Литий ионные аккумуляторы принцип работы: Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — Принцип работы

Содержание

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

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

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

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

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

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

состав литий-ионного аккумулятора

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

электрохимический ряд элементов

 

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

Вольтов столб

 

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

первый литий-ионный аккумулятор

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

атом лития

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

оксид лития

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

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

положительный ион

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

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

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру. (Переходи и смотри подробно про строение атома)

строение литий-ионного аккумулятора

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

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

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

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

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

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

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

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

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

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

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

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

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

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

разряженный литий-ионный аккумулятор

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

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

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

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый

разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

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

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

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в «рулончик».

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

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

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

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

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

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

батарейный модуль Тесла

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

радиатор для аккумуляторов Тесла

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

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

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

батарея Nissan Leaf и Tesla

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

Защитный SEI-слой

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

защитный SEI-слой

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

Заключение

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

Материал подготовлен по статье

Как устроен литий-ионный аккумулятор?

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 18-02-2022

Представление о современном мире было бы абсолютно другим, если бы не существовало литиевых аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы стали частью технологической революции, результаты которой мы постоянно наблюдаем вокруг себя (смартфоны, планшеты, ноутбуки и с недавних пор электротранспорт).

Несмотря на существование более продвинутых источников питания, например литий-титанатных ячеек (LTO), именно Li-Ion стали по-настоящему массовыми. Это связано с компактными размерами источника питания, невысокой ценой производства и оптимальным ресурсом работы. Под оптимальным ресурсом понимается далеко не самый длительный срок службы, а наоборот: литиевый аккумулятор зачастую соответствует жизненному циклу техники.

В связи с распространенностью элементов Li-Ion, полезно знать, как устроен литий-ионный аккумулятор, как правильно его эксплуатировать и в каких случаях он представляет опасность.

Как работает литий-ионный аккумулятор

В общих чертах строение литиевой батареи похоже на старые добрые свинцово-кислотные АКБ: здесь тоже есть анод, катод и электролит. Активными веществами здесь выступают графит (минус) и оксид лития (плюс). Конечно, анод и катод не состоят исключительно из перечисленных выше веществ. Данные вещества наносятся тонким слоем на медную и алюминиевую фольгу соответственно. Между листами фольги располагается разделитель, пропитанный электролитом.

В итоге получается эдакий пласт из тонких листов фольги, который и представляет собой литий-ионный аккумулятор. Далее этот пласт скручивается в трубочку — и получается стандартный цилиндрический элемент 18650 и других типоразмеров.

А каким образом описанная выше структура вообще способна накапливать и отдавать электроэнергию? Тут все тоже довольно-таки интересно. Электрический ток — это движение заряженных частиц. Именно это движение нам требуется обеспечить. Цикл работы литий-ионного аккумулятора можно представить следующим образом:

  • Процесс заряда. При подключении внешнего источника питания от стабильного оксида лития на алюминиевой пластине отделяются крайне нестабильные атомы лития. На внешней орбите атома имеется электрон, который стремится отделиться. Это мгновенно и происходит с атомом лития. Отделившийся электрон не может пройти через слой разделителя — тот пропускает только положительные ионы. Поэтому электрон минует разделитель через внешнюю цепь (зарядное устройство), попадая на медную пластину. После этого оставшиеся на “минусе” положительные ионы лития тоже начинают “притягиваться” положительным полюсом. Они беспрепятственно преодолевают разделитель. В итоге мы имеем положительный полюс, состоящий из слоев графита, которые захватили электроны лития и его ионы. В таком состоянии Li-Ion аккумулятор считается заряженным.
  • Процесс разряда. Пока к аккумулятору не подключается внешняя цепь в виде нагрузки, ионы и электроны лития остаются в слоях графита. Но стоит подключить к АКБ потребителя, как начнется активное движение. Ионы “поспешат” вернуться на свое место, протекая через разделитель. Электроны, как и ранее, пройти его не могут и вынуждены двигаться через внешнюю цепь, которая представляет собой потребителя электроэнергии. Пусть это будет традиционная лампочка. Протекая из положительной пластины через потребителя, электроны образуют электрический ток. Достигнув пункта назначения, ионы лития и электроны снова становятся частью стабильного оксида лития.

