Как устроен литиевый аккумулятор. Литий-ионные аккумуляторы: устройство, принцип работы и применение

Как устроены литий-ионные аккумуляторы. Из каких компонентов состоят литий-ионные батареи. Как работают литий-ионные аккумуляторы. Где применяются литий-ионные батареи. Какие преимущества и недостатки у литий-ионных аккумуляторов.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор состоит из следующих основных компонентов:

• Катод (положительный электрод) — обычно из оксида лития и кобальта или других соединений лития
• Анод (отрицательный электрод) — чаще всего из графита
• Электролит — проводящая среда, обычно раствор соли лития в органическом растворителе
• Сепаратор — пористая мембрана, разделяющая катод и анод
• Токосъемники — металлические пластины для подключения электродов к внешней цепи
• Корпус — герметичный контейнер, содержащий все компоненты

Катод и анод нанесены тонким слоем на токосъемники и разделены пропитанным электролитом сепаратором. Все это находится в герметичном корпусе с контактными выводами.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Работа литий-ионного аккумулятора основана на перемещении ионов лития между катодом и анодом:

1. При зарядке ионы лития движутся от катода к аноду через электролит
2. При разрядке ионы лития движутся обратно от анода к катоду
3. Электроны при этом движутся по внешней цепи в противоположном направлении
4. Движение ионов и электронов создает электрический ток во внешней цепи

Таким образом, литий-ионный аккумулятор работает как ионный насос, перекачивающий ионы лития между электродами. Этот процесс обратим, что позволяет многократно заряжать и разряжать аккумулятор.

Области применения литий-ионных аккумуляторов

Благодаря своим характеристикам литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение:

• Мобильные телефоны, смартфоны, планшеты
• Ноутбуки и другая портативная электроника
• Электромобили и гибридные автомобили
• Электроинструменты
• Бытовая техника
• Системы накопления энергии
• Космические аппараты

Литий-ионные батареи стали стандартом для большинства портативных электронных устройств. Их доля на рынке аккумуляторов продолжает расти.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Основные достоинства литий-ионных аккумуляторов:

• Высокая удельная энергоемкость
• Низкий саморазряд
• Отсутствие эффекта памяти
• Широкий диапазон рабочих температур
• Большое количество циклов заряда-разряда
• Быстрый заряд
• Простота обслуживания

Эти преимущества обеспечили литий-ионным аккумуляторам лидирующие позиции на рынке перезаряжаемых батарей.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

У литий-ионных батарей есть и некоторые недостатки:

• Высокая стоимость производства
• Деградация при хранении и эксплуатации
• Опасность возгорания при повреждении
• Необходимость схем защиты
• Чувствительность к глубоким разрядам

Однако преимущества литий-ионных аккумуляторов перевешивают их недостатки в большинстве применений. Ведутся активные исследования по устранению существующих недостатков.

Перспективы развития литий-ионных аккумуляторов

Основные направления совершенствования литий-ионных батарей:

• Повышение удельной энергоемкости
• Увеличение срока службы
• Улучшение безопасности
• Снижение стоимости производства
• Разработка новых материалов электродов и электролитов

Ожидается, что в ближайшие годы характеристики литий-ионных аккумуляторов продолжат улучшаться. Это позволит еще больше расширить сферы их применения.

Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Для обеспечения длительной и безопасной работы литий-ионных батарей необходимо соблюдать следующие правила:

• Не допускать глубокого разряда аккумулятора
• Избегать перезаряда и перегрева при зарядке
• Хранить при температуре 15-25°C и заряде 40-60%
• Использовать только совместимые зарядные устройства
• Не подвергать механическим повреждениям
• Не допускать короткого замыкания контактов

При соблюдении этих правил литий-ионные аккумуляторы способны служить долго и надежно.

Альтернативы литий-ионным аккумуляторам

Несмотря на доминирование литий-ионных батарей, разрабатываются и другие перспективные технологии:

• Литий-полимерные аккумуляторы
• Литий-серные батареи
• Натрий-ионные аккумуляторы
• Твердотельные батареи
• Металл-воздушные аккумуляторы

Однако пока ни одна из этих технологий не может полностью заменить литий-ионные аккумуляторы во всех сферах применения. Литий-ионные батареи остаются наиболее универсальным и перспективным типом перезаряжаемых источников тока.

