Как устроен литий ионный аккумулятор. Устройство и принцип работы литий-ионного аккумулятора: особенности, преимущества и недостатки

Как устроен литий-ионный аккумулятор. Из каких основных компонентов он состоит. Каков принцип работы Li-ion батареи. Какие преимущества и недостатки имеют литий-ионные аккумуляторы. Почему они так популярны в современной технике.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор состоит из следующих основных компонентов:

• Катод — положительный электрод, содержащий соединения лития (чаще всего оксиды кобальта, никеля, марганца)
• Анод — отрицательный электрод, обычно выполненный из графита
• Электролит — жидкий раствор солей лития, обеспечивающий перемещение ионов между электродами
• Сепаратор — пористая мембрана, разделяющая катод и анод
• Токосъемники — медная и алюминиевая фольга для съема тока с электродов
• Корпус — герметичный металлический или пластиковый корпус

Катод и анод нанесены тонким слоем на токосъемные пластины. Между ними располагается пропитанный электролитом сепаратор. Вся конструкция помещена в герметичный корпус.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на обратимом перемещении ионов лития между катодом и анодом:

1. При зарядке под действием электрического тока ионы лития высвобождаются из катода и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде.
2. При разрядке ионы лития движутся в обратном направлении — от анода к катоду, создавая электрический ток во внешней цепи.
3. Электролит обеспечивает среду для перемещения ионов лития между электродами.
4. Сепаратор предотвращает прямой контакт между катодом и анодом.

Таким образом, энергия накапливается и отдается за счет обратимого перемещения ионов лития между электродами. Этот процесс называется интеркаляцией.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом важных преимуществ:

• Высокая удельная энергоемкость — до 250 Вт·ч/кг
• Отсутствие эффекта памяти
• Низкий саморазряд — 5-10% в месяц
• Большое количество циклов заряда/разряда — до 1000 циклов
• Широкий диапазон рабочих температур
• Быстрый заряд — 80% емкости за 1 час
• Высокое рабочее напряжение — 3.6-3.7 В на элемент

Эти характеристики делают литий-ионные аккумуляторы оптимальным выбором для портативной электроники, электромобилей и систем накопления энергии.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

У литий-ионных аккумуляторов есть и некоторые недостатки:

• Высокая стоимость производства
• Необходимость защитной электроники
• Потеря емкости при хранении и глубоком разряде
• Риск воспламенения при повреждении
• Чувствительность к перезаряду и переразряду
• Снижение емкости при низких температурах

Однако преимущества литий-ионных аккумуляторов перевешивают их недостатки для большинства применений.

Почему литий-ионные аккумуляторы так популярны?

Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение по следующим причинам:

1. Высокая удельная энергоемкость позволяет создавать компактные и легкие устройства
2. Отсутствие эффекта памяти упрощает эксплуатацию
3. Низкий саморазряд обеспечивает длительное хранение заряда
4. Большой ресурс циклов заряда/разряда увеличивает срок службы
5. Быстрый заряд повышает удобство использования

Эти факторы сделали литий-ионные аккумуляторы стандартом де-факто в портативной электронике, электромобилях и возобновляемой энергетике.

Перспективы развития литий-ионных аккумуляторов

Несмотря на зрелость технологии, литий-ионные аккумуляторы продолжают совершенствоваться:

• Разрабатываются новые материалы электродов с повышенной емкостью
• Ведутся работы по созданию твердотельных электролитов
• Улучшаются технологии производства для снижения стоимости
• Оптимизируются системы управления батареями
• Исследуются способы повышения безопасности и надежности

Это позволяет рассчитывать на дальнейшее улучшение характеристик и снижение стоимости литий-ионных аккумуляторов в ближайшие годы.

Заключение

Литий-ионные аккумуляторы обладают уникальным сочетанием высокой энергоемкости, длительного срока службы и удобства использования. Это делает их оптимальным выбором для широкого спектра применений — от смартфонов до электромобилей. Несмотря на некоторые недостатки, литий-ионные технологии продолжают совершенствоваться и в обозримом будущем останутся доминирующим типом перезаряжаемых источников питания.

