Меню

Что представляют собой литий ионные аккумуляторы



Нобелевку по химии дали за литий-ионные батареи. Почему эта технология достигла предела?

В 2016 году журналисты Washington Post сделали серию материалов про добычу самых дорогостоящих элементов внутри Li-ion аккумулятора: графита, кобальта и лития. В одном из них — короткий видеоролик. Африка, узкая мутная река — почти ручей, а по берегам — женщины в разноцветных одеждах, дети и суета. Мы в самой гуще рабочего дня: все промывают в ручье куски то ли земли, то ли камней. Быть может, именно отсюда родом кобальт, без которого не может работать аккумулятор вашего смартфона: большая часть его добычи приходится на небольшой регион африканской страны Конго, где есть официальные шахты с касками и минимальными зарплатами, а есть дикая добыча.

В этом видео, кроме гуманитарной проблемы, можно рассмотреть еще и, наверное, главную техническую проблему в производстве Li-ion аккумуляторов. По оценкам аналитического агентства Bloomberg New Energy Finance, уже в 2016 году общая емкость всех проданных Li-ion составила около 120 ГВт⋅ч. В пересчете на что-то более привычное это 7,5 миллиарда стандартных телефонных аккумуляторов, то есть почти по штуке на каждого жителя Земли. Ноутбуки, смартфоны — инопланетянину люди могут показаться лишь странными животными, обслуживающими плоские коробочки с энергией: каждый вечер они приходят домой, чтобы зарядить их, а с утра отправляются тратить восполненные запасы электричества.

И, если мы еще и захотим использовать Li-ion в электромобилях, даже жестокий рынок кобальта может уже этого не выдержать: либо люди станут работать уже в совсем рабских условиях, либо — что более вероятно — они не смогут добывать кобальт в нужных для индустрии объемах.

Впрочем, это не единственная проблема Li-ion.

Запасливая коробочка

Если кто-то (например, Нобелевский комитет) захочет разобраться, кто первый придумал литий-ионный аккумулятор, то столкнется с серьезной проблемой. В одной работе впервые предложили сам принцип, в другой показали какой-нибудь компонент, а в третьей наконец собрали сам аккумулятор. В общем, истоков у технологии очень много — десятки лет исследований и сотни коллективов, перебиравших материалы и условия.

Основной принцип работы Li-ion аккумулятора достаточно прост. Внутри этой коробочки — разделенные полупроницаемой мембраной два электрода (то есть электропроводящих материала, исполненных в определенном форм-факторе — пластина, проволока, цилиндр и т.д.), погруженных в электролит (очень упрощенно — электропроводящий раствор), богатый ионами лития. В самой популярной на сегодня версии аккумулятора один его электрод сделан из графита, а другой — из оксида кобальта СoO 2.

Главные действующие лица в Li-ion аккумуляторах, как видно из названия, это атомы лития. Они очень легкие и подвижные и поэтому отлично справляются с ролью хранителей энергии. Li-ion аккумуляторы, с одной стороны, получают почти максимальную удельную емкость в расчете на массу, поскольку каждый из атомов лития может хранить по одному электрону. А с другой стороны, мобильность атомов лития позволяет аккумуляторам быстро разряжаться, выдавая неплохой ток, поскольку эти процессы напрямую связаны с перемещением лития внутри аккумулятора. В свою очередь, графит и оксид кобальта подобраны уже под литий: их кристаллические решетки организованы таким образом, что позволяют атомам лития легко проходить сквозь них.

Когда аккумулятор заряжен полностью, в графитовом электроде сидит очень много ионов лития. После того как аккумулятор подключают к внешней нагрузке, графит становится положительным электродом, а оксид кобальта — отрицательным. Положительные ионы лития под действием электрического поля начинают течь по электролиту к отрицательному электроду, а графит для соблюдения электронейтральности отдает во внешнюю цепь электроны. Дальше эти электроны совершают какую-то работу и по цепи приходят уже к CoO 2, где в конце концов «помогают» приплывшим ионам лития образовать оксид кобальта LiCoO 2.

При зарядке аккумулятора все повторяется с точностью до наоборот. Ионы лития и электроны выходят из оксида кобальта, дальше первые бегут по электролиту, а вторые — через внешнюю цепь (то есть электроны бегут в обратную сторону — отрицательный ток), чтобы снова встретиться в графите. Конец первого цикла работы.

Все вместе звучит несложно: просто ионы лития под действием внешнего поля перетекают от одного электрода к другому, попутно проталкивая через внешнюю цепь электроны. Но первое впечатление обманчиво.