Как устроен литиевый аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы — вид АКБ, чаще всего применяемый в следующих видах девайсов: смартфоны, планшеты, ноутбуки. Их часто используют в бытовой технике, электротранспорте — скутерах и велосипедах, в качестве накопителя в энергосистемах.

Как устроены литий-ионные аккумуляторы

В аккумуляторах этого типа анодный и катодный материал наносят на фольгу, в первом случае медную, во втором — алюминиевую. Катодный материал включается в себя растворы литиевых солей двух видов кислот — никеля и кобальта. Гелеобразный электролит состоит из солей лития. Корпус аккумулятора герметичен, внутри его располагаются сепараторы и электроды, к корпусу присоединены клеммы. Важно понять, как устроен литиевый аккумулятор с точки зрения защиты от избыточного давления — в корпусе есть предохранительный клапан, открывающийся в случае аварийных ситуаций.

К числу преимуществ литий-ионных АКБ относятся большая ёмкость на единицу массы, благодаря чему они имеют скромный вес и объем, сравнительно со свинцовыми конкурентами. ВКПД устройства составляет от 94%, при эксплуатации АКБ не загрязняет окружающую среду, благодаря чему они соответствуют европейским стандартам. На сегодняшний день это самый дорогой вид из всех существующих на рынке АКБ (узнать о том, что такое LiFePO4, можно в предыдущей статье).

Как устроены Li-ion аккумуляторы — особенности конструкции

По принципу строения АКБ делятся на два вида: призматические и цилиндрические. Те модели, у которых электродные пластины складываются последовательно одна на другую, называются призматическими. Во втором варианте электроды сворачиваются в рулон, помещают в корпус из стали или алюминия, соединяющий их с отрицательным электродом.

Большей плотности можно достичь при установке электродов в призматических моделях, но в таких устройствах сжимающие усилия на электроды поддерживать несколько сложней. В некоторых моделях призматических аккумуляторов используют рулонную сборку — в них электроды скручивают в спираль. Такой метод сборки позволяет объединить преимущества обоих видов АКБ.

Большинство Li-ion аккумуляторов, которые есть на современном рынке, — это модели призматические, поскольку их главное предназначение — снабжать электроэнергией телефоны, планшеты и ноутбуки. Конструкции данного вида АКБ не универсальны — как правило, производители девайсов против использования аккумуляторов других компаний.

Отдельной разновидностью Li-ion батарей являются те, оболочка которых сделана из ламинированной фольги. В такой батарее не используют корпус, а просто помещают её в пакет из фольги, который герметично запаивают.

Преимущества подобного конструкционного решения очевидны: более легкий вес и различные варианты формы и размеров.

У таких устройств токовыводы могут быть расположены с одной стороны или с противоположных. К их минусам относятся меньший температурный диапазон, а также более часто возникающая проблема вздутия.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей

Понять, как устроены литий-ионные аккумуляторы, невозможно, если не разобраться в функционировании системы защиты. Очевиднее преимущество данного вида АКБ — он имеет самую совершенную систему защиты, состоящую из:

1. ключа на полевом транзисторе;
2. термопредохранителя;
3. выключателя, контролирующего уровень давления.

Схема батареи предусматривает на полевом транзисторе ключ, прерывающий процесс заряда, если значение напряжения достигает 4,20В. Кроме этого, в конструкции предусмотрен термопредохранитель, разъединяющий цепь при нагреве устройства до 90 градусов Цельсия. Некоторые модели оснащены выключателем, разрывающим цепь при достижении давления 10,5 кг/м2 внутри корпуса.

В конструкции батареи предусмотрена защита от глубокого разряда, которая контролирует напряжение каждого элемента и разъединяет цепь при возникновении нагрузки 2,7В. Схема защиты срабатывает в двух случаях: при достижении верхнего и нижнего предела значений. Она является ограничением допустимого рабочего тока.

В Li-ion батареях с небольшой емкостью и мини-габаритами вместо схемы защиты используют предохранитель. Это позитивно сказывается на стоимости АКБ, но при использовании зарядных устройств с простой конструкцией может произойти перезаряд батареи, что выведет её из строя. Определить эту неисправность довольно легко: батарея перегревается и вздувается. Поиск лучшего материала для катода привел к появлению разных подвидов литиевых АКБ: литиево-марганцевые, литий-кобальтовые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и других. Разобравшись, как устроен литиевый аккумулятор, владелец сможет сделать правильный выбор при покупке. Приобрести комплектующие и батареи можно тут .

Результат — покупка модели, которая будет удовлетворять запросы и прослужит долгий период.

Как устроен литий-ионный (Li-ion) аккумулятор. Как подобрать аккумулятор по размерам

 

В кабинете патологоанатома. Вскрытие (разборка) литий-ионного аккумулятора.

   Сегодня на приёме у нашего патологоанатома — литий-ионный аккумулятор Nokia BL-5B из одноименного смартфона Nokia. Аккумулятор несколько лет прослужил верой и правдой, но некоторое время назад вспучился и перестал держать заряд. Царствие ему небесное!

   Воспользуемся этим несчастным случаем для пополнения копилки наших знаний об аккумуляторах. Многие интересуются, как устроен литий-ионный аккумулятор. Проведем разборку литий-ионного (Li-ion) аккумулятора.

   Оглавление

   1. Вскрытие li-ion аккумулятора Nokia BL-5B

   2. Дополнение 1: литий-ионные аккумуляторы со встроенной платой защиты

   3. Дополнение 2: как подобрать аккумулятор по размерам

Вскрытие li-ion аккумулятора Nokia BL-5B

   Так выглядит наш клиент спереди, сзади и со стороны контактов:

     

   Сделано в Европе (Венгрия), голограмма, все дела.

 

   Теперь — сдираем пластиковую обертку с маркировкой, и смотрим на голое тело клиента. Слабонервных, женщин и детей просим удалиться J.

   

  Литий-ионный аккумулятор представляет собой герметичную металлическую «банку» с заводской маркировкой; сверху находится пластиковая «крышка» с контактами, а снизу — чисто декоративная тонкая черная «подставка».
 

  Отдираем эти пластиковые детали, попутно разрывая контактные проводники. Они нам больше не пригодятся.

   

 

   А так выглядит «банка» аккумулятора сверху:

   

  В центре и справа банки — контакты; а слева, в виде овала с просечкой, — предохранительное «окно» (клапан). При повышении внутреннего давления оно должно лопнуть, тем самым предотвращая взрыв всего аккумулятора в целом.

  Теперь обращаем внимание, что баланс по количеству контактов — не сходится. К аккумулятору подходят 3 контакта, а к «банке» — только два! Куда делся ещё один?!

  А вот посмотрите на оторванную пластиковую «крышечку» аккумулятора:

   

   Обратите внимание на красную деталь с золотистым прямоугольником, расположенную справа. Это ни что иное, как термопереключатель (termoswitch). Вот к нему-то и идет третий (средний) контакт аккумулятора! Другим своим контактом термосвитч соединен с «минусом» аккумулятора.
 

   Этот термосвитч — простое механическое устройство. Внутри находится биметаллическая мембрана, которая при нагреве изгибается и замыкает контакты, сообщая тем самым «наружу» о перегреве аккумулятора.

   В нормальном положении контакты — разомкнуты. Поэтому при «прозвонке» контактов может показаться, что средний контакт аккумулятора ни с чем не соединён.

   Выламываем термосвитч и смотрим на его маркировку, расположенную на обратной стороне:

  

   Таким образом, установлен тип термосвитча — L82AY.

   Надо к этому добавить, что не все литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы построены по такой же схеме термозащиты. Некоторые аккумуляторы имеют не термопереключатель, а полноценный термодатчик, позволяющий измерить температуру аккумулятора. А некоторые — не имеют вообще никакого элемента контроля температуры. Такие аккумуляторы легко отличить по наличию только двух контактов на аккумуляторе (или двух проводов, идущих от аккумулятора).
 

   Далее — спиливаем верхнюю часть «банки», и смотрим, что там внутри:

  

   На этом фото видно, что в результате вспучивания аккумулятора отдельные слои «начинки» аккумулятора разошлись между собой.

   Теперь — окончательно раздираем «банку» и достаем её «начинку»:

  

   «Начинка» аккумулятора представляет собой свернутые в рулон четыре ленты: алюминиевую фольгу со слоем пористого углерода (положительный электрод), медную фольгу (отрицательный электрод, тоже со слоем пористого углерода) и два слоя мембраны-разделителя, «прозрачного» для ионов лития. Эта конструкция очень сильно напоминает конструкцию «классического» электролитического конденсатора. Кто разбирал их — тот подтвердит, а кто не разбирал — лучше этого и не делайте: некоторые виды электролитов вредны для здоровья.

  В некоторых местах межвиткового пространства заметны повреждения с вкраплениями мелких белых хлопьев:

  

  

   Далее — полностью разматываем рулон аккумулятора:

  

   Длина рулона оказалась чуть менее 50 см. Видимо, в «их» единицах измерения длина должна была составлять ровно 20 дюймов.

   Итак, пора огласить итоги и выводы.

   Наш покойный пациент всю жизнь проработал в одном и том же смартфоне, и потому никогда не имел возможности нарушить режим эксплуатации. Тем не менее, и его настиг неизбежный конец в виде выхода из строя.

   Таким образом, констатируем, что устройства со съемными аккумуляторами имеют преимущество перед устройствами с несъемными аккумуляторами. У последних, чтобы решить проблему с аккумулятором, для замены придется обратиться в сервис-центр (или помучиться самому с риском полностью испортить устройство). А у первых — просто вытащить старый и вставить новый аккумулятор.

   Кстати, Евросоюз озаботился этой проблемой и готовит законодательную инициативу об обязательном использовании в мобильных устройствах съёмных аккумуляторов.

   Дополнение 1: литий-ионные аккумуляторы со встроенной платой защиты

В некоторых случаях плата защиты располагается в одном корпусе (пакете) с литий-ионным аккумулятором. Она выглядит как узкая конструкция, прикреплённая к торцу аккумулятора:

Аккумуляторы со встроенной в одном корпусе платой защиты применяются не во всех устройствах; в каждом конкретном случае надо разбираться отдельно.

В данном случае аккумулятор извлечён из игровой приставки Aio Smarti. Аккумулятор практически перестал держать заряд и перешел в разряд непригодных для дальнейшего использования.

Платы защиты — многофункциональны, и защищают литиевые аккумуляторы от многих бед: перезаряда и переразряда, превышения допустимого тока заряда и разряда, и, само собой, от банальных коротких замыканий.

Наличие встроенной платы защиты освобождает питамое аккумулятором устройство от наличия такой защиты у себя на борту.

Так выглядит плата защиты, извлечённая из аккумулятора, приведённого на предыдущем фото:

Плата включает контроллер защиты DW01B и ключевой транзистор 8205S. Подробнее об устройстве плат защиты и принципах их функционирования можно прочесть в этом обзоре.

Дополнение 2: как подобрать аккумулятор по размерам

   В большинстве случаев для подбора аккумулятора достаточно в поисковике (или на интернет-площадках: Яндекс.Маркет, Алиэкспресс и т.д.) наименование устройства, для которого Вам нужно подобрать аккумулятор, например: «Аккумулятор для смартфона Superpuper FSB-2020 Plus».

  Но в некоторых случаях такой поиск не помогает, поскольку в устройстве установлен не специфический аккумулятор, изготовленный специально для него, а просто подходящий по размеру серийно выпускаемый «универсальный» аккумулятор.

   В этом случае задача сводится к банальному подбору нужного аккумулятора по размерам.

   Обычно размер аккумулятора указывается на нём самом в виде группы цифр непонятного назначения:

   Например, на этом аккумуляторе стоят цифры: 4052140. Вот в них и зашифрованы размеры аккумулятора, но только не так, как у нас принято (Длина — Ширина — Высота), а в обратном порядке (Высота — Ширина — Длина).

   Причём высота зашифрована в десятых долях миллиметра, а все остальные размеры — в миллиметрах.

   Таким образом, размеры этого аккумулятора составляют 4 мм (высота, т. е. толщина) x 52 мм (ширина) x 140 мм (длина).

   В поиске (например, на Алиэкспресс) можно сразу вводить эту последовательность цифр: «аккумулятор 4052140».

   Если требуемого аккумулятора нет (например, уже снят с производства), то для его замены можно подобрать другой, чуть меньший по габаритам.

   В редких случаях аккумулятор может быть совсем «голым» (без обозначений). В этом случае его надо просто замерить и от этого исходить в поисках.

   В обозначениях размера аккумулятора есть «тонкость»: если обозначение размера начинается с нуля, то высота обозначена не в десятых долях миллиметра, а в миллиметрах. Кстати, обозначение высоты всегда занимает 2 знака. А величины ширины и длины могут быть как 2-значными, так и 3-значными (необходимо подходить творчески в соответствии с реально имеющимся аккумулятором).

  

   Дополнительный материал по теме — статья «Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор телефона, ноутбука и других устройств»

   Вскрытия проводил
   Ваш Доктор.
   03.12.2015, дополнение от 16.01.2023

   Другие статьи цикла «Как устроен смартфон»:

 — Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

 - Что такое USB OTG в смартфоне и планшете?

 — Навигация (GPS, ГЛОНАСС и др.) в смартфонах и планшетах. Источники ошибок. Методы тестирования.

 — Вскрытие (разборка) камеры смартфона. Устройство камеры смартфона (мобильного телефона).

 — Съемка камерой мобильного телефона (смартфона). Параметры камер мобильных телефонов. Основные характеристики, проблемы и примеры дефектов на снимках. Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

 — Фотосъемка в режиме HDR (High Dynamic Range) в смартфоне. Что это такое, какая польза и когда можно использовать?

   Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

                Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам                      

 

  Комментарии вКонтакте:

 

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!

Что такое литий-ионные аккумуляторы? | Научно-исследовательский институт UL

Научно-исследовательский институт электрохимической безопасности

Назад к обновлениям инициативы

Начало работы с электрохимической безопасностью

14 сентября 2021 г.

---

 

Примечание редактора. сетевое хранение, Исследовательский институт UL помогает заложить основу для безопасных и надежных конструкций хранения энергии. В рамках нашей работы в этой области мы хотим поделиться информацией об основах и текущей ситуации в области электрохимической безопасности.

Что такое литий-ионный аккумулятор?

Ионно-литиевые аккумуляторы — это самые популярные химические аккумуляторы, используемые сегодня. Литий-ионные аккумуляторы питают устройства, которые мы используем каждый день, такие как наши мобильные телефоны и электромобили.

Литий-ионные батареи состоят из одного или нескольких литий-ионных элементов вместе с защитной платой. Они называются батареями, когда элемент или элементы устанавливаются внутри устройства с защитной платой.

Какие компоненты литий-ионного элемента?

• Электроды: Положительно и отрицательно заряженные концы клетки. Крепится к токосъемникам
• Анод: Отрицательный электрод
• Катод: Положительный электрод
• Электролит: Жидкость или гель, проводящий электричество
• Токосъемники: Токопроводящая фольга на каждом электроде батареи, соединенная с клеммами элемента. Клеммы ячейки передают электрический ток между батареей, устройством и источником энергии, который питает батарею 9.0034
• Сепаратор: Пористая полимерная пленка, разделяющая электроды и обеспечивающая обмен ионов лития с одной стороны на другую

Как работает литий-ионный аккумулятор?

В литий-ионном аккумуляторе ионы лития (Li+) перемещаются между катодом и анодом внутри. Электроны движутся во внешней цепи в противоположном направлении. Эта миграция является причиной того, что батарея питает устройство, потому что она создает электрический ток.

Пока батарея разряжается, анод выделяет ионы лития на катод, создавая поток электронов, который помогает питать соответствующее устройство.

При зарядке батареи происходит обратное: ионы лития высвобождаются катодом и принимаются анодом.

Найдите эту и другую информацию в наших одностраничных ресурсах

Обзор     | Deep Dive

Up Next:

Где можно найти литий-ионные батареи?

Узнать больше

BU-204: Как работают литиевые батареи?

Пионерские работы по литиевой батарее начались в 1912 г. под руководством Г.Н. Льюис, но только в начале 19В 70-х годах в продажу поступили первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в 1980-х годах, но потерпели неудачу из-за нестабильности металлического лития, используемого в качестве материала анода. (В металл-литиевой батарее в качестве анода используется литий; в литий-ионной батарее используется графит в качестве анода и активные материалы в качестве катода.)

Литий — самый легкий из всех металлов, обладает самым большим электрохимическим потенциалом и обеспечивает наибольшую удельную энергию на единицу веса. Аккумуляторы с металлическим литием на аноде могут обеспечить чрезвычайно высокую плотность энергии; однако он был обнаружен в середине 1980-х годов, что при циклировании на аноде образуются нежелательные дендриты. Эти частицы роста проникают в сепаратор и вызывают короткое замыкание. Температура элемента быстро повышалась и приближалась к температуре плавления лития, что приводило к тепловому разгону, также известному как «вентиляция пламенем». Большое количество перезаряжаемых металлических литиевых батарей, отправленных в Японию, было отозвано в 1991 году после того, как батарея в мобильном телефоне выпустила горящие газы и нанесла ожоги лицу человека.

Присущая металлическому литию нестабильность, особенно во время зарядки, сместила исследования в сторону неметаллических растворов с использованием ионов лития. В 1991, Sony выпустила на рынок первый ионно-литиевый аккумулятор, и сегодня эта химия стала самой многообещающей и быстрорастущей батареей на рынке. Хотя удельная энергия ниже, чем у металлического лития, литий-ион безопасен при условии соблюдения ограничений по напряжению и току. (См. BU-304a: Вопросы безопасности при использовании литий-ионных батарей)

Изобретение литий-кобальт-оксидной батареи должно принадлежать Джону Б. Гуденафу (1922 г.). Говорят, что во время разработки аспирант, нанятый Nippon Telephone & Telegraph (NTT), работал с Гуденафом в США. Вскоре после прорыва студент вернулся в Японию, взяв с собой открытие. Потом в 1991, Sony объявила о международном патенте на катод из оксида лития-кобальта. Последовали годы судебных тяжб, но Sony смогла сохранить патент, а Гуденаф ничего не получил за свои усилия. В знак признания вклада в разработку литий-ионных аккумуляторов Национальная инженерная академия США в 2014 году наградила Гуденафа и других участников премией Чарльза Старка Дрейпера. Институт для оказания помощи в исследовании материалов.

Ключом к превосходной удельной энергии является высокое напряжение элемента 3,60 В. Улучшения в активных материалах и электролитах могут еще больше повысить плотность энергии. Нагрузочные характеристики хорошие, а плоская кривая разряда обеспечивает эффективное использование накопленной энергии в желательном и ровном спектре напряжения 3,70–2,80 В на элемент.

В 1994 году стоимость производства литий-ионного аккумулятора в цилиндрическом элементе 18650 превышала 10 долларов США, а емкость составляла 1100 мАч. В 2001 году цена упала ниже 3 долларов, а вместимость выросла до 1,9.00 мАч. Сегодня аккумуляторы 18650 с высокой плотностью энергии обеспечивают более 3000 мАч, а стоимость снижается. Снижение стоимости, повышенная удельная энергия и отсутствие токсичных материалов проложили путь к тому, чтобы сделать литий-ионный аккумулятор общепризнанным аккумулятором для портативных устройств, тяжелой промышленности, электрических силовых агрегатов и спутников. 18650 имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. (См. BU-301: Взгляд на упаковку старых и новых аккумуляторов)

Литий-ионный аккумулятор не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химических элементов. Аккумулятор не имеет памяти и не нуждается в упражнениях (преднамеренной полной разрядке), чтобы поддерживать его в хорошем состоянии. Саморазряд в два раза меньше, чем у систем на основе никеля, и это помогает использовать датчики уровня топлива. Номинальное напряжение ячейки 3,60 В может напрямую питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, предлагая упрощение и снижение затрат по сравнению с конструкциями с несколькими ячейками. Недостатками являются необходимость в схемах защиты от злоупотреблений, а также высокая цена.

Типы литий-ионных аккумуляторов

В литий-ионных батареях используется катод (положительный электрод), анод (отрицательный электрод) и электролит в качестве проводника. (Анод разряжающейся батареи отрицательный, а катод положительный (см. BU-104b: Конструктивные элементы батареи). Катод представляет собой оксид металла, а анод состоит из пористого углерода. Во время разряда ионы перетекают от анода к катоду через электролит и сепаратор, заряд меняет направление, и ионы текут от катода к аноду.0032 Рисунок 1 иллюстрирует этот процесс.

Рисунок 1: Ионный поток в литий-ионном аккумуляторе.
Когда элемент заряжается и разряжается, ионы перемещаются между катодом (положительным электродом) и анодом (отрицательным электродом). При разряде анод подвергается окислению или потере электронов, а катод испытывает восстановление или прирост электронов. Заряд меняет направление движения. Литий-ионные аккумуляторы

бывают разных видов, но все они имеют одну общую черту — лозунг «литий-ион». Несмотря на поразительное сходство на первый взгляд, эти батареи различаются по производительности, а выбор активных материалов придает им уникальные особенности. (См. BU-205: Типы Li-ion)

Оригинальная литий-ионная батарея Sony использовала кокс в качестве анода (угольный продукт). С 1997 года большинство производителей ионно-литиевых аккумуляторов, включая Sony, перешли на графит, чтобы добиться более плоской кривой разряда. Графит — это форма углерода, обладающая долговременной циклической стабильностью и используемая в графитовых карандашах. Это самый распространенный углеродный материал, за которым следуют твердый и мягкий углерод. Углеродные нанотрубки еще не нашли коммерческого применения в литий-ионных батареях, поскольку они имеют тенденцию запутывать и влиять на производительность. Материалом будущего, который обещает улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов, является графен.

На рис. 2 показана кривая разряда напряжения современного литий-ионного аккумулятора с графитовым анодом и ранней коксовой версии.

Рисунок 2: Кривая напряжения разряда литий-ионного аккумулятора.
Аккумулятор должен иметь плоскую кривую напряжения в допустимом диапазоне разрядки. Современный графитовый анод делает это лучше, чем ранняя коксовая версия. Предоставлено Cadex

Было опробовано несколько добавок, в том числе сплавы на основе кремния, для улучшения характеристик графитового анода. Требуется шесть атомов углерода (графита), чтобы связать один ион лития; один атом кремния может соединиться с четырьмя ионами лития. Это означает, что кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графит, но расширение анода во время заряда представляет собой проблему. Поэтому аноды из чистого силикона непрактичны, и обычно к аноду на основе кремния добавляют только 3–5 процентов кремния для достижения хорошего срока службы.

Использование наноструктурированного титаната лития в качестве добавки к аноду показывает многообещающий срок службы, хорошие возможности нагрузки, отличные низкотемпературные характеристики и превосходную безопасность, но удельная энергия низка, а стоимость высока.

Эксперименты с материалом катода и анода позволяют производителям улучшать внутренние качества, но одно усовершенствование может поставить под угрозу другое. Так называемая «энергетическая ячейка» оптимизирует удельную энергию (емкость) для достижения длительного времени работы, но при более низкой удельной мощности; «Power Cell» предлагает исключительную удельную мощность, но при меньшей мощности. «Hybrid Cell» представляет собой компромисс и предлагает понемногу и то, и другое. (Подробнее о BU-501: Основы разрядки)

Производители могут относительно легко добиться высокой удельной энергии и низкой стоимости, добавляя никель вместо более дорогого кобальта, но это делает элемент менее стабильным. В то время как начинающая компания может сосредоточиться на высокой удельной энергии и низкой цене, чтобы получить быстрое признание на рынке, безопасность и долговечность не могут быть поставлены под угрозу. Известные производители уделяют большое внимание безопасности и долговечности.