионные батареи с новым химическим составом, которые используются до сих пор. Давайте на этом завершим уроки истории и рассмотрим химию литий-ионной батареи.

Литий-ионный аккумулятор Химия и работа

Как видно из названия, литий-ионные батареи используют ионы лития для выполнения своей работы. Литий - очень легкий металл с высокой плотностью энергии, это свойство позволяет батарее иметь легкий вес и обеспечивать высокий ток при небольшом форм-факторе. Плотность энергии - это количество энергии, которое может храниться в единице объема батареи. Чем выше плотность энергии, тем меньше будет батарея.Несмотря на превосходные свойства металлического лития, его нельзя использовать в качестве электрода непосредственно в батареях, поскольку литий очень нестабилен из-за своей металлической природы. Следовательно, мы используем ионы лития, которые более или менее имеют те же свойства, что и металлический литий, но они неметаллические и сравнительно безопасны в использовании.

Обычно анод литиевой батареи изготавливается из углерода, а катод батареи - из оксида кобальта или другого оксида металла. Электролит, используемый для соединения этих двух электродов, будет простым солевым раствором, содержащим ионы лития.При разряде положительно заряженные ионы лития движутся к катоду и бомбардируют его, пока он не станет положительно заряженным. Теперь, поскольку катод заряжен положительно, он притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Эти электроны проходят через нашу цепь, запитывая цепь.

Аналогично при зарядке происходит с точностью до наоборот. Электроны из зарядов перетекают в батарею, и, следовательно, ионы лития движутся к аноду, заставляя катод терять свой положительный заряд.

Знакомство с литий-ионными аккумуляторами

Достаточно теории о литий-ионных батареях, теперь давайте познакомимся практически с этими элементами, чтобы мы могли быть уверены в их использовании в наших проектах. Чаще всего используется литий-ионный аккумулятор 18650 Cells, поэтому в этой статье мы обсудим то же самое. Типичная ячейка 18650 показана на изображении ниже

Как и все батареи, литий-ионный аккумулятор также имеет номинальное напряжение и емкость.Номинальное напряжение для всех литиевых элементов будет 3,6 В , поэтому вам нужно более высокое напряжение, вам нужно объединить две или более ячейки последовательно, чтобы достичь этого. По умолчанию все литий-ионные элементы будут иметь номинальное напряжение всего ~ 3,6 В. Это напряжение может быть снижено до 3,2 В при полной разряде и до 4,2 В при полной зарядке. Всегда помните, что разрядка аккумулятора ниже 3,2 В или зарядка выше 4,2 В приведет к необратимому повреждению аккумулятора, а также может стать рецептом для фейерверков.Давайте разберем терминологию, связанную с батареей 18650, чтобы мы могли лучше понять. Имейте в виду, что эти объяснения применимы только к одной ячейке 18650, позже мы подробнее рассмотрим литий-ионные аккумуляторные батареи, когда несколько элементов подключаются последовательно или параллельно, чтобы получить гораздо более высокие номинальные значения напряжения и тока.

Номинальное напряжение: Номинальное напряжение - это фактическое номинальное напряжение элемента 18650. По умолчанию он составляет 3,6 В и останется неизменным для всех ячеек 18650, независимо от производителя.

Напряжение полного разряда: Элемент 18650 никогда не должен разряжаться ниже 3,2 В, в противном случае внутреннее сопротивление аккумулятора изменится, что приведет к необратимому повреждению аккумулятора и может также привести к взрыву.

Напряжение полной зарядки: Напряжение зарядки литий-ионного элемента составляет 4,2 В. Следует следить за тем, чтобы напряжение ячейки не увеличивалось на 4,2 В в любой момент времени.

мАч Рейтинг: Емкость элемента обычно выражается в мАч (миллиампер-час).Это значение будет варьироваться в зависимости от типа приобретенной вами ячейки. Например, предположим, что наша ячейка имеет емкость 2000 мАч, что составляет не что иное, как 2 Ач (ампер / час). Это означает, что если мы потребляем 2А от этой батареи, этого хватит на 1 час, и аналогично, если мы потребляем 1А от этой батареи, этого хватит на 2 часа. Поэтому, если вы хотите знать, как долго батарея будет питать ваш проект (время работы), вы должны рассчитать его, используя номинал мАч.

  Время работы (в часах) = Потребляемый ток / Номинальная мощность мАч  

Где потребляемый ток должен быть в пределах рейтинга C.

C Рейтинг: Если вы когда-нибудь задумывались, какое максимальное количество тока, которое вы можете потреблять от батареи, то ваш ответ может быть получен из оценки C батареи. Рейтинг C батареи снова меняется для каждой батареи, предположим, что у нас есть батарея емкостью 2 Ач с рейтингом 3C. Значение 3C означает, что аккумулятор может выдавать 3-кратный номинальный ток в ампер-часах как максимальный ток. В этом случае он может выдавать до 6 А (3 * 2 = 6) в качестве максимального тока.Обычно ячейки 18650 имеют рейтинг только 1С.

  Максимальный ток, потребляемый от батареи = номинал C * номинал Ач  

Ток зарядки: Еще одна важная характеристика аккумулятора, на которую следует обратить внимание, - это ток зарядки. Тот факт, что аккумулятор может обеспечивать максимальный ток 6А, не означает, что он может заряжаться до 6А. Максимальный зарядный ток аккумулятора будет указан в техническом описании аккумулятора, поскольку он зависит от аккумулятора. Обычно это 0.5C, что означает половину номинала Ah. Для батареи номиналом 2 Ач зарядный ток будет 1 А (0,5 * 2 = 1).