Таким образом, основной идеей литий-ионных аккумуляторов является то, что электронам требуется внешняя цепь, чтобы перетечь вслед за положительными ионами. Именно на счет этого аккумулятор может как заряжаться, так и разряжаться — меняется лишь направление движения частиц.

Опасны ли Li-Ion аккумуляторы

Как мы теперь знаем, в работе литиевого аккумулятора замешаны нестабильные вещества, которые то и дело норовят высвободить энергию. В процессе электрохимической реакции выделяются газы, так как когда ионы лития оседают на одной пластине, на другой образуются соли кислорода. Как и в случае с необслуживаемыми свинцово-кислотными АКБ, в случае нормальной работы газовыделение полностью контролируется. Но в случае перегрева или перезаряда аккумулятор может вздуться от внутреннего давления.

Как правило, АКб мобильных гаджетов оснащены контроллером и нарушение параметров заряда практически невозможно. Но всегда есть место заводскому браку или халатности “no-name” производителей, в результате чего аккумулятор может представлять опасность. Если АКБ вздулась — незамедлительно ее утилизируйте, иначе может случиться воспламенение.

Как взрываются литий-ионные аккумуляторы? Опять же, все снова связано с нестабильностью лития. При контакте с кислородом он тут же воспламеняется. Поэтому герметичность элемента питания очень важна. Также одной из стандартных причин возгорания может стать короткое замыкание между положительной и отрицательной пластиной. Наиболее часто это происходит из-за сочетания сильной степени износа и допущения перегрева, который негативно сказывается на целостности электролита. Разделитель призван защитить пользователя от внутреннего короткого замыкания, однако вероятность этого все равно имеется.

Что же делать, если аккумулятор вот-вот загорится или уже горит? Можно ли тушить литиевую батарею водой? Выше мы уже обратили внимание, что литий активно реагирует с кислородом, который в том числе имеется в составе воды. Поливать аккумулятор не рекомендуется, так как это может спровоцировать взрыв элемента. Пользователи, имевшие дело с воспламенением литий-ионного аккумулятора, советуют дать реакции закончится естественным способом, поместив АКБ в безопасное место, например в закрытую кастрюлю. Если же аккумулятор уже горит и взять его невозможно, очаг следует накрыть чем-то негорючим. Опять же, условная кастрюля, которой можно накрыть АКБ, отлично для этого подходит: и не допустит распространение огня, и перекроет доступ кислорода.

Это просто бомба-2. Li-Ion — как не взлететь / Хабр

За последний десяток лет литий-ионные аккумуляторы из дорогостоящей экзотики перешли в разряд самых распространенных источников автономного питания. Неудивительно, что они стали популярными и в руках самодельщиков, в том числе и начинающих. Иногда от технических решений в их творениях волосы становятся дыбом – ведь особенностью аккумуляторов данного типа является их повышенная опасность, в первую очередь – пожарная. Мой рассказ о том, как правильно «готовить» эту «рыбу фугу», чтобы никто не сгорел и не взорвался.

Предыдущая статья на «взрывную» тему здесь.

Принцип работы литий-ионнного аккумулятора.

Химические источники тока на основе лития получили распространение уже давно. Литиевые батарейки уже в конце XX века прочно укрепились в часах, калькуляторах, материнских платах компьютеров, пультах дистанционного управления. По принципу действия они мало чем отличаются от марганец-цинковых элементов, за тем исключением, что литий заменяет собой цинк, а вместо водного раствора щелочи или хлористого аммония – электролит на основе неводных растворителей, таких как пропиленкарбонат или хлористый тионил, в котором растворена литиевая соль, диссоциирующая с образованием иона лития, который и переносит ток в таком электролите. Но замена цинка на литий привела к тому, что напряжение возросло с полутора до трех вольт, а энергоемкость увеличилась в несколько раз. При этом химически инертный органический электролит и высокая степень герметичности конструкции свели саморазряд практически на нет — отдавая микроамперные токи, такая батарейка может работать десятилетиями.

Знаете, почему нельзя заряжать обычные батарейки? Казалось бы, при протекании тока в зарядном направлении, на электродах будут идти процессы «в обратном порядке»: на отрицательном электроде будет осаждаться цинк, а на положительном – активная масса, бывшая когда-то двуокисью марганца и отдавшая свой кислород, будет снова окисляться, вновь превращаясь в свежую MnO2. Но все портит то, что одновременно с этими процессами разлагается и вода в электролите. Выделяющиеся газы раздувают корпус батарейки и  выдавливают электролит наружу с печальными последствиями для аппаратуры.

В литиевом элементе нет воды. Пропиленкарбонат, служащий растворителем, не подвержен электролизу, поэтому такой элемент можно зарядить без побочных реакций. Однако, такой литиевый аккумулятор  «не взлетел». Вернее, он как раз взлетал – на воздух. Литий никак не хотел ложиться на свой анод аккуратным тонким слоем, а кристаллизовался в виде игольчатых кристаллов – дендритов. Точно такие же дендриты, к слову, образуются и при попытке зарядить марганец-цинковую батарейку, но именно в литиевом аккумуляторе они приводили к катастрофе. Рано или поздно такой дендрит перекрывал промежуток между анодом и катодом и вызывал короткое замыкание. Протекающий ток разогревал и катодную массу, из которой выделялся кислород, и литий, который в этом кислороде воспламенялся, и сепаратор, который просто прекращал свое существование, после чего литий, электролит и катодная масса – горючее и окислитель – превращались в адскую смесь. Как рассказывал мне один знакомый, причастный к этим экспериментам изобретатель – военные, для которых они пытались эти аккумуляторы создать, потеряли всякий интерес к ним, как к источникам тока, но регулярные мощные взрывы, сопровождающиеся ослепительным красным (от лития) пламенем, их восхищали и каждый раз военные интересовались, нельзя ли куда-то применить эту взрывчатку.

В этом направлении работали и за рубежом, и кое-чего даже добились, применяя механически более прочные керамические сепараторы, особые методы заряда, специальные добавки в электролит. Но все равно опасность дендритообразования сохранялась – слишком опасным был такой аккумулятор для его практического применения, если превышал размеры и емкость крохотной часовой батарейки-таблетки.

Прорыв принесли два открытия. Первое – это обнаружение способности некоторых сложных оксидов и сульфидов, содержащих литий, отдавать и поглощать обратно ионы лития на катоде. Второе – способность соединений слоистой структуры (графит, дисульфид молибдена) обратимо поглощать в межслоевое пространство значительные количества лития (вплоть до соединения состава LiC6), захватывая его атомы немедленно после разрядки ионов Li+ на аноде и предотвращая его выделение в металлической форме, а значит, предотвращая образование дендритов. За эти открытия и изобретение литий-ионного аккумулятора в прошлом году была присуждена Нобелевская премия. Ее лауреаты – М.С. Уиттингем, первооткрыватель явления интеркаляции лития в дисульфиды титана и молибдена, впервые предложивший использовать это явление в аккумуляторах, Дж. Гуденаф, исследовавший обратимость поглощения и выделения ионов лития кобальтитом лития на катоде, и собственно, изобретатель литий-ионного аккумулятора Акира Ёсино.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора Акиры Ёсино, изобретенного им в 1991 году, состоит в следующем. Однозарядные катионы лития – это практически единственный ион, переносящий ток в органическом неводном электролите. Противоионом является громоздкая и малоподвижная молекулярная «конструкция», обладающая отрицательным зарядом.

Ион Li+ при зарядке аккумулятора разряжается на поверхности графитового анода, превращаясь в нейтральный атом лития. Этот атом немедленно вступает поглощается графитом, проникая между слоями его кристаллической решетки. Образуется графитид лития – так называемый интеркалят или соединение внедрения. По своим химическим свойствам это сильный и активный восстановитель.

Одновременно с этим, кобальтит лития на катоде поставляет в раствор ионы лития, а сам при этом, теряя литий, все больше по составу приближается к двуокиси кобальта, в результате чего становясь сильным и активным окислителем.

Разность электрохимических потенциалов между этими окислителем и восстановителем равна ЭДС литий-ионного аккумулятора.

При разряде происходят обратные процессы. Литий, покидая межслоевое пространство на аноде, отдает во внешнюю цепь электрон и приобретает заряд, становясь катионом, а графитид лития – просто графитом. На катоде эти катионы возвращается в вакансии кристаллической решетки кобальтита лития, который теряет свои окислительные свойства, принимая электрон во внешнюю цепь.

Из-за отсутствия побочных процессов данная электрохимическая система обладает весьма высокой степенью обратимости и по этой причине характеризуется прекрасным КПД.

Литий-полимерные аккумуляторы не являются, как многие думают, каким-то отдельным видом аккумуляторов. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный на полимерной основе, а все электрохимические процессы в них ничем не отличаются. Отсутствие (вернее, минимальное количество) жидкого электролита позволяет придавать им практически любую форму и вместо прочного металлического корпуса помещать их в корпуса из полимерной пленки в виде запаянного пакетика, что помимо прочего повышает плотность хранения энергии.

Существуют также разновидности литий-ионных аккумуляторов с различными электрохимическими системами, такие, как литий-железофосфатные и литий-титанатные. Принцип действия у них тот же самый, но иные материалы катодной массы и, соответственно, другие напряжения. Удельная емкость этих аккумуляторов ниже, чем у классической кобальтовой литий-ионной системы, но они превосходят их по сроку службы, способности отдавать ток при низких температурах и, по утверждению производителей – по безопасности.

Собственно, безопасность – едва ли не основная «беда» литий-ионных аккумуляторов.

Скрытая угроза

Увы, «укротив» литий, Акира Ёсино не сделал этого огненного льва безобидным мышонком. Да и как можно ожидать полной безопасности от устройства, в котором, повторюсь, сильный и активный окислитель соседствует с столь же сильным и активным восстановителем и разделяют их лишь несколько десятков микрон пористой полимерной пленки-сепаратора? Стоит этой пленке где-нибудь прохудиться, допустив короткое замыкание, лавинообразный процесс саморазогрева и саморазрушения уже не остановить. Содержимое аккумулятора превращается во взрывчатую смесь горючего и окислителя. И эту смесь уже подожгли.

То, что литий-ионные аккумуляторы обычно не взрываются, обусловлено множеством предосторожностей, которые соблюдаются при их эксплуатации. Соблюдаются не силами пользователя – за этим следят автоматические электронные устройства. Там, где применяется литий-ионный аккумулятор, нет места простейшим зарядным устройствам из мира «свинца» и «никель-кадмия». Зарядное устройство обязано быть «умным». Процесс заряда литий-ионного аккумулятора многостадийный, требует строгого выдерживания параметров и должен быть вовремя завершен, и перекладывать ответственность за это на пользователя категорически недопустимо, так как его забывчивость в таком случае может привести к пожару или взрыву.

Дело в том, что отсутствие побочных процессов в литий-ионном аккумуляторе не абсолютно. Для того, чтобы их не было, нужно не выйти за определенную «безопасную» территорию. Так, при напряжении выше 4,2..4,5 В или при слишком большом токе заряда графит уже не успевает «впитать» литий, и он образует металлическую фазу. То же происходит, если графит теряет активную поверхность, что происходит, например, из-за переразряда. Как только на поверхности появляется металл, он начинает образовывать дендриты и… можно вызывать пожарных. Наконец, перенапряжение может вызвать электролиз компонентов электролита (в том числе и неконтролируемых примесей) и выделение газов, давление которых может нарушить герметичность аккумулятора, что также чревато пожаром – соединение внедрения лития в графит самовоспламеняется на воздухе.

Опасна и перегрузка при разряде. Перегрев разрядным током может вызвать вскипание или термическое разложение электролита, выделение кислорода из катодной активной массы, повреждение сепаратора. Результат тот же: КЗ и пожар. К тому же эффекту приведет и механическое повреждение аккумулятора.

Является «правилом хорошего тона» не полагаться на надежность зарядного устройства. В абсолютном большинстве промышленно выпускающихся устройств (за исключением «маргинальных» случаев вроде электронных сигарет и авиамоделей), содержащих литий-ионные аккумуляторы, независимо от контроллера, на который возложены функции заряда, имеется еще один контроллер, выполняющий функции защиты. В простейшем своем варианте (например, на микросхеме DW01A, являющейся основой плат защиты почти всех китайских аккумуляторов), он отключает аккумулятор при перезаряде (превышении допустимого напряжения), переразряде, слишком большом зарядном и разрядном токе, перегреве. В более сложных случаях к этим базовым функциям добавляется балансировка батареи (если она состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно), контроль за ее «здоровьем», подсчет ампер-часов при заряде и разряде (что позволяет определить оставшийся процент заряда гораздо точнее, чем при простом измерении напряжения) и другие функции. Данный контроллер – его называют Battery management system (BMS) или просто «платой защиты», как правило, является неотделимой частью аккумуляторной батареи, находясь с ней в одном корпусе и будучи наглухо припаянным к его выводам.

Есть еще третья ступень защиты. Это механическое устройство, разрывающее цепь при повышении давления или температуры внутри «банки» аккумулятора. К сожалению, оно – не панацея, так как во многих случаях нагрев и газовыделение начинаются уже после того, как возгорание батареи уже нельзя остановить.   

Кстати, типичная цифра, характерная для LiIon – 250 Вт*ч/кг или 0,9 МДж/кг.  Это всего вчетверо меньше запаса энергии в таких ВВ, как тротил. В мощном ноутбуке «тротиловый эквивалент» аккумулятора может быть сравним с ручной гранатой. Так что с литий-ионными аккумуляторами шутки плохи. Их взрыв вполне может привести  к смерти и увечьям многих людей.

Видео и фотографии взрывов и возгораний литий-ионных аккумуляторов в сети можно найти много. Надеюсь, они убедят вас, что все более чем серьезно.

Заряжаем и разряжаем правильно

А теперь разберемся с тем, как правильно заряжать эти опасные литий-ионные аккумуляторы, чтобы они не были так опасны.

Общепринятым, рекомендуемым всеми производителями литий-ионных аккумуляторов, является алгоритм CC-CV. Это означает, что начинается заряд стабилизированным током, а при достижении определенного напряжения далее оно стабилизируется на этом уровне. Этот метод близок к методу заряда свинцовых аккумуляторов, отличаясь от него лишь режимом.

Для большинства стандартных литий-ионных аккумуляторов напряжение перехода от стадии CC к стадии CV при комнатной температуре – 4,20 В. Некоторые старые аккумуляторы с анодом на основе каменноугольного кокса следует заряжать лишь до 4,10 В, тогда как в последнее время все чаще встречаются «высоковольтные» аккумуляторы, которые допускают заряд до 4,35 и даже 4,45 В. Небольшое превышение этого напряжения вызывает резкое сокращение срока службы, а более значительное превышение приводит к возгораниям и взрывам. Требуемая точность установки порогового напряжения для стандартных аккумуляторов составляет ±50 мВ, а у «высоковольтных» тем выше, чем выше напряжение, вплоть до ±5 мВ при пороговом напряжении 4,45 В. Разумеется, пониженное напряжение приводит лишь к снижению доступной емкости, а вот повышение напряжения недопустимо ни при каких случаях.

Стандартным током заряда считается 0,5С и большинство аккумуляторов без ущерба позволяют заряжать их током до 1С, а некоторые допускают и более высокие токи при условии недопущения перегрева. С здесь – ток в амперах, численно равный емкости в ампер-часах. Но таким током нельзя заряжать глубоко разряженные аккумуляторы, напряжение на клеммах которых снизилось ниже 2,9-3,0 В. В этом случае необходима стадия предварительной зарядки (precharge) – аккумулятор заряжается током 0,05-0,1С, пока напряжение не достигнет трех вольт. А вот слишком глубоко разряженные аккумуляторы заряжать нельзя вообще. Зарядное устройство должно не допускать зарядки аккумулятора, если напряжение на его клеммах снизилось ниже 2,5 В. При таком глубоком разряде аккумулятор обычно сильно теряет в емкости, но это еще полбеды: его заряд сопряжен с опасностью металлизации лития и возгорания. Кстати, «высоковольтные» аккумуляторы более чувствительны к глубокому разряду, и не следует допускать их разряда ниже 2,75 В. 

На стадии CV ток снижается по экспоненте. На этой стадии аккумулятор не должен оставаться до бесконечности. Заряд должен быть автоматически прекращен после снижения тока до 0,05-0,1С.

Такой многоступенчатый алгоритм зарядки предпочтительно реализовывать на специализированных микросхемах-контроллерах. Таких контроллеров в настоящее время выпускается множество, как самостоятельных (типичные примеры — всем известные LTC4054-4,2, TP4056, TP5000 и т.п.), так и встроенных в многофункциональные контроллеры питания, включающие несколько отключаемых линейных и импульсных преобразователей напряжения, наподобие применяемой во многих мобильных устройствах микросхемы RK819.

Плохой, очень плохой практикой является применение для этой цели обычных интегральных линейных и импульсных стабилизаторов, а в особенности — популярных и продаваемых именно как «платы для зарядки Li-Ion» модулей с Aliexpress на LM2596, XL4015 и т.п. Именно так нередко делают, переделывая шуруповерты на литиевые аккумуляторы, не учитывая опасности того, что со временем установленное на выходе напряжение может «уйти» из-за невысокого качества подстроечных резисторов на этих китайских платах. Если движок этого резистора потеряет контакт с резистивным элементом, на выходе попросту окажется входное напряжение. И это не говоря о том, что без внешних схемных решений такой «контроллер» не отключит аккумулятор по окончании заряда и не обеспечит предзаряд сильно разряженного аккумулятора малым током. В любом случае, проектируя и собирая зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторах, следует думать о надежности. Неисправность здесь может обойтись очень дорого, иногда — в человеческую жизнь.

Другое крайне неудачное решение, встречающееся в практике самодельщиков и даже «у китайцев» — заряжать аккумулятор, снабженный платой защиты, до ее срабатывания. Во-первых, BMS отключает аккумулятор уже при превышении напряжения. Во-вторых при такой зарядке, без стадии CV используется только часть емкости. Парадокс: батарея одновременно пере- и недозаряжается.

Как крайний случай, можно заряжать литий-ионные аккумуляторы током 0,1С до достижения 4,10..4,15 В с последующей отсечкой. Но, по некоторым данным, предположительно, такой режим плохо сказывается на токоотдаче и сроке службы аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы очень плохо переносят не только перезаряд, но и переразряд. Напряжение 2,5 В на «банку» и ниже фатально — такой аккумулятор уже опасно заряжать. А области между 2,5 и 3 В, которая хоть и формально является допустимой, следует по возможности избегать, так как это отрицательно сказывается на сроке службы. В устройстве, питаемом от литий-ионных аккумуляторов, следует предусмотреть принудительное отключение при снижении напряжения до 3 В. Кстати, подавляющее большинство смартфонов отключаются уже при напряжении 3,35..3,4 В, так как в их контроллерах питания применяются только понижающие преобразователи напряжения, и при более низком напряжении невозможно формирование напряжения 3,3 В. Поэтому все советы «