Внутреннее напряжение

Мы привыкли воспринимать технологические инструменты как черные ящики. Нажимаешь на кнопку — получаешь результат, и незачем думать о том, что произошло внутри. С аккумуляторами это еще заметнее — то ли из-за из формы, то ли из-за обманчивой простоты конструкции. Но иногда «черные ящики» начинают вести себя странно, обнажая свою начинку.

Самый простой пример — это взрывы и самовозгорания прошлого поколения Li-ion аккумуляторов. Еще несколько лет назад вместо графитового электрода использовался чистый металлический литий, от которого за время многочисленных циклов зарядки и разрядки в сторону CoO 2 вырастали ветвистые дендриты. Они в конце концов «коротили» положительный и отрицательные электроды друг на друга, и через аккумулятор начинали проходить слишком большие электрические токи. Это запускало каскад неуправляемых химических реакций с выделением тепла, и аккумулятор плавился или взрывался. Похожая история недавно была с аккумуляторами Samsung Galaxy Note 7, только они взрывались даже не из-за износа, а из-за просчетов при сборке аккумуляторов.

Другой пример менее опасный, но зато более знакомый: если разрядить Li-ion аккумулятор несколько раз до нуля, то после он уже гораздо хуже держит электричество, потому что кристаллическая структура электрода из оксида кобальта частично разрушилась под напором атомов лития.

Еще больше была проблема с зарядкой. Несколько лишних процентов к величине тока или напряжения — и аккумуляторы сразу начинали деградировать. Теперь обычные пользователи защищены от этих фокусов своими зарядными устройствами и встроенными в аккумуляторы электронными схемами, контролирующими ход зарядки, но раньше такого не было и аккумуляторы выдерживали гораздо меньше циклов разряда и заряда. Вся начинка наших «черных ящиков» тщательно подогнана и смазана годами исследований, чтобы мы могли наслаждаться видимой простотой.

Теперь перед инженерами и учеными стоят новые задачи — Li-ion аккумуляторы сейчас начинают активно использовать в электротранспорте. Уже упомянутый нами отчет Bloomberg New Energy Finance предсказывает, что к 2022 году объем этого рынка обгонит рынок батареек для потребительской электроники.

Но сделать большой Li-ion аккумулятор непросто. По сути, это огромный ансамбль аккумуляторов, синхронизированных между собой. Например, аккумулятор Tesla Model S состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый, то есть всего из 1184 элементов. Эта сложная конструкция, по некоторым оценкам, стоит почти половину всей машины.

Чтобы минимизировать издержки, Илон Маск открыл в пустыне Невада огромную фабрику по изготовлению Li-ion аккумуляторов — в проекте суммарная емкость произведенных за год батареек должна достигать 35 ГВт⋅ч. Экскурсии на эту фабрику, как рассказывают посетители, проходят в режиме повышенной секретности: закрытые комнаты, запретные зоны, коммерческие тайны. Соединить почти 1200 аккумуляторов так, чтобы все они одновременно заряжались и разряжались, — это громадная, сложная задача. Цена ошибки — пожары, взрывы, потеря эффективности.

Кроме сложности масштабирования у современных Li-ion есть и другие слабости. Первая из них — это конструкционная сцепка между мощностью аккумулятора и его емкостью: если вы хотите сделать отдельный Li-ion элемент большой мощности, то он обязательно будет и большой емкости (то есть больших размеров). А если хотите маленький аккумулятор, то он автоматически будет показывать скромную мощность. Это не всегда удобно.

Вторая серьезная слабость Li-ion аккумуляторов — это их удельная емкость. Она лучшая среди всех других аккумуляторов, но все-таки достаточно скромная: тот же аккумулятор для Tesla Model S весит около 540 кг и это больше четверти от всей машины. Так что, скажем, подводные лодки на электродвигателях вряд ли появятся.

Нехорошая энергетика

Минусы Li-ion аккумуляторов вряд ли перевесили их проверенные и стабильные плюсы. Но в реальности все еще сложней, чем с деградацией электродов и лишними вольтами. Аккумулятор даже не то что непрозрачный черный ящик — он, будто атом из другой вселенной, неделим и неразложим на составляющие: в 100 граммах докторской колбасы 60 граммов воды, 20 граммов углеводов и 12 граммов белков, в футболке 60% хлопка и 40% полиэстера, а внутри Li-ion аккумулятора от 0% до 100% энергии, а остальное — пустота.

Конечно, в теории мы знаем, что это не так, но в бытовой повседневности все аккумуляторы, компьютеры и телефоны — просто обезличенный продукт без истории и состава. Они оживают, только когда ломаются, начинают «глючить», или когда чье-то любопытство (ребенка? безумца?) вскрывает начинку подручной вещи.

Журналисты Motherboard однажды измельчили айфон в промышленном блендере и выяснили, что внутри него содержится как минимум 31 различный химический элемент. Золото, галлий, ванадий — откуда они там? Зачем?

Внутри Li-ion аккумуляторов тоже много неожиданного.

Дикая добыча кобальта — это самая популярная работа в окрестностях африканского города Колвези. Мужчины небольшими группами спускаются в подземные лазы, где почти без всяких инструментов отбивают горную породу, а потом отдают ее на промывку женам и детям и в конце концов продают находки перекупщикам. Средняя выручка на мужчину получается $2−$3 в день. Добыча — за гранью выживания. Местные даже верят, что подземные залежи кобальта можно опознать по особым цветам, растущим над ними на земле.

После публикаций Washington Post о добыче кобальта почти каждый крупный производитель электроники чувствовал себя обязанным высказаться. Одни заявили, что тщательно проверяют свои цепи поставок и покупают только кобальт с легальных шахт, другие отговорились, что будут разбираться, а третьи и вовсе в стиле предвыборных обещаний заверили, что откажутся от кобальта. Поверить кому-либо сложно: электроды на кобальте пока превосходят все аналоги, а цепи поставок этого металла слишком запутаны, чтобы их отследить раз и навсегда.

Причины этому две. О первой уже сказано выше: почти 60% мировой добычи кобальта сконцентрировано в Конго — так уж вышло при создании этого мира. И поэтому, хотя в США на законодательном уровне даже есть список металлов, легальное происхождение которых необходимо доказывать продавцам, кобальт в него не входит — по-видимому, не так просто перекрыть денежный кран, питающий больше половины аккумуляторов на планете.

Вторая причина в чем-то симметрична первой: так получилось, что основной потребитель кобальта — это именно индустрия Li-ion аккумуляторов. Поэтому цены на этот металл за последнее десятилетие выросли почти в семь раз, и на быструю прибыль слетелись самые предприимчивые дельцы. Почти все скупщики, действующие на территории Конго, — китайцы, а вся добыча отправляется к ним на родину, где идет либо сразу на производство, либо на склады дальновидных предпринимателей. Резко выросший рынок кобальта, полный трудностей перевода между языками и культурных коллизий, пока живет по своим правилам, где детский труд и рабские зарплаты — вполне нормальные условия.

Читайте также:  Что важно при зарядке аккумулятора

С литием гуманитарных проблем не меньше. Почти половина этого металла добывается в трех странах — Чили, Аргентине и Боливии. Для рабочих там созданы хорошие условия, но сама разработка может очень сильно угрожать экологии региона. Из-под земли выкачивают огромное количество соленой воды, которую потом отфильтровывают, чтобы получить ценный металл. При этом на одну тонну лития нужно прокачать почти 2 миллиона литров рассола, а прииски расположены в засушливом регионе. Одни специалисты говорят, что такой подход никак не может повредить запасам питьевой воды, другие — что все может закончиться очень быстро и печально.

Наконец, если рассуждать о ресурсах для Li-ion аккумуляторов, то есть еще категория самых прагматичных опасений, лишенных всяких этических переживаний или ссылок на экологию: по некоторым оценкам, разведанных ресурсов может просто не хватить. Например, по оценкам, приведенным в недавней статье журнала Nature, уже в ближайшее десятилетие спрос на кобальт превысит объемы производства, и даже китайские склады сырья нам не помогут.

Правда, расчеты других экспертов дают противоположные результаты: кобальта хватит как минимум на 40 лет, а других металлов и того больше.

Кто прав, понять сложно. Но очевидно: если мы хотим заменить все двигатели внутреннего сгорания на электродвигатели (а такова легенда), кто-то может очень сильно пострадать от этого желания. В цепях поставок сырья для современных Li-ion аккумуляторов очень много узких мест, которые не смогут расшириться, когда рынок электротранспорта рванет вверх.

Слезть с лития

И вот что в итоге: Li-ion аккумуляторы в их современной версии хороши, но уже по своей природе плохо подходят, например, для питания электрокаров (большая масса и сложности с масштабированием) да еще требуют дорогостоящих и редких ресурсов. Выход очевиден: надо искать другие технологии.

Мягким ходом будет модификация самих Li-ion аккумуляторов — например, замена электродов. Типичный пример — это еще одна недавняя работа в Nature, авторы которой вместо электродов на основе оксида кобальта предлагают работать с оксидом марганца и проводят первые испытания технологии: хорошая емкость, хорошая стабильность, в перспективе — более дешевая конструкция, но очень высокое напряжение зарядки, которое может сделать аккумулятор слишком неудобным или опасным для использования.