Время зарядки: Минимальное время зарядки, необходимое для зарядки одного элемента 18650, можно рассчитать, используя значение зарядного тока и емкость аккумулятора в ампер-часах. Например, зарядка аккумулятора 2 Ач с зарядным током 1 А займет около 2 часов, если предположить, что зарядное устройство использует только метод CC для зарядки элемента.

Внутреннее сопротивление (IR): Состояние и емкость аккумулятора можно предсказать, измерив внутреннее сопротивление аккумулятора.Это не что иное, как величина сопротивления между анодной (положительной) и катодной (отрицательной) выводами батареи. Типичное значение IR ячейки будет указано в таблице данных. Чем больше он отклоняется от фактического значения, тем менее эффективна батарея. Значение IR для ячейки 18650 будет в диапазоне миллиОм, и есть специальные инструменты для измерения значения IR.

Методы зарядки: Существует множество методов зарядки литий-ионных элементов.Но чаще всего используется трехступенчатая топология. Три этапа: CC, CV и непрерывная зарядка. В режиме CC (постоянный ток) ячейка заряжается постоянным зарядным током путем изменения входного напряжения. Этот режим будет активен до тех пор, пока аккумулятор не будет заряжен до определенного уровня, затем запустится режим CV (постоянное напряжение) , в котором напряжение зарядки обычно поддерживается на уровне 4,2 В. Последним режимом является импульсная зарядка или непрерывная зарядка, при которой в аккумулятор передаются небольшие импульсы тока, чтобы продлить срок службы аккумулятора.Существуют и гораздо более сложные зарядные устройства с 7-ступенчатой ​​зарядкой. Мы не будем углубляться в эту тему, так как она выходит далеко за рамки данной статьи. Но если вам интересно знать, упомяните в разделе комментариев, и позвольте, я напишу отдельную статью о зарядке литий-ионных элементов.

State Of Charge (SOC)%: Состояние заряда - это не что иное, как емкость аккумулятора, аналогичная показанной в нашем мобильном телефоне. Емкость батареи нельзя точно рассчитать с помощью клапана напряжения, она обычно рассчитывается с использованием текущего интегрирования для определения изменения емкости батареи с течением времени.

Глубина разряда (DOD)%: Как далеко может быть разряжена батарея, определяется DOD. Никакая батарея не разряжается на 100%, поскольку, как мы знаем, это приведет к ее повреждению. Обычно для всех батарей устанавливается глубина разряда 80%.

Размер ячейки: Еще одна уникальная и интересная особенность ячейки 18650 - это ее размер. Каждая ячейка будет иметь диаметр 18 мм и высоту 650 мм, поэтому эта ячейка получила название 18650.

Если вам нужно больше определений терминологии, загляните в документацию по терминологии MIT Battery, где вы обязательно найдете больше технических параметров, связанных с батареей.

Самый простой способ использования ячейки 18650

Если вы новичок и только начинаете использовать элементы 18650 для питания своего проекта, то самым простым способом будет использование готовых модулей, которые могут безопасно заряжать и разряжать элементы 18650. Единственным таким модулем является модуль TP4056, который может обрабатывать одну ячейку 18650.

Если ваш проект требует более 3,6 В в качестве входного напряжения, вы можете соединить две ячейки 18650 последовательно, чтобы получить напряжение 7.4В. В таком случае для безопасной зарядки и разрядки аккумуляторов следует использовать такой модуль, как 2S 3A, литий-ионный аккумуляторный модуль.

Для объединения двух или более ячеек 18650 мы не можем использовать обычную технику пайки для соединения между ними, вместо этого используется процесс, называемый точечной сваркой . Кроме того, при последовательном или параллельном соединении ячеек 18650 следует проявлять большую осторожность, что обсуждается в следующем параграфе.

Литий-ионный аккумулятор (последовательные и параллельные элементы)

Для питания небольшой портативной электроники или небольших устройств достаточно одной ячейки 18650 или, в лучшем случае, пары последовательно соединенных элементов.В этом типе приложения сложность меньше, так как количество задействованных батарей меньше. Но для более крупного приложения, такого как электрический велосипед / мопед или автомобили Tesla, нам нужно будет подключить множество этих элементов последовательно и параллельно, чтобы получить желаемое выходное напряжение и емкость. Например, автомобиль Tesla содержит более 6800 литиевых батарей номиналом 3,7 В и 3,1 Ач каждая. На картинке ниже показано, как он устроен внутри шасси автомобиля.

При таком большом количестве ячеек, которые нужно контролировать, нам нужна выделенная цепь, которая может безопасно заряжать, контролировать и разряжать эти ячейки.Эта специализированная система называется системой мониторинга батареи (BMS). Задача BMS - контролировать напряжение каждой литий-ионной ячейки, а также проверять ее температуру. Помимо этого, некоторые BMS также контролируют ток зарядки и разрядки системы.

При объединении более двух ячеек в батарею необходимо следить за тем, чтобы они имели одинаковый химический состав, напряжение, номинал Ач и внутреннее сопротивление. Кроме того, во время зарядки ячеек BMS гарантирует, что они заряжаются и разряжаются равномерно, чтобы в любой момент времени все батареи поддерживали одинаковое напряжение, это называется балансировкой ячеек .Помимо этого, дизайнеру также приходится беспокоиться об охлаждении этих батарей во время зарядки и разрядки, поскольку они плохо реагируют на высокие температуры.

Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно подробностей, чтобы вы немного уверенно работали с литий-ионными элементами. Если у вас есть какие-либо конкретные сомнения, не стесняйтесь оставлять их в разделе комментариев, и я постараюсь изо всех сил ответить. А пока счастливых мастеров.

Информация о литиево-ионных батареях - Battery University

Первые неперезаряжаемые литиевые батареи стали коммерчески доступными только в начале 1970-х годов.Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в 1980-х годах, но эти попытки не увенчались успехом из-за нестабильности металлического лития, используемого в качестве анодного материала.

Литий - самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию на единицу веса. Перезаряжаемые батареи с металлическим литием на аноде (отрицательные электроды) могут обеспечивать чрезвычайно высокую плотность энергии, однако циклическое переключение приводит к образованию нежелательных дендритов на аноде, которые могут проникнуть в сепаратор и вызвать короткое замыкание.Температура элемента быстро возрастет и приблизится к температуре плавления лития, что приведет к тепловому выходу из строя, также известному как «выброс пламени».

Неустойчивость, присущая металлическому литию, особенно во время зарядки, сместила исследования в сторону неметаллического раствора с использованием ионов лития . Хотя литий-ионный аккумулятор имеет меньшую удельную энергию, чем литий-металлический, он безопасен при условии, что производители ячеек и комплектующие аккумуляторных батарей соблюдают меры безопасности для поддержания напряжения и тока на безопасном уровне. В 1991 году Sony выпустила на рынок первую литий-ионную батарею, и сегодня эта химия стала наиболее многообещающей и быстрорастущей на рынке.Тем временем продолжаются исследования по разработке безопасной металлической литиевой батареи в надежде сделать ее безопасной.

В 1994 году изготовление литий-ионного цилиндрического элемента 18650 * емкостью 1100 мАч стоило более 10 долларов. В 2001 году цена упала до 2 долларов, а емкость выросла до 1900 мАч. Сегодня элементы 18650 с высокой плотностью энергии обеспечивают более 3000 мАч, и их стоимость еще больше снизилась. Снижение затрат, увеличение удельной энергии и отсутствие токсичных материалов проложили путь к тому, чтобы сделать литий-ионный аккумулятор универсально приемлемым аккумулятором для портативного применения, сначала в легкой промышленности, а теперь все чаще и в тяжелой промышленности, включая электрические силовые агрегаты для транспортных средств.

В 2009 году примерно 38 процентов всех вырученных аккумуляторов были литий-ионными. Литий-ионная аккумуляторная батарея не требует особого обслуживания, чего не могут добиться многие другие химические компании. Батарея не имеет памяти и не требует физических упражнений, чтобы поддерживать форму. Саморазряд меньше половины по сравнению с системами на основе никеля. Благодаря этому литий-ионные аккумуляторы хорошо подходят для измерения уровня топлива. Номинальное напряжение ячеек 3,6 В может питать сотовые телефоны и цифровые камеры напрямую, предлагая упрощения и снижение затрат по сравнению с многоячеечными конструкциями.Недостатком была высокая цена, но она нивелируется, особенно на потребительском рынке.

Рис. 1: Ионный поток в литий-ионной батарее
Когда элемент заряжается и разряжается, ионы перемещаются между катодом (положительный электрод) и анодом (отрицательный электрод). При разряде анод подвергается окислению или потере электронов, а катод - сокращению или увеличению количества электронов. Заряд переворачивает движение.

Все материалы в батарее обладают теоретической удельной энергией, и ключом к высокой емкости и превосходной передаче энергии является, прежде всего, катод .Последние 10 лет или около того катод характеризует литий-ионную батарею. Обычным катодным материалом является оксид лития-кобальта (или кобальтат лития), оксид лития-марганца (также известный как шпинель или манганат лития), фосфат лития-железа, , а также литий никель-марганец-кобальт (или NMC ) ** и Литий Никель Кобальт Оксид алюминия (или NCA).

В оригинальной литий-ионной батарее Sony в качестве анода (угольного продукта) использовался кокс, а с 1997 года в большинстве литий-ионных аккумуляторов используется графит для получения более пологой кривой разряда.Разработки также происходят в отношении анода, и в настоящее время испытываются некоторые добавки, в том числе сплавы на основе кремния. Кремний позволяет увеличить удельную энергию на 20–30 процентов за счет более низких токов нагрузки и сокращения срока службы. Наноструктурированный титанат лития в качестве анодной добавки демонстрирует многообещающий срок службы, хорошую нагрузочную способность, отличные низкотемпературные характеристики и превосходную безопасность, но при этом удельная энергия невысока.

Смешивание материалов катода и анода позволяет производителям усилить внутренние качества; однако улучшение в одной области может поставить под угрозу что-то другое.Производители аккумуляторов могут, например, оптимизировать удельную энергию (емкость) для увеличения времени работы, увеличить удельную мощность для улучшения токовой нагрузки, продлить срок службы для увеличения срока службы и повысить безопасность при интенсивном воздействии окружающей среды, но недостатком более высокой емкости является уменьшение нагрузки ; Оптимизация работы с большими токами снижает удельную энергию и делает его прочным элементом для длительного срока службы и повышенной безопасности, увеличивает размер батареи и увеличивает стоимость из-за более толстого разделителя.Сепаратор считается самой дорогой частью аккумулятора.