Как устроены литий-ионные аккумуляторы — принцип работы и конструкция

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 на https://virtustec.ru/komplektuyuschie-akb/.

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

Свойства литий ионных аккумуляторов. Описание материалов, особенностей использования li-ion

---

---

Статья обновлена: 2020-12-17

---

По соотношению емкости, веса, мощности и остальных характеристик Li-ion аккумуляторы не имеют равных. Их ресурс составляет более 1000 циклов, а у элементов с типом химии LiFePO4 –свыше 2000, до снижения исходного значения номинальной емкости на 20%. Для сравнения, ресурс свинцово-кислотных АКБ составляет всего 300–500 циклов.

Свойства литий-ионных аккумуляторов

Перечислим ключевые особенности Li-ionэлементов питания:

• отсутствие выраженного эффекта памяти;
• незначительный саморазряд – менее 10% в месяц;
• рабочий диапазон температур – от -20 до +50 °С, для LiFePO4 – от -30 до +60 °С;
• допустимые температуры для зарядки – от 0 до 45 °С;
• диапазон рабочих напряжений – от 2,7 в разряженном состоянии до 4,2 Вв заряженном, для LiFePO4 – от 2,3 до 3,65 В;
• чувствительность к глубокому разряду и избыточному заряду – за поддержанием напряжения в оптимальном диапазоне следит BMS плата;
• доступная емкость при граничных температурах – больше, чем у АКБ других типов;
• удельная энергоемкость – 110–240 Вт·ч/кг, в зависимости от состава Li-ion аккумулятора;
• допустимый ток зарядки – 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С, для LiTi–до 5C;
• допустимый ток нагрузки – до 1С, есть модели с увеличенным С-рейтингом разряда, для LiFePO4 – до 25С, для литий-титаната – до 10С;
• внутреннее сопротивление – 30–50 мОм;
• время быстрого заряда – 30–60 минут;
• подверженность старению – даже если литиевые аккумуляторы не используются, а лежат на полке, их доступная емкость постепенно снижается.

Особенности зарядки Li-ionаккумуляторов

Такие источники питания заряжаются в комбинированном режиме CC/CV. Изначально процесс зарядки идет при постоянном значении тока величиной от 0,2С до 1С. Когда напряжение достигает установленного производителем максимума (обычно 4,2 В), начинается 2-й этап зарядки – при неизменном напряжении и плавно снижающемся токе. Когда его значение достигнет 3% от начальной величины, процесс зарядки завершается.

Литий-ионныеэлементы не имеют эффекта памяти, поэтому разряжать их «в ноль» перед зарядкой не нужно и даже вредно. Лучше подключать АКБ к зарядному устройству после каждого применения. Перед длительным хранением Li-ionаккумуляторы рекомендуется заряжать примерно наполовину.

Взрывоопасность и защита от опасных ситуаций

К возгоранию или взрыву литий-ионных аккумуляторов может привести критическое повышение температуры, внутреннее короткое замыкание и недопустимо высокие токи заряда или разряда. В таких ситуациях происходит критический нагрев электролита металлизация лития и цепная реакция, при которой наблюдается вздутие элементов и нарушение целостности их внешней оболочки.

Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше — 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

Рассмотрим далее характеристики, зарядные устройства и схемы защиты для литиевых аккумуляторов.

Содержание / Contents

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду. Есть два основных типа литиевых аккумуляторов: Li-ion и Li-polymer.
Li-ion — литий-ионная батарея, Li-polymer — литий-полимерная батарея.
Отличие их в технологии изготовления. Li-ion имеют жидкий или гелевый электролит, а Li-polymer — твердый.
Это отличие повлияло на диапазон рабочих температур, немного на напряжение и на форму корпуса, которую можно придать готовому изделию. Ещё — на внутреннее сопротивление, но тут много зависит от качества изготовления.
Li-ion: -20 … +60°C; 3,6 V
LI-polymer: 0 .. +50°С; 3,7 V
Для начала надо разобраться, что это за вольты такие.
Производитель пишет нам 3,6 V, но это среднее напряжение. Обычно в даташитах пишут диапазон рабочих напряжений 2,5 V … 4,2 V.
Когда я первый раз столкнулся с литиевыми аккумуляторами, то долго изучал даташиты.
Ниже представлены их графики разряда при разных условиях.