Примерно так дела обстоят с каждым аналогом, а их десятки: литий-железо-фосфатные батареи, литий-никелевые, литий-флуоридные — по совокупности основных технических характеристик они проигрывают обкатанной технологии и подходят только для применения в очень узких нишах. Учитывая, что себестоимость Li-ion аккумуляторов с 2010 года уменьшилась более чем в четыре раза, а спрос уже почти насыщен, близким аналогам Li-ion аккумуляторов без принципиальных преимуществ будет сложно получить своих покупателей.

Можно было бы радикальнее крутануть руль в погоне за Новым Аккумулятором и искать принципиально другие решения электрохимического хранения энергии. Здесь выбор очень разнообразный, и много исследований проводится в том числе и в России: натрий-ионные аккумуляторы, литий-воздушные аккумуляторы, водородные топливные элементы и микробные топливные элементы, проточные батареи. При этом у каждого решения есть преимущества перед Li-ion. Например, в проточных батареях объемы энергозапаса уже не зависят от мощности элемента, и поэтому они идеально подходят, например, для стационарного хранения излишков электроэнергии в распределенных энергосетях или в сетях, завязанных на возобновляемые источники энергии.

Современная qwerty-раскладка была придумана в конце XIX века. Она оптимизирована не под скорость или удобство набора текста, а под работу механических печатных машинок: она сделана так, что самые распространенные буквы максимально разнесены в пространстве, чтобы молоточки с литерами этих букв не задевали друг друга при печати. На машинках мы давно не печатаем, и есть другие, гораздо более удобные для работы раскладки, но так уж получилось, и по сей день большая часть человечества пользуется все тем же вариантом.

C Li-ion аккумуляторами получается похожая история. Они не очень подходят для новых технологий вроде электромобилей, но цепи поставок уже выстроены, сети сбыта сплетены, и порвать их непросто. Тем интересней следить, как будут меняться технологии хранения электрической энергии под давлением наших новых потребностей. Ведь обратная связь тоже обязательно верна: не только повседневность перестраивается под действием научных открытий, но и наука с технологией мутируют, подлаживаясь под нашу жизнь.

Источник

Литий-ионные аккумуляторы

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 11.11.2016 2016-11-11

Статья просмотрена: 3525 раз

Библиографическое описание:

Садовников, А. В. Литий-ионные аккумуляторы / А. В. Садовников, В. В. Макарчук. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 23 (127). — С. 84-89. — URL: https://moluch.ru/archive/127/35051/ (дата обращения: 22.06.2021).

В этой статье представлена история появления и развития литий-ионных аккумуляторов. Детально рассмотрен данный тип аккумуляторов и технические аспекты их функционирования, а также конструкция и принцип работы, разработанных к настоящему времени литий-ионных аккумуляторов. В заключении рассмотрены тенденции развития указанного класса изделий, следуя которым, по мнению авторов статьи, можно улучшить и расширить применение литий-ионных аккумуляторов в различных областях техники.

Введение

В последние годы ученые и инженеры-разработчики электронной аппаратуры все большее внимание уделяют аккумуляторам, которые могут обеспечивать длительное автономное питание электронных устройств. Итак, литий-ионные аккумуляторы — тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике. В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в мобильных телефонах, поэтому чрезвычайно важно знать, как правильно пользоваться литиевыми источниками питания. В данной статье будут озвучены основные особенности устройства и использования Li-ion батарей, а также некоторые практические советы по их эксплуатации.

Литий-ионные аккумуляторы

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году. Но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые появились в бытовых устройствах. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (рис. 1) оказались неудачными из-за возникших проблем в обеспечении безопасности их эксплуатации, так как литий является очень активным щелочным металлом [1].

Таким образом, исследователи повернули свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

C:\Users\ilya\Desktop\универ\статья\Li_ion_Rechargeable_Batteries.jpg

Рис. 1. Литий-ионные аккумуляторы

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd-аккумуляторов, а в перспективе, с применением новых активных материалов, предполагается ее увеличить и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd-аккумуляторами.

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов. Рассмотрим достоинства и недостатки, свойственные всем их типам.

Достоинства инедостатки

Основными преимуществами Li-ion-аккумуляторов являются:

‒ большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.

‒ высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH) упрощает конструкцию. Многие изготовители сегодня ориентируются на применение для сотовых телефонов именно такого одноэлементного аккумулятора. Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо чтобы он мог отдавать более высокий ток. А это возможно только при низком внутреннем сопротивлении аккумулятора.

‒ низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов), поскольку отсутствует эффект памяти и не требуются периодические циклы разряда для восстановления емкости.

Основными недостатками Li-ion-аккумуляторов являются:

‒ необходимость встроенной схемы защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет его от слишком низкого напряжения на элементе при разряде. Кроме того, она должна ограничивать максимальные токи заряда и разряда и контролировать температуру элемента.

‒ аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion-аккумуляторов. Небольшое уменьшение емкости заметно после одного года, вне зависимости от того, используется аккумулятор или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к эксплуатации. Для уменьшения процесса старения необходимо хранить заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.

‒ более высокая стоимость по сравнению с NiCd-аккумуляторами.

По удельным характеристикам Li-ion аккумуляторы лидируют среди массово выпускаемых и занимают одно из первых мест среди применяемых электрохимических систем. Li-ion аккумуляторы обладают высокой удельной энергией (до 190 Вт•ч/кг), высоким разрядным напряжением (3,4–4 В и более, в зависимости от используемых электродных материалов), очень низким саморазрядом (менее 3 % в месяц) и длительным сроком службы (более 1000 циклов заряда/разряда, до снижения емкости на 20 % от номинальной к тысячному циклу). В зависимости от материалов и конструкции эти аккумуляторы могут работать в интервале температур от –40 до +80°C. При этом их стоимость постоянно снижается, а область применения расширяется. На рис. 2 показаны возможные сочетания удельной энергии и удельной мощности у аккумуляторов различных типов.

C:\Users\ilya\Desktop\универ\статья\Современные Li-ion аккумуляторы. Типы и конструкция_files\111_pic_2.jpg

Рис. 2. Удельные характеристики различных типов аккумуляторов

Строение иклассификация литий-ионных аккумуляторов

Деление Li+ аккумуляторов на высокомощные, высокоемкие и промежуточные, занимающие место между двумя приведенными классами, носит условный характер (синие области на рис.2). Суть этого разделения в следующем. Даже с учетом одного и того же электрохимического процесса сам аккумулятор, как конечное изделие, можно изготовить по-разному (рис. 3). Например, токопроводящую основу электрода (алюминиевая фольга на положительном электроде, медная — на отрицательном) в одном случае можно сделать тоньше и электродной массы нанести больше, а в другом — наоборот. Чем больше соотношение активных электродных масс, участвующих в электрохимических реакциях, к пассивным, не участвующим в них, тем выше удельные характеристики конечного изделия. Однако, чем меньше толщина медной фольги, тем меньший ток она может пропустить без перегрева. И наоборот, чем больше толщина слоя электродной массы, тем больше его сопротивление. То есть аккумулятор с более тонкой токопроводящей основой и более толстым слоем электродной массы будет иметь высокие показатели по запасаемой энергии, но низкую мощность, и наоборот. Поэтому для еще большего снижения сопротивления применяют активные материалы с меньшим размером частиц.

Варьируя толщину электродов, фольги, сепаратора и материалы положительного и отрицательного электрода, размеры частиц, производители могут изготовить аккумулятор с различными максимальными токами разряда и/или различной емкости в одном и том же типоразмере конечного изделия. Высокомощные аккумуляторы (с высокими токами разряда) должны иметь и более массивные токовыводы, что предохраняет аккумулятор от перегрева при больших значениях тока. К тому же для увеличения тока разряда в состав электролита и активных масс можно вносить всевозможные добавки, увеличивающие проводимость [2].

Читайте также:  Аккумулятор автомобильный для лада веста

C:\Users\ilya\Desktop\универ\статья\Современные Li-ion аккумуляторы. Типы и конструкция_files\111_pic_3.jpg

Рис. 3. Строение Li-ion аккумулятора

Высокоемкие аккумуляторы обычно имеют небольшие размеры борнов (токосъемников) в сравнении с объемом корпуса аккумулятора. Такие борны рассчитаны на относительно малые токи разряда. Например, если аккумулятор имеет емкость 10 А/ч, то максимальный ток разряда составит 20 А (получасовой режим).

Высокоемкие и высокомощные аккумуляторы предназначены для разных задач и имеют различное назначение, хотя иногда их совместно эксплуатируют в одном изделии: одни для стартерных режимов, другие — для питания слаботочной аппаратуры.

Принцип заряда

Метод заряда Li-ion аккумуляторов можно условно разделить на четыре этапа, это показано на рис. 4.

Рис. 4. Этапы зарядки Li-ion аккумуляторов

1) Подготовительный этап

Подготовительный этап необходим, когда напряжение на аккумуляторе ниже некоторого установленного значения. При долгом хранении аккумулятора вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения функционирования(СОФ) его напряжение может упасть. Малый ток заряда обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют, после чего включается основной ток заряда. Данный режим призван обеспечить более долгую жизнь аккумулятора при выходе его из заданного диапазона напряжений. Подготовительный этап применяется и в случае заряда аккумулятора при низких температурах, например ниже +5°C — для «разогрева» электродных масс.

Первоначальный заряд малым током используется и для обеспечения безопасности аккумулятора при заряде. Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности. Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация. Хотя СОФ имеет температурный датчик, при быстром заряде и относительно большой теплоемкости аккумулятора и высоком конечном значении теплопроводности разгерметизация может произойти немного раньше, чем СОФ отключит аккумуляторы от заряда. Функция заряда малым током часто возлагается не на зарядное устройство, а на СОФ батареи. В схеме СОФ это может быть дополнительный MOSFET транзистор, управляющий зарядом, включенный через последовательный резистор, ограничивающий ток, подключенный к аккумуляторной батарее.

На этом этапе заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости аккумулятора (Сн). Например, емкость аккумулятора 10 А·ч, номинальный ток заряда 0,2Сн, то есть 2 А — пятичасовой режим заряда. Понятно, что потребитель хочет, чтобы заряд осуществлялся как можно быстрее — в течение 1–2 ч, что соответствует 0,5–1Сн. Такой режим заряда обычно называют ускоренным. Для нормальной работы аккумулятора номинальный ток заряда лежит в пределах 0,2–0,5Сн, а ускоренный, как уже говорилось, — в диапазоне 0,5–1Сн. Каким максимальным током можно заряжать тот или иной аккумулятор, можно узнать в документации на конкретный тип устройства.

Чем выше ток заряда, тем меньше аккумулятор «наберет» емкости и тем пристальней необходимо следить за разогревом, чтобы его температура не вышла за установленный предел. При большом токе заряда существенно продлевается время 2-го этапа (рис. 4), когда ток постепенно падает до определенного предела. Так, например, при токе заряда 1Сн и отводимом на заряд времени в 1 ч аккумулятор достигнет своего конечного напряжения за 45–50 мин. Любой аккумулятор имеет внутреннее сопротивление. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении при большом токе заряда приведет к более быстрому достижению конечного зарядного напряжения. При достижении конечного напряжения заряд перейдет ко второму этапу — падающему току при постоянном напряжении. За оставшееся время 10–15 мин. аккумулятор «наберет» еще 0,1–0,15Сн, что в сумме составит не более 0,85–0,95Сн. При более коротком режиме заряда и лимите времени зарядная емкость будет еще меньше.

Ускоренный и номинальный режим заряда необходимо чередовать, особенно при заряде батарей, состоящих из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. При номинальном токе заряда возрастает его продолжительность. Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3]. Чем больше время такой балансировки, тем лучше будут сбалансированы аккумуляторы по емкости и, в конечном итоге, батарея отдаст емкость, близкую к номинальной при разряде.

Второй этап — это заряд при постоянном напряжении и падающем до определенного значения токе. Например, процесс считается завершенным при установлении тока заряда менее 0,1–0,05Сн (в нашем примере 100 мА). Время заряда падающим током также зависит от срока службы и количества циклов заряд/разряд

После окончания заряда напряжение на аккумуляторе падает на 0,05–0,1 В (рис. 4), приходя к своему равновесному состоянию. Держать аккумулятор продолжительное время (десятки часов) при конечном напряжении (например, 4,2–4,3 В) не рекомендуется, поэтому после фазы падающего тока желательно прекратить заряд [4].

Производители электроники предоставляют уже готовые схемотехнические решения, реализующие описанный выше алгоритм заряда, выполненные в одном корпусе микросхемы — например МАХ1551, МАХ745 и т. д. Одна из популярных микросхем, применяемых для заряда Li-ion аккумуляторов мобильных телефонов, фототехники и т. д. от сети постоянного тока 12–24 В — MC34063.

4) Stand by этап

Если Li-ion аккумуляторная батарея должна быть в зарядном устройстве для эксплуатационной готовности, то некоторые зарядные устройства применяют кратковременный подзаряд аккумулятора, чтобы компенсировать его небольшой саморазряд. Зарядное устройство срабатывает, когда напряжение в цепи падает до 4.05 В/батарею и выключить при достижении 4.20 В/батарею. Зарядные устройства, сделанные для работы в режиме эксплуатационной готовности, или режиме ожидания, часто дают упасть напряжению до 4.00 В/батарею и зарядиться только до 4.05 В/батарею вместо 4.20 В/батарею. Это приводит к продлению срока службы батареи [5].

Применение итенденции развития

Литий-ионные технологии находятся лишь на старте реализации потенциала и повсеместного промышленного внедрения. В частности Li-ion аккумуляторы применяются в авиалайнерах, автомобилях, суднах. Например, компания Boeing улучшила саму технологию производства аккумуляторов так, чтобы предотвращать прорыв элементов при повышении температуры, и изменила их конструкцию с уменьшением тепловыделения. Кроме того, была усовершенствована система зарядки. И наконец, специалисты Boeing разработали новую конструкцию батарейного отсека, которая могла бы защитить самолет в случае, если отказ аккумуляторов все-таки произойдет. Еще одна сфера, где применение литий-ионных технологий дало качественный скачок в развитии целой индустрии — это электромобили. Одним из лидеров по разработке, производству и продвижению электромобилей на литий-ионных аккумуляторах является американская компания “Tesla Motors”. Для обеспечения своих автомобилей источниками питания компания даже планирует построить завод по производству литий-ионных аккумуляторов полного цикла. Помимо этого, в 2016 году в Норвегии планируют спустить на воду электропаром. Судно, разработанное специалистами немецкой компании “Siemens” и норвежской судоверфи “Fjellstrand”, будет оборудовано двумя электродвигателями, работающими от литий-ионных аккумуляторов, и сможет перевозить на борту 120 автомобилей и 360 пассажиров. Еще одним примером является японская компания “Hirobo” из Хиросимы, инженеры которой сконструировали одноместный электрический вертолет “Hirobo Bit”, развивающий скорость до 100 км/ч. Электрический двигатель, в отличие от обычных, работает практически бесшумно, а одного заряда аккумуляторов хватает на 30 минут непрерывного полета.

Таким образом дальнейшее развитие Li-ion аккумуляторов направлено на увеличение мощности и емкости при минимизации размеров. В частности, применение кремниевых нанопроводов вместо графитовых анодов позволит втрое увеличить емкость аккумуляторных батарей и до 10 минут сократить время их зарядки. Использование Li-ion аккумуляторов большой емкости приведет к повышению экологичности за счет снижения выбросов углекислого газа у транспортных средств более, чем на 25 %.

Выводы

Сегодня Li-ion аккумуляторы по праву считаются лучшими электрохимическим источниками электропитания различных устройств. Благодаря относительно малому весу и большой удельной емкости они наиболее часто применяются в мобильных устройствах. За счет развития науки и техники Li-ion аккумуляторы преодолели свои главные недостатки: стабильность работы и большие токи разряда, чем потеснили никель-металлгидридные (Ni-MH) и никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. В дальнейшем планируется увеличить эффективность Li-ion аккумуляторов еще в два раза, что позволит полностью заменить аккумуляторы указанных выше типов. Кроме того, были специально разработаны Li-polymer аккумуляторы, которые обладают еще большей емкостью и надежностью по сравнению с Li-ion аккумуляторами.

В 2014 году французскими учеными были разработаны Na-ion аккумуляторы, которые в настоящее время являются наиболее эффективными из всех известных типов аккумуляторов, которые сейчас проходят завершающую стадию доработки и тестирования, что позволит в перспективе заменить ими Li-ion и Li-polymer аккумуляторы.

Источник

Литий-ионные аккумуляторные батареи – история создания, основные характеристики

Литий-ионные аккумуляторы являются самыми перспективными для использования в качестве тяговых батарей для электротранспорта. Технология производства литий-ионных аккумуляторов постоянно совершенствуется, совершенствуются характеристики, уменьшается стоимость производства аккумуляторов. Так что, возможно, литий-ионные аккумуляторы могут стать основным источником питания электромобилей в самом ближайшем будущем.

Первые эксперименты с литиевыми аккумуляторами относятся к 1912 году, но первые серийно произведенные литиевые батареи появились в 1970-х, они были не перезаряжаемые.

В середине 1980-х появились серийные литиевые аккумуляторы, но их использование было ограничено из-за высокой взрывоопасности — при циклированни на литиевом аноде образовывались дендритообразные кристаллы лития, которые прорастали до катода и провоцировали внутриэлементное короткое замыкание и взрыв из-за перегрева, который запускал химическую реакцию между литием и органическим электролитом.

С 1991 года началось коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов, изготовленных фирмой Sony. В этих аккумуляторах использовался кобальтат лития (LiCoO 2 ), адсорбируемый на коксовых аноде и катоде. В качестве электролита использовалась соль лития в органическом электролите. При соблюдении условий разряда/заряда данные элементы достаточно безопасны в плане взрыва.

В конце 1990-х появилось много новых игроков на рынке Lion аккумуляторов — стали производится батареи на базе кобальтатов лития на графитовых электродах, появились батареи на основе более дешевой химии — LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 . Также появились аккумуляторы с полимерным электролитом и литий-полимерные аккумуляторы для использования в миниатюрной электронике.

Источник

Что представляют собой литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы по праву можно назвать самыми распространенными в жизни человека в 21-м веке. Наиболее часто мы можем их встретить в портативных электронных устройствах — телефоны, ноутбуки, камеры, и т. д. Также, они встречаются в промышленных сферах — например, источники бесперебойного питания, охранные системы, силовые агрегаты, уличное освещение, медицинское оборудование. Можно смело сказать, что такие батареи используются в каждом современном доме.

Литий-ионные аккумуляторы

История создания

Считается, что первый экспериментатор по созданию аккумулятора на основе лития — Гилберт Ньютон Льюсис, начавший исследования в 1912 г. Но технология оказалась очень прихотливой и опасной. Первые рабочие образцы появились в 1970-х годах, но их не получалось сделать перезаряжаемыми.

Гилберт Ньютон Льюис

В 1980-х было запущено массовое производство таких батарей, но их использование было ограничено вследствие высокой взрывоопасности. Вызвано это было разрастанием дендритов на поверхности лития при взаимодействии электрода с током. Такое явление приводило к короткому замыканию и чрезвычайно высокому повышению температуры химических элементов.

Читайте также:  Как долить аккумулятор водой

Дендриты

В 1991 году случился технологический прорыв, который стал ключевым в истории создания литиевых батарей. Японская компания Sony выпускает первые в мире перезаряжаемые источники питания. Разработка заключалась в создании матрицы для интеркаляции лития, которая выстраивалась из отрицательных электродов углеродных материалов. Процесс заряда и разряда состоял в переносе ионов лития от положительно заряженного электрода к отрицательному и наоборот.

Конструкция

Литий-ионные батареи выпускают в двух формах — цилиндрические и призматические. Внутренне устройство содержит алюминиевый катод и медный анод, которые разделены пористым сепаратором, он в свою очередь пропитан электролитом. С применением в современности новых материалов, повышается ёмкость производимых аккумуляторов.

Цилиндрические батареиПризматические батареи

Для безопасности в батареях используют:

  • Клеммы-токосъемники.
  • Предохранительный клапан.
  • Герметичный корпус.
  • Защита от высокой температуры, отключающая подачу заряда в случае перегрева.
  • Система предотвращения внешних и внутренних коротких замыканий.
  • Плата контроля напряжения, которая регулирует подачу тока для эффективной и безопасной зарядки.

Технические характеристики:

  • Напряжение от 2.5 до 4.4 В.
  • Энергоемкость 110 — 243 Втч\кг.
  • Сопротивление от 5 до 15 мОм\Ач.
  • Время заряда варьируется, в среднем от 1 часа до 4.
  • Рабочие температуры от -20* до +60*. Оптимальная — комнатная.
  • Средний саморазряд около 7% в год.

Основные достоинства

  1. Высокое число циклов разряда и заряда.
  2. Длительный срок эксплуатации.
  3. Отсутствие «эффекта памяти».
  4. Достойная устойчивость к температурам.
  5. Достаточно высокое напряжение.

К минусам можно отнести чувствительность к перепаду температур и перемене напряжения, а также тот факт, что аккумулятор строго не рекомендуется доводить до полного разряда.

Литий-ионные батареи

Разновидности и сферы применения

Литиевые аккумуляторы разделяют на 6 видов по используемым химическим элементам:

  1. Литий-кобальтовые. Показывают отличную стабильность работы. Используются в портативных устройствах (телефоны и ноутбуки).
  2. Литий-марганцевые. Применяются в сфере электроинструмента и силовых агрегатов.
  3. Литий-железо-фосфатные. Питают устройства высокого тока.
  4. Литий-титанатные. Обладает низкими показателями тока, но высокой безопасностью. Ведутся разработки по увеличению электрических характеристик.
  5. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные. Используются в системах безопасности и аварийного освещения, а также при производстве электротранспорта.
  6. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные. Показывают отличную долговечность. Применяются в промышленности и медицине.

Также можно выделить еще один вид аккумуляторов — полимерные. На замену жидких и гелиевых электролитов, используемых в вышеописанных категориях, приходит твердое вещество на основе полимеров. Возможно, в будущем они заменят текущие наработки в сфере производства батарей.

Источник

Литий-ионный аккумулятор — типы и характеристики, принцип работы

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
50 1500
75 2500
90 4700

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.

Источник

Adblock
detector