В таблице 2 приведены характеристики литий-ионных аккумуляторов с различным материалом катода. Таблица ограничивает химический состав четырьмя наиболее часто используемыми литий-ионными системами и применяет краткую форму для их описания. NMC означает никель-марганец-кобальт, химический состав, который является относительно новым и может быть адаптирован для большой емкости или большой токовой нагрузки. Литий-ионный полимер не упоминается, поскольку это не уникальный химический состав, а отличается только конструкцией.Литий-полимер может быть изготовлен с различным химическим составом, и наиболее широко используемый формат - это литий-кобальт.


Преимущества и ограничения литий-ионной батареи

В течение многих лет никель-кадмиевый аккумулятор был единственным подходящим аккумулятором для портативного оборудования от беспроводной связи до мобильных компьютеров. В начале 1990-х появились металлогидридные никель-металлогидридные и литий-ионные продукты, ведущие борьбу за признание потребителей. Сегодня литий-ионные аккумуляторы являются наиболее быстрорастущими и многообещающими.

Литий-ионный аккумулятор

Пионерские работы с литиевой батареей начались в 1912 году под руководством Г. Льюиса, но только в начале 1970-х годов, когда на рынке появились первые неперезаряжаемые литиевые батареи. литий - самый легкий из всех металлов, он имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию для веса.

Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи потерпели неудачу из-за проблем с безопасностью.Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно во время зарядки, исследования были перенесены на неметаллическую литиевую батарею с использованием ионов лития. Хотя литий-ионный аккумулятор немного ниже по плотности энергии, чем металлический литий, он безопасен при соблюдении определенных мер предосторожности при зарядке и разрядке. В 1991 году корпорация Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор. Другие производители последовали их примеру.

Плотность энергии литий-иона обычно вдвое больше, чем у стандартного никель-кадмиевого сплава.Есть потенциал для более высоких плотностей энергии. Нагрузочные характеристики достаточно хорошие и с точки зрения разряда ведут себя аналогично никель-кадмиевым. Высокое напряжение ячеек 3,6 В позволяет создавать аккумуляторные батареи только с одним элементом. Большинство современных мобильных телефонов работают на одной соте. Для блока на основе никеля потребуются три последовательно соединенных элемента на 1,2 В.

Литий-ионный аккумулятор не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химических предприятий. Память отсутствует, и для продления срока службы батареи не требуется регулярных циклов.Кроме того, саморазряд меньше чем наполовину по сравнению с никель-кадмиевым, что делает литий-ионные аккумуляторы хорошо подходящими для современных датчиков уровня топлива. литий-ионные элементы при утилизации не причиняют особого вреда.

Несмотря на общие преимущества, литий-ионный имеет свои недостатки. Он хрупок и требует схемы защиты для обеспечения безопасной работы. Встроенная в каждую батарею схема защиты ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки и предотвращает слишком низкое падение напряжения ячейки при разряде.Кроме того, контролируется температура ячейки, чтобы предотвратить скачки температуры. Максимальный ток заряда и разряда на большинстве блоков ограничен от 1С до 2С. При соблюдении этих мер предосторожности возможность появления металлического литиевого покрытия из-за перезарядки практически исключается.

Старение является проблемой для большинства литий-ионных аккумуляторов, и многие производители умалчивают об этой проблеме. Некоторое ухудшение емкости заметно через год, независимо от того, используется аккумулятор или нет.Батарея часто выходит из строя через два-три года. Следует отметить, что другие химические вещества также обладают возрастными дегенеративными эффектами. Это особенно верно для никель-металлогидрида при воздействии высоких температур окружающей среды. В то же время известно, что литий-ионные батареи в некоторых случаях служат пять лет.

Производители постоянно совершенствуют литий-ионные. Новые и улучшенные химические комбинации вводятся каждые шесть месяцев или около того. При таком быстром прогрессе сложно оценить, насколько долго обновленная батарея устареет.

Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных (и других химических веществ). Производители рекомендуют хранить при температуре 15 ° C (59 ° F). Кроме того, во время хранения аккумулятор должен быть частично заряжен. Производитель рекомендует заряд 40%.

Самый экономичный литий-ионный аккумулятор с точки зрения затрат и энергии - это цилиндрический 18650 (размер 18 мм x 65,2 мм). Эта ячейка используется для мобильных вычислений и других приложений, не требующих ультратонкой геометрии.Если требуется тонкий корпус, лучшим выбором будет призматический литий-ионный элемент. Эти клетки имеют более высокую стоимость с точки зрения накопленной энергии.

Преимущества

  • Высокая плотность энергии - потенциал для еще большей мощности.
  • Новый не требует длительного грунтования. Достаточно одной регулярной зарядки.

Как работают литий-ионные батареи | HowStuffWorks

Литий-ионные аккумуляторные батареи

бывают разных форм и размеров, но все они выглядят примерно одинаково внутри.Если бы вы разобрали аккумуляторную батарею ноутбука (то, что мы НЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания аккумулятора и возникновения пожара), вы бы обнаружили следующее:

  • Литий-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими батареями, которые почти идентичны элементам AA, либо они могут быть призматическими , что означает, что они квадратные или прямоугольные. Компьютер, который включает:
  • Один или несколько датчики для контроля температуры аккумулятора
  • A схема преобразователя и регулятора напряжения для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
  • Экранированный разъем для ноутбука , который позволяет питанию и информации поступать в аккумуляторный блок и выходить из него отвод напряжения , который контролирует энергоемкость отдельных ячеек в аккумуляторном блоке
  • Монитор состояния заряда аккумулятора , который представляет собой небольшой компьютер, который управляет всем процессом зарядки, чтобы обеспечить максимально быструю и полную зарядку аккумуляторов.