Рис. 1. При температуре +20°C

Рис. 2. При разных температурах эксплуатации

Из графиков становится понятно, что рабочее напряжение при разряде 0,2С и температуре +20°C составляет 3,7 V … 4,2 V. Безусловно, батареи можно соединить последовательно и получить нужное нам напряжение.
На мой взгляд очень удобный диапазон напряжений, который подходит под многие конструкции, где используется 4,5V — они прекрасно работают. Да и соединив их 2 шт. получим 8,4 V, а это почти 9 V. Я их ставлю во все конструкции, где идёт батарейное питание и уже забыл, когда последний раз покупал батарейки.

Есть у литиевых аккумуляторов нюанс: их нельзя заряжать выше 4,2 V и разряжать ниже 2,5 V. Если разрядить ниже 2,5 V, восстановить не всегда удается, а выкидывать жалко. Значит, нужна защита от сверхразряда. Во многих батареях она уже встроена в виде мелкой платы, и её просто не видно в корпусе.

Бывает, попадаются аккумуляторы без защиты, тогда приходится собирать самому. Сложности это не представляет. Во-первых есть ассортимент специализированных микросхем. Во-вторых, кажется есть собранные модули у китайцев.

А в-третьих, мы рассмотрим, что можно собрать по теме из подножных материалов. Ведь не у всех есть в наличии современные чипы или привычка отовариваться на АлиЭкспресс.
Я пользуюсь вот такой суперпростой схемой многие годы и ни разу аккумулятор не вышел из строя!

Рис. 3.
Конденсатор можно не ставить, если нагрузка не импульсная и стабильно потребляющая. Диоды любые маломощные, их количество надо подобрать по напряжению отключения транзистора.
Транзисторы я применяю разные, в зависимости от наличия и тока потребления устройства, главное чтоб напряжение отсечки было ниже 2,5 V, т.е. чтоб он открылся от напряжения аккумулятора.

Настраивать схему лучше на монтажке. Берём транзистор и подавая на затвор напряжение через резистор сопротивлением 100 Ом … 10 К, проверяем напряжение отсечки. Если оно не более 2,5 V, то экземпляр годен, далее подбираем диоды (количество и иногда тип), чтобы транзистор начинал закрываться при напряжении примерно 3 V.
Теперь подаем напряжение от БП и проверяем чтобы схема срабатывала при напряжении примерно 2,8 — 3 V.
Иными словами, если напряжение на аккумуляторе опустится ниже порогового, которые мы установили, то транзистор закроется и отключит нагрузку от питания, предотвратив тем самым вредный глубокий разряд.

Что ж, наш аккумулятор разрядился, теперь пора его безопасно зарядить.
Как и с разрядкой, с зарядкой тоже не всё так просто. Максимальное напряжение на банке должно быть не более 4,2 V ±0.05 V! При превышении этого значения литий переходит в металлическое состояние и может произойти перегрев, возгорание и даже взрыв аккумулятора.

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму: заряд от источника постоянного напряжения 4.20 Вольт на элемент, с ограничением тока в 1С.
Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1С, аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 2-х часов.
К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда, не хуже ±0.01 Вольт на банку.

Обычно схема ЗУ имеет обратную связь — автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому. Как только это напряжение становится равно 4.2 Вольтам (для описываемого аккумулятора), больше поддерживать ток в 1С нельзя — далее напряжение на аккумуляторе возрастёт слишком быстро и сильно.

В этот момент аккумулятор заряжен обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток требуется снизить. Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим.
При снижении этого тока до 30-10 мА аккумулятор считается заряженным.

Для иллюстрации всего вышеописанного привожу график заряда, снятый с подопытного аккумулятора:

Рис. 4.
В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7 А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8 В до 4.2 В.
Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время — всего 30%.У китайцев можно заказать по почте с бесплатной доставкой модули зарядных устройств. Модули контроллера зарядки TP4056 с гнездом мини-USB и защитой можно взять очень недорого.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

Рис. 5.
Схема с применением LM317 обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

LM317 надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

Рис. 6.
Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

I=1000/R,
где I — ток заряда в Амперах, R — сопротивление резистора в Омах.

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Рис. 8.
Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более. Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных — к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления — создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Продаются батареи всех видов, ёмкостей и форм-факторов в Китае. По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650
А вот аккумуляторы Sanyo 18650 подороже, зато и ёмкость честная и качество на высоте — менял в ноутбуке.
Контроллеры заряда на TP4056 с USB-разъёмом настолько малы, что можно встраивать их непосредственно в устройство и заряжать от USB ПК или от USB-зарядки для телефона.
А есть отдельно чипы-контроллеры TP4056 SO-8 для встраивания на свою плату.
Малогабаритные литий-полимерные аккумуляторы, разной ёмкости и размеров. Выводы сделаны проводами, что для нас очень удобно. Обычно есть защита. В архиве даташиты на некоторые аккумуляторы и чип LTC4054.
▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Спасибо за внимание!

 

Как работает литий-ионный аккумулятор и почему они так популярны?

Этот сайт может получать партнерские комиссии за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

На этой неделе появилось новое исследование Массачусетского технологического института, и хотя его основная идея может показаться слабой, сам факт подчеркивает, насколько быстро технологии действительно развиваются в наши дни.Хотя литий-ионные батареи (LIB) распространены по всему миру, правда в том, что мы до сих пор не знаем, как работают. В частности, по мере того, как ученые испытывают все больше и больше новых материалов для электродов, каждый из них имеет небольшие различия в функциях и характеристиках. Одним из наиболее многообещающих электродных материалов является фосфат лития и железа, и теперь исследователи гораздо лучше понимают, как именно он заряжается и разряжается, что, как мы надеемся, должно указать путь к улучшению этих процессов.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Во-первых, нам нужно посмотреть, как в целом работает литий-ионный аккумулятор. Как и любой другой аккумулятор, в его базовой конструкции используется электролит («транспортная среда»), переносящий ионы лития туда и обратно между отрицательным и положительным электродами. В полностью разряженных батареях наши мобильные ионы лития будут полностью связаны с положительным электродом — их химические свойства удерживают их связанными с материалом положительного электрода, в то время как им не хватает электронов.Если мы дадим им электроны, закачивая электричество в систему (перезарядка), они естественным образом отделяются от положительного электрода и мигрируют обратно к отрицательному. Когда все они выстраиваются в линию с другой стороны и заряжены хорошими высокоэнергетическими электронами, мы называем аккумулятор «заряженным».

Это стабильное состояние нарушается, когда мы обеспечиваем путь для электронов, теперь захваченных на отрицательном электроде, чтобы перемещаться вниз по градиенту заряда к положительной стороне батареи — это забирает электроны из лития в отрицательном электроде и снова делает их Li + , заставляя их естественным образом мигрировать обратно.Мы можем использовать этот поток электронов с отрицательного на положительный для питания всего, от кардиостимуляторов до электромобилей, и все в конечном итоге сводится к возвратно-поступательному движению ионов. Между прочим, только недавно ученые выяснили, почему слишком большое количество возвратно-поступательных реакций приводит к медленной разрядке батареи.

Почему популярны литий-ионные батареи

Основная причина, по которой вы раньше слышали термин «литий-ионный аккумулятор», — это плотность энергии; LIB-установка может вместить большую мощность в очень маленькое пространство.Более того, «Li-on» аккумуляторы обеспечивают приличное время зарядки и большое количество циклов разрядки, прежде чем они разрядятся. Если вы используете чистый металлический литий для электродов, вы получите намного больше энергии, но не сможете перезаряжаться — в зависимости от вашего выбора электродов вы можете сильно повлиять на производительность батареи. Среди прочего, плотность энергии связана с количеством ионов лития (и, следовательно, электронов), которые электроды могут удерживать на единицу площади поверхности.

На этой диаграмме показано, как зона твердого раствора выстраивается рядом с заряженными и разряженными участками электрода.

В этом исследовании Массачусетского технологического института [doi: 10.1021 / nl501415b — «Наблюдение на месте случайной зоны твердого раствора в электроде LiFePO4»] специально рассматривался материал катода — литий-железо-фосфат. Эти литий-железо-фосфатные батареи перспективны для всего, от электромобилей (вероятно) до аккумуляторов электроэнергии (что менее вероятно), но когда они были первоначально представлены, LiFePO ₄ не показывал больших перспектив в области аккумуляторных технологий. В чистом виде фосфат лития-железа демонстрирует плохие электрические способности, но он раздроблен на наночастицы и покрыт углеродом, и, похоже, история немного изменится.Невероятный скачок способностей при превращении в наночастицы описывается как большой сюрприз для исследователей аккумуляторов и большая победа для нанонауки.

Основная причина ажиотажа по поводу нового нанокатода, помимо его впечатляющих, но не удивительных способностей к хранению и разрядке, заключается в том, что он разряжается при абсолютно однородном напряжении. Это означает, что в аккумуляторные батареи не нужно включать устройства для регулирования этого напряжения, что может сделать их дешевле и меньше, а также позволяет им разряжаться при полном напряжении до полной разрядки.Как мы теперь знаем, он делает это, создавая зону, называемую зоной твердого раствора (SSZ), буферную зону с низкой плотностью лития, которая, кажется, смягчает резкую границу между заряженным (LiFePO ₄ ) и разряженным (FePO ₄ ) части электрода во время использования. Похоже, что это лежит в основе удивительных свойств материала, и усиление этого SSZ за счет конструкции может продлить срок службы литий-ионной технологии еще дольше.

Технология, похоже, действительно подходит для этого устаревшего стандарта аккумуляторов, и, чтобы идти в ногу со временем, потребуются некоторые серьезные обновления.Он получает их благодаря огромным улучшениям дизайна, которые многообещают. Тем не менее, все, от улучшенных конденсаторов до супер-батарей на основе хлопка, могло бы вытеснить литий как короля накопителей энергии — мы можем обнаружить, что улучшения в нашем понимании обычных батарей попросту слишком малы.

Как на самом деле работает добыча лития и будет ли у нас достаточно?

Литий — один из важнейших металлов 21 века.Это делает возможным использование аккумуляторных батарей в мобильных телефонах, ноутбуках и электромобилях. Но откуда на самом деле берется литий и что идет на добычу лития?

Есть два основных источника лития: шахты и рассольная вода. Большая часть мирового лития (87 процентов) поступает из последнего источника. Среди источников соленой воды соленые озера (известные как салары) предлагают самую высокую концентрацию лития (от 1000 до 3000 частей на миллион). Салары с самыми высокими концентрациями лития расположены в Боливии, Аргентине и Чили.

Добыча лития рассолом.

Литий, полученный из саларов, получают в виде карбоната лития, сырья, используемого в литий-ионных батареях. Процесс производства довольно прост и требует только естественного испарения, при котором остается не только литий, но также магний, кальций, натрий и калий.

Содержание лития в океанской воде намного ниже, около 0,17 частей на миллион. Однако около 20 процентов лития в морской воде можно извлечь, используя комбинацию мембран, фильтров и ионообменных смол.

Добыча рассола — это обычно длительный процесс, который занимает от восьми месяцев до трех лет. Но ученые работают над разработкой технологии, которая может извлекать литий и другие ценные материалы, включая золото, цинк, медь и кремнезем, из рассольной воды, используемой геотермальными электростанциями. Сбор лития из геотермального рассола может сделать весь процесс производства лития намного быстрее и дешевле, чем процессы естественного испарения, которые обычно используются.

В 2010 году, например, Simbol Materials получила грант в размере 3 миллионов долларов от США.С. Министерство энергетики разработало именно такую ​​технологию. Компания Simbol адаптировала технологию, первоначально разработанную Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса, для создания серии фильтров и адсорбционных материалов, которые могут улавливать литий и другие материалы в рассоле, выкачиваемом из земли геотермальными установками, для выработки энергии. После удаления лития и других материалов вода отправляется обратно на геотермальную установку для повторной закачки под землю.

Новая технология также открыла возможность извлечения рассола из нефтяных месторождений, соленой воды, которая пузырится при бурении нефтяных скважин.В прошлом году, например, MGX Minerals разработала метод извлечения более 83 процентов лития из нефтяного соляного раствора.

Но даже с использованием традиционных методов извлечения лития из рассола легче и дешевле, чем добыча твердых пород примерно вдвое.

Остальные 13 процентов мирового лития добывают на более традиционных рудниках. Концентрации лития в твердых породах (пегматитах) выше, чем в рассоле, но процесс добычи требует более высоких затрат и большего воздействия на окружающую среду.Тем не менее, добыча лития в твердых породах может быть конкурентоспособной, по крайней мере, на шахтах, которые уже работают.

Более 145 минералов содержат литий, но только пять (сподумен, лепидолит, петалит, амблигонит и эвкрипт) используются для извлечения лития. Из этих пяти сподумен обеспечивает наибольшую долю лития, полученного из минералов. В 2011 году из сподумена было получено 12 500 тонн лития, тогда как из других источников было получено только около 1500 тонн.

После добычи сподумен нагревают до 1100 ° C, затем охлаждают до 65 ° C и измельчают, смешивают и обжигают с концентрированной серной кислотой.Серная кислота запускает реакцию, в которой сульфат лития заменяет водород. Затем суспензию фильтруют и добавляют ряд дополнительных соединений. После того, как уровень pH доведен, смесь концентрируют путем упаривания. Наконец, для создания карбоната лития добавляется кальцинированная сода.

Наименьший доступный в настоящее время источник лития содержится в переработанной электронике. Хотя переработка лития еще не позволяет получить литий, достаточно чистый для повторного использования в батареях, его можно использовать в производстве стекла и керамики, второй по потреблению лития отрасли после производства литий-ионных аккумуляторов.Но переработка лития остается нишевым рынком, и в США

существует только одно предприятие по переработке литий-ионных батарей.

В будущем месторождения гекторитовой глины могут стать значительным источником лития. Добывать саму глину было бы легко, но ее нужно было бы выщелачивать или обжигать, чтобы извлечь литий. Глина еще не использовалась в качестве источника лития, но аналитики говорят, что для американских производственных целей добыча богатой литием глины в Неваде может быть почти такой же рентабельной, как ее импорт из Чили.

Независимо от того, будет ли промышленность по добыче лития использовать глину, рассол для нефтяных месторождений или какой-либо другой метод добычи, ясно, что быстрое увеличение потребления лития за последние несколько десятилетий требует равного расширения источников лития и производственных площадок. В 2009 году на производство литий-ионных аккумуляторов приходился 21 процент всего годового потребления лития. Сегодня эта цифра почти удвоилась, и производство аккумуляторов — особенно аккумуляторов для производства электромобилей — будет по-прежнему поглощать все большую долю лития.Для одного электромобиля требуется столько же лития, сколько для 10 000 мобильных телефонов, и глобальные продажи электромобилей существенно удвоятся в 2021 году, а затем снова удвоятся к 2025 году. Другими словами, расширение доступа к литию должно оставаться приоритетом для индустрии электромобилей и электроники.

Более разнообразное предложение лития также могло бы помочь разрушить олигополию, которая в настоящее время контролирует торговлю. Сегодня всего четыре компании (чилийская SQM, американская FMC Corp и Albemarle Corp, австралийская Talison) производят 85 процентов всего лития.

Наконец, расширение производства лития может защитить цены на литий от потенциальных потрясений. Например, если в Чили (где находится более половины всех известных мировых запасов лития) произойдет дестабилизация, цены резко вырастут, как это произошло в Китае несколько лет назад, когда нехватка сподумена в Австралии привела к росту цен на 300 процентов. Подобный рост цен может поставить под угрозу всю промышленность литий-ионных аккумуляторов, а вместе с ней и будущее устойчивой энергетики.

Литий — один из основных компонентов аккумуляторов электромобилей. Посмотрите, как электрические автомобили управляют автосалоном в Детройте.

Аккумуляторы: факты, мифы и взрывы

Стоит ли полностью разряжать телефон перед зарядкой? Почему взрываются литиевые батареи? И разве они не вредны для окружающей среды?

Аккумуляторы уже используются в наших телефонах, ноутбуках и зубных щетках. С накоплением солнечных батарей и появлением электромобилей, пришло время отделить факты о батареях от вымысла.

Литий-ионные батареи

Десятилетие назад никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторные батареи были довольно распространены в телефонах и ноутбуках, но со стремлением к увеличению энергии в более легких и небольших мобильных устройствах литий-ионные батареи взяли верх.

Литий своим доминированием на рынке обязан своей легкости. Занимая третье место в периодической таблице, это самый легкий металл, который действительно помогает ему накапливать больше энергии при том же весе и объеме.

В смартфонах, планшетах и ​​новых ноутбуках используются литий-ионные батареи.А с электромобилями и новыми солнечными накопителями, использующими литий-ионные батареи, технология будет еще какое-то время.

И высокая энергия для их размера и веса (удельная энергия) — не единственное преимущество литиевых батарей.

Как работают аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи питают устройства так же, как и одноразовые батареи — путем химических реакций на положительном и отрицательном электродах. Эти реакции позволяют положительно заряженным ионам перемещаться от одного электрода к другому внутри батареи, а отрицательным электронам перемещаться по проводам в цепи, создавая ток.

Но с перезаряжаемыми батареями подключение зарядного устройства к внешнему источнику питания заставляет эти химические реакции происходить в обратном порядке. Положительные ионы (Li ⁺ в литий-ионных батареях) рекомбинируют с электронами на поверхности отрицательного электрода, готовые начать все сначала, когда батарея подключена к цепи.

Типичный литий-ионный аккумулятор. Батарея состоит из положительного электрода (зеленый) и отрицательного электрода (красный), разделенных слоем (желтый).При использовании ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки процесс обратный, и ионы лития переносятся обратно на анод. (Getty)

Зарядка: у литиевых батарей нет проблем с «памятью»

Раньше мы все покорно позволяли нашим телефонам и семикилограммовым ноутбукам полностью разряжаться перед подзарядкой, чтобы избежать ужасной «памяти» батареи проблема — аккумуляторы со временем держали все меньше и меньше заряда, если вы перезаряжали их до того, как они полностью разрядились.

Как максимально эффективно использовать литий-ионные аккумуляторы:

• Не разряжайте их полностью — это сокращает срок их службы.
• Их химический состав не работает выше 45 градусов Цельсия, а работа при высоких температурах сокращает их жизнь.
• При хранении устройства зарядите его примерно до половины перед выключением. Полная зарядка оказывает давление на материал электрода.
• Проверяйте дату изготовления при покупке — они начинают терять емкость, чтобы держать заряд с первого дня.

Проблема с памятью была вызвана скоплением кристаллов на электродах в батарее, в результате чего остается меньше места для химических реакций во время зарядки. Это было настоящей проблемой для никелевых батарей, но из-за разного химического состава литий-ионные батареи показывают лишь очень незначительный эффект.

На самом деле, если дать им полностью разряжаться, они фактически выйдут из строя, поэтому батареи в ваших устройствах имеют цепь, которая отключает их до того, как они достигнут этой точки.Электромобили и солнечные накопители имеют целые системы управления, предназначенные для предотвращения смерти от разряда отдельных батарей.

Так что подзаряжайте свои устройства, когда захотите, но время от времени пытайтесь полностью зарядить их (пусть батарея станет красной), чтобы заново откалибровать показания уровня заряда батареи.

Полный разряд — не единственный враг литиевых батарей — тепло также может быть для них смертельным.

… но они иногда взрываются

Химические реакции, лежащие в основе всех батарей, выделяют некоторое количество тепла, и литий-ионные батареи попали в заголовки газет, когда это тепло выходит из-под контроля и загорается — совсем недавно в ховербордах и электронных сигаретах.Но они также были причиной пожаров в Боингах, электромобилях и ноутбуках Tesla за последние 10 лет.

Производители управляют теплом с помощью систем управления, выпускных клапанов и вентиляторов для контроля и регулирования температуры, при которой работают батареи, и отзыва продукции, если что-то выходит из-под контроля.

Риск пожара / взрыва не ограничивается литий-ионными батареями. Свинцово-кислотные (автомобильные) аккумуляторы, канистры с бензином и другие энергоемкие материалы тоже могут взорваться.

Но стремление сделать портативные батареи легкими добавляет литий-ионным батареям дополнительный риск.Компоненты, такие как разделители, разделяющие положительный и отрицательный электроды батареи, имеют тонкую конструкцию, чтобы снизить вес батареи, но если их проткнуть, между электродами может образоваться короткое замыкание и быстро нагреться. Искра от короткого замыкания может вызвать возгорание, а повышение давления при повышении температуры может буквально взорвать аккумулятор.

Литиевые батареи не изящно изнашиваются

С момента изготовления литий-ионные батареи начинают терять способность накапливать заряд и генерировать напряжение с течением времени.Это называется старением, и это происходит независимо от того, используются они или нет, поэтому проверяйте дату производства, когда покупаете литий-ионный аккумулятор.

Старение вызвано химическими изменениями на электродах. Положительный электрод не представляет собой твердый кусок — он сделан из микроскопических частиц материала на основе лития. Со временем эти частицы сливаются вместе, образуя более крупные комки, поэтому площадь поверхности для реакции высвобождения лития меньше, когда батарея используется (разряжается).

И при подзарядке 100 процентов ионов лития не отправляется обратно на отрицательный электрод — некоторые ионы всегда навсегда остаются на положительном электроде.Таким образом, со временем в батарее становится меньше положительных ионов лития.

Экологические проблемы

Как и все технологические элементы, литиевые батареи обычно связаны с добычей / производством / обработкой, что является частью их воздействия на окружающую среду.

С точки зрения токсичности для человека ионно-литиевые батареи вдвое менее токсичны, чем свинцово-кислотные батареи на единицу энергии. Самый большой билет — это кобальт и никель в положительном электроде (катоде) в некоторых батареях, а также растворители, используемые при изготовлении электродов.Уберечь батареи от захоронения с помощью программы утилизации — лучший способ предотвратить попадание этих токсинов в водные пути.

С точки зрения выбросов парниковых газов, их энергоемкое производство означает, что литий-ионным батареям требуется много времени, чтобы вернуть энергию, которая ушла на их создание, поэтому важно максимально продлить срок службы батареи — избежать избыточного тепла и поддерживать высокий уровень заряда.

А с учетом самых больших залежей лития в какой-то красивой стране Южной Америки (Боливия и Чили) есть опасения по поводу экологического ущерба, наносимого горнодобывающей промышленностью.

Следующая мелочь: альтернативы литий-ионным батареям

В мире батарей нет недостатка в технологических достижениях: алюминиевые батареи, воздушно-литиевые батареи и проточные батареи с окислительно-восстановительным потенциалом — это многообещающие технологии.