Если аккумулятор слишком нагревается во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться остыть. Если вы оставите свой ноутбук в очень жаркой машине и попытаетесь использовать его, этот компьютер может не дать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы когда-либо полностью разряжаются, аккумуляторная батарея отключится из-за разрушения элементов. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы индикатор заряда батареи ноутбука мог сказать вам, сколько заряда осталось в аккумуляторе.

Объявление

Это довольно сложный маленький компьютер, питающийся от батарей. Такое энергопотребление является одной из причин, по которой литий-ионные батареи теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц, когда они бездействуют.

Литий-ионные элементы

Как и у большинства батарей, у вас металлический корпус. Здесь особенно важно использование металла, потому что аккумулятор находится под давлением. В этом металлическом корпусе есть чувствительное к давлению вентиляционное отверстие .Если аккумулятор когда-либо станет настолько горячим, что может взорваться от избыточного давления, это отверстие сбросит дополнительное давление. Батарея, вероятно, впоследствии станет бесполезной, так что этого следует избегать. Отверстие строго предусмотрено в качестве меры безопасности. То же самое и с переключателем с положительным температурным коэффициентом (PTC) , устройством, которое должно предохранять аккумулятор от перегрева.

Этот металлический футляр содержит длинную спираль, состоящую из трех спрессованных вместе тонких листов:

  • A Положительный электрод
  • A Отрицательный электрод
  • A разделитель

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит.Эфир - один из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист пластика с микроперфорацией. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через них.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO 2 . Отрицательный электрод сделан из углерода. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному и прикрепляются к углю.Во время разряда ионы лития возвращаются в LiCoO 2 из углерода.

Движение этих ионов лития происходит при достаточно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка производит 3,7 вольт. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычного щелочного элемента AA, который вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные батареи более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. См. «Как работают батареи» для получения подробной информации о батареях различного химического состава.

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионной батареи, и выясним, почему они могут взорваться в следующий раз.

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный »Электроника

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы в настоящее время широко используются во многих сферах электронного оборудования, а также в электромобилях, электроинструментах и ​​т. Д.


Литий-ионная батарея Включает:
Литий-ионная технология Типы литий-ионных аккумуляторов Литий-полимерный аккумулятор Литий-ионная зарядка Литий-ионные преимущества и недостатки

Аккумуляторная технология включает: Обзор аккумуляторной технологии Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотный


Литий-ионные батареи обеспечивают повышенный уровень емкости в сочетании с надежной работой по сравнению с другими формами элементов и аккумуляторных технологий, включая никель-кадмиевые, Ni-Cd и никель-металлогидридные, NiMH.

Благодаря своим характеристикам литий-ионные или литий-ионные аккумуляторы стали предпочтительной технологией для производства аккумуляторов во многих областях. Литий-ионные аккумуляторы используются почти исключительно в мобильных телефонах, ноутбуках, электронных книгах и многих других электронных устройствах. В дополнение к этому, литий-ионная технология также используется для приложений питания - от мельчайших электронных гаджетов до мобильных телефонов, ноутбуков и т. Д. До электроинструментов, и есть даже литий-ионные автомобильные аккумуляторы для питания электромобилей.

С ростом зависимости от мобильных и портативных источников энергии использование литий-ионных технологий будет расти еще больше.

Следует отметить, что литий-ионные элементы и батареи перезаряжаемые, и они отличаются от литиевых батарей или элементов, которые являются первичными, а не перезаряжаемыми.

Рост и развитие литий-ионных аккумуляторов

Понимание того, как была разработана литий-ионная батарея, дает общее представление о ее работе, а также полезно увидеть, как она развивалась и как она может развиваться в будущем.

На разработку технологии литиевых батарей

ушло много лет. Он предлагает явные преимущества перед другими более старыми технологиями перезаряжаемых аккумуляторов, такими как никель-кадмиевые и никель-металлогидридные. Несмотря на преимущества иона лития, потребовались годы, чтобы его усовершенствовать и позволить ему достичь уровня зрелости, при котором его можно было бы широко использовать. Теперь он используется во многих областях, и его использование позволило многим технологиям, таким как мобильные телефоны, ноутбуки и другие предметы повседневного использования, двигаться вперед.

Идея технологии литий-ионных аккумуляторов была впервые предложена в 1970-х годах М. Уиттингемом, который использовал сульфид титана в качестве катода и металлический литий в качестве анода.Хотя элемент вырабатывал энергию, она могла быть нестабильной, так как усы лития из анода врастали в электролит и в конечном итоге касались катода.

В Университете Пенсильвании были предприняты работы по использованию графитового электрода с ионами лития в электроде. Это было большим достижением, хотя другие достижения в области ионно-литиевой технологии не сразу начали его использовать.

Однако, прежде чем можно было создать жизнеспособный элемент, необходимо было решить другие методы, связанные с зарядкой.В 1979 году Дж. Гуденаф продемонстрировал перезаряжаемый ионно-литиевый элемент, в котором в качестве положительного электрода использовался оксид лития-кобальта, а в качестве отрицательного - литий.

Следующими этапами создания работоспособной производственной ячейки была возможность перезарядки литием в графите. Это было достигнуто Рашидом Язами в 1979 году. Затем потребовалось время до 1985 года, прежде чем был разработан перезаряжаемый литий-ионный элемент, который можно было производить в больших количествах. Акира Йошино использовал углеродистый материал, в который в качестве одного электрода входили ионы лития, а в качестве другого - оксид лития-кобальта LiCoO2.Использование оксида лития-кобальта было важным, потому что он стабилен на воздухе в отличие от самого лития, и это сделало эту структуру ячейки более стабильной химически и гораздо менее опасной.

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы, основы технологии

Несмотря на то, что существует множество различных форм литий-ионных аккумуляторов, есть несколько общих элементов.

Литий-ионный аккумулятор или элемент любой формы состоит из четырех основных компонентов:

  • Катод: Это положительный электрод, который обычно изготавливается из оксида металла на основе лития той или иной формы.Существует несколько различных технологий литий-ионных аккумуляторов, поэтому точный формат будет меняться от одного типа к другому.

  • Анод: Это отрицательный электрод ионно-литиевой батареи, обычно он сделан из углерода, обычно в форме графита.

  • Электролит: Электролит расположен между двумя электродами внутри ячейки. Часто это смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат, диэтилкарбонат и т. Д.

  • Разделитель: Чтобы два электрода не касались друг друга, между анодом и катодом помещается разделитель. Это поглощает электролит и обеспечивает прохождение ионов, но предотвращает прямой контакт двух электродов внутри литиевой ячейки.

Базовая структура элемента литиево-ионной батареи

В течение всего цикла происходят два процесса, связанных с перемещением ионов лития:

  • Интеркаляция: Процесс, при котором ионы лития в литий-ионной батарее вставляются в электрод, называется интеркаляцией.
  • Деинтеркаляция: Это обратный процесс, который происходит, когда ионы лития извлекаются из электрода, то есть они возвращаются обратно.

Чтобы дать более подробное объяснение, во время разряда литий-ионного элемента, когда он подает ток во внешнюю цепь, на аноде происходит реакция окисления. Это производит ионы лития и свободные электроны, а ионы лития проходят через электролит к катоду - электроны проходят через внешнюю цепь.Затем они рекомбинируют на катоде в противоположность реакции окисления, то есть реакции восстановления.

Таким образом, химическая энергия, хранящаяся в ионно-литиевом элементе, преобразуется в электрическую энергию, которая может использоваться в электрических и электронных схемах.

Во время цикла зарядки реакции происходят в обратном направлении, когда ионы лития проходят от катода через электролит к аноду. Электроны, поступающие из внешней цепи, затем объединяются с ионами лития, чтобы обеспечить накопленную электрическую энергию.

Следует помнить, что процесс зарядки не совсем эффективен - некоторая энергия теряется в виде тепла, хотя обычно уровень эффективности составляет около 95% или чуть меньше.

Управление литий-ионным аккумулятором

Литий-ионные батареи

должны эксплуатироваться в относительно строгих пределах. Им не нравится, когда они чрезмерно заряжены, полностью разряжены, подвергаются коротким замыканиям и т.п.

Литиевые батареи

неизменно сопряжены с системой управления батареями.Он отслеживает уровень заряда, температуру, напряжение и ряд других факторов.

Система управления литиевой батареей управляет зарядкой и разрядкой, отмечая уровень заряда, отсекая аккумулятор от подачи большего количества заряда, когда он почти разряжен (они не любят полностью разряжаться), управляет циклом зарядки и применяет требуемый формат для заряжать во время зарядки, так как обычно используются два или более режима. Он также прекращает заряд, когда батарея или элемент полностью заряжены.Функция управления также обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрева.

Соответственно, система управления батареями является неотъемлемой частью любой системы литий-ионных батарей.

Варианты литий-ионного аккумулятора

Хотя литий-ионные батареи обычно называют их общим названием, на самом деле существует несколько различных типов литий-ионных батарей.

Типичный ионно-литиевый аккумулятор, используемый для питания электроинструмента

Различные типы ионно-литиевых аккумуляторов имеют очень похожие характеристики, но каждый со своими уникальными характеристиками.Соответственно, разные типы используются в разных приложениях.


Литий-ионные аккумуляторы Обзор технологий
Имя Составляющие Сокращение Основные характеристики Приложения
Литий-Кобальт LiCoO2 LCO Высокая производительность Мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты
Литий оксид марганца LiMn2O4 LMO Меньшая вместимость Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий-фосфат железа LiFePO4 LFP Меньшая вместимость Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий, никель, марганец, кобальт, оксид LiNiMnCoO2 NMC Меньшая вместимость Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий Никель Кобальт Оксид алюминия LiNiCoAlO2 NCA Электромобили и сетевое хранилище
Титанат лития Li4Ti5O12 LTO Электромобили и сетевое хранилище

Литий-полимерные батареи

Новая и интересная разработка литиевых батарей - это литий-полимерный вариант.Хотя это не другая технология аккумуляторов, чем те, которые используют другие материалы анода и катода, в ней действительно используется другая форма электролита.

Используя этот другой электролит, аккумуляторы можно изготавливать в гораздо большем количестве форматов, даже если они гибкие.

В литиево-полимерной батарее могут использоваться те же материалы анода и катода, что и в других батареях, дающих аналогичные характеристики, но ее гораздо проще изготавливать в различных формах. Это делает его идеальным вариантом для производителей оборудования, которым требуются особые формы, соответствующие малым форм-факторам их конструкций электронного оборудования.


Форматы литий-ионных батарей

Литий-ионные элементы

могут быть изготовлены в различных формах, и, как и следовало ожидать, существует ряд принятых стандартных форматов. Это позволяет настраивать оборудование на большие партии элементов и батарей одинакового размера, тем самым снижая затраты.

Литий-ионные элементы и батареи обычно не соответствуют форматам AAA, AA, C и D, используемым для многих первичных элементов, а также для никель-кадмиевых, Ni-Cd или никель-металлогидридных, NiMH элементов.Вместо этого они используют разные форматы.

Очевидно, что для разных приложений существуют разные форматы, но в основном используются одни и те же принципы.

  • Малые цилиндрические элементы: Цилиндрический формат используется во множестве приложений, и часто батареи состоят из серии этих элементов. Типичные размеры 18 × 65 мм, 21 × 50 мм и 26 × 65 мм.

  • Большой силовой цилиндрический: Во многих отношениях это большая версия цилиндрического типа меньшего размера, но обычно с большими винтовыми клеммами для обеспечения эффективной передачи тока с низким сопротивлением.

  • Формат пакета: Тип аккумулятора, известный как «пакет», состоит из плоского пакета из фольги, который можно сравнить с упаковками жевательной резинки. Этот формат обычно используется для литий-полимерных элементов и аккумуляторов, так как их легко изготовить для определенных форм, что позволяет производителям электронных устройств и оборудования иметь аккумуляторы определенной формы для заполнения доступного пространства.

  • Призматический: Этот формат обычно представляет собой батарею плоской или прямоугольной формы, часто используемую для питания электронных устройств и т.п.Типичные размеры - 5 × 34 × 50 мм и 10 × 34 × 50 мм, хотя, как и в других стилях, также доступны размеры, специфичные для поставщика, и другие, которые изготавливаются на заказ.

  • Большой жесткий пластиковый футляр: Эти большие жесткие футляры обычно используются для более крупного электрического оборудования и транспортных средств.

Руководство по использованию литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи или литий-ионные батареи могут быть относительно дорогими. Поэтому стоит следовать простым рекомендациям, которые помогут обеспечить максимальный срок службы.

  • Не разряжать полностью: Литий-ионные аккумуляторы необходимо зарядить до того, как аккумулятор полностью разрядится. Это, вероятно, самый важный фактор в общем использовании. Оставление их полностью разряженным значительно сокращает их жизнь. Например, часто рекомендуется заряжать смартфоны (в которых используются литий-ионные аккумуляторы), когда они достигают 10-20% заряда. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы никогда не должны разряжаться ниже минимального уровня 2.От 4 В до 3,0 В на элемент.
  • Уход при неиспользовании: Если литий-ионный аккумулятор не будет использоваться в течение длительного периода времени, в идеале его следует довести до уровня заряда примерно от 40% до 60% от полного заряда. В идеале его следует периодически заряжать, чтобы преодолеть последствия саморазряда (около 2% в месяц).
  • Хранить в прохладном месте: Литий-ионные аккумуляторы следует хранить в прохладном месте. Если держать их в прохладном месте, возможно, в холодильнике, процесс старения замедляется.По этой причине литий-ионные аккумуляторы не следует хранить в автомобилях в солнечные дни, так как температура значительно повышается.
  • Не замораживайте: Литий-ионные аккумуляторы не должны подвергаться очень низким температурам - большинство электролитов литий-ионных аккумуляторов замерзают примерно при -40 ° C. Это может помешать им работать в некоторых приложениях, где оборудование требует питания при экстремальных температурах.
  • Покупайте новые батареи только при необходимости: Литий-ионные батареи следует покупать только при необходимости, поскольку процесс старения начинается сразу же после производства батареи.

Принятие некоторых мер предосторожности при их использовании позволяет продлить срок службы литий-ионной батареи. Несмотря на то, что существует максимальный срок службы, неправильное использование и уход значительно сократят его.

Литий-ионные батареи и элементы

в настоящее время являются одной из доминирующих используемых технологий, которые пришли на смену более старым никель-кадмиевым батареям и никель-металлогидридным батареям NiMH.

Литий-ионные аккумуляторы

используются для питания множества различных устройств, от небольших наушников и наушников до мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков и множества других электронных устройств и предметов.В аккумуляторных электроинструментах широко используются литий-ионные батареи, как и другие электрические устройства. Многие автомобили теперь питаются от батарей, а литий-ионная технология обеспечивает гораздо лучшее соотношение мощности и веса, и, соответственно, они также широко используются в этой области.

В связи с тем, что в технологию литий-ионных аккумуляторов вкладывается огромное количество средств, уровни производительности будут расти, а вместе с этим - и их использование.

Другие электронные компоненты:
резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Могут ли они действительно изменить мир?

Литий-ионные батареи были впервые коммерчески представлены Sony в 1991 году. С тех пор были внесены значительные улучшения и проведены бесчисленные исследования, направленные на повышение производительности этих батарей.

Литий-ионные аккумуляторы незаменимы сегодня, когда мы говорим о качестве жизни людей в современном обществе. Ее легко можно назвать доминирующей технологией, которая широко используется в портативных электронных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки и планшеты.

СВЯЗАННЫЙ: ЭТА НОВАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОМОБИЛЯ С ДИАПАЗОНОМ 200 МИЛЬ МОЖЕТ ЗАРЯДИТЬ ТОЛЬКО ЗА 6 МИНУТ

Даже за пределами этого приложения, литий-ионные аккумуляторы сегодня можно рассматривать как предпочтительный вариант, когда дело доходит до развивающегося сектора электрические транспортные средства.

Хотя эта технология все еще недостаточно широко используется в области систем электроснабжения, преимущественно в ветроэнергетике и фотоэлектрической энергии, тем не менее, она имеет огромный глобальный потенциал с точки зрения сокращения выбросов углерода и обеспечения энергетической устойчивости.

Литий-ионные батареи можно легко рассматривать как батареи, которые потенциально могут изменить мир. Сегодня они стали предпочтительными батареями в бесчисленном количестве бытовой электроники и электромобилей Tesla, а также других глобальных конгломератов.

Несмотря на то, что эти батареи обещают избавить мир от ряда проблем в будущем, у этой батареи все еще есть несколько недостатков, которые необходимо устранить.

Во-первых, когда используются литий-металлические электроды, они производят более высокую плотность энергии, чем традиционные батареи.Тем не менее, на литиевых металлических электродах потенциально могут образовываться дендриты, которые представляют собой структуры, похожие на пальцы, и которые ответственны за окончательное короткое замыкание батареи.

Проблема была смягчена за счет использования угольного электрода, содержащего ионы лития, вместо электрода из металлического лития. Это привело к появлению литий-ионных аккумуляторов, несмотря на то, что они имели меньшую емкость хранения энергии по сравнению с батареей, в которой используется литий-металлический электрод.

Другой недостаток литий-ионных аккумуляторов, который возник довольно часто, заключается в том, что они могут легко загореться или взорваться в случае повреждения.Это случилось с мобильными телефонами и ноутбуками.

Если эти батареи повредятся, энергия, находящаяся внутри батареи, будет быстро высвобождаться за короткий промежуток времени, и именно это может вызвать интенсивный пожар.

Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов преимущества литий-ионных аккумуляторов, поскольку они способны изменить мир. Одно из главных преимуществ этой технологии - высокая удельная энергия. Кроме того, саморазряд литий-ионных элементов значительно ниже, чем у любых других аккумуляторов.

Кроме того, для хорошей работы литий-ионные аккумуляторы требуют очень низкого технического обслуживания. Их также не нужно заряжать при первом заряде, и они доступны в различных типах.

В то время как некоторые литий-ионные батареи имеют высокую плотность тока, которая идеально подходит для бытового электронного оборудования, другие батареи имеют высокий уровень тока, который может быть идеальным для электромобилей и электроинструментов.

Источник: Kristoferb / Wikimedia Commons

Литий-ионный аккумулятор легко прослужит 2-3 года, независимо от того, используется он или просто лежит неиспользованный на полке.Поэтому рекомендуется использовать батареи по мере необходимости, поскольку они не прослужат вам десять лет.

Кроме того, при покупке нового литиевого аккумулятора убедитесь, что он новый. Если аккумулятор пролежал в магазине на одинокой полке больше года, он не принесет вам особой пользы и быстро разрядится.

Поэтому всегда проверяйте даты производства перед покупкой литий-ионной аккумуляторной батареи. Кроме того, эти батареи также могут легко разлагаться под воздействием тепла, поэтому вы должны избегать этого, чтобы продлить срок службы батареи.

Легко озадачиться изобилием батарей на рынке, все они тонкие, как бумага, обладают сверхвысокой плотностью энергии и обеспечивают тысячи циклов разрядки / зарядки. Насколько реальны эти батарейки?

Может быть, они настоящие, но все эти функции определенно не проявляются в одном аккумуляторе. Некоторые батареи имеют небольшие размеры и рассчитаны на длительный срок службы, а это означает, что они будут изнашиваться преждевременно и, скорее всего, не прослужат вам долгое время.

Другие могут быть большими и громоздкими по размеру и рассчитаны на сверхдлительный срок службы.Третий вид может предлагать все эти желательные атрибуты, но может быть либо для коммерческого использования, либо по завышенной цене.

При этом производители аккумуляторов хорошо знают требования клиентов и поэтому уделяют одинаковое внимание высокой плотности энергии, долговечности, компактным размерам и низкой цене. Однако, как и все батареи, у литий-ионного аккумулятора есть некоторые компромиссы.

Из-за своей непредсказуемости эти батареи считаются в значительной степени небезопасными для личного использования.Кроме того, высокая цена этих аккумуляторов также затрудняет их покупку на коммерческом рынке.

Однако литий-ионный аккумулятор не зря называют чудо-аккумулятором. Их преимущества намного перевешивают недостатки, поэтому они известны как будущее мира.

СВЯЗАННЫЙ: МОГУТ ЛИ УЛЬТРАКОНДЕНСАТОРЫ ЗАМЕНИТЬ БАТАРЕИ В БУДУЩИХ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯХ?

Литий-ионные батареи, безусловно, революционны по своей природе и привели к большим изменениям в мире аккумуляторов.Однако у них все еще есть определенные недостатки, которые могут сделать их технологией в будущем под сомнением.

Учитывая обширные исследования и возможности использования в электронных автомобилях, перспективы этой батареи действительно выглядят многообещающими. Необходимо вложить больше средств и человеческих ресурсов для продолжения исследований в этой области, чтобы устранить недостатки этих батарей, и они могут оказаться более полезными для будущего поколения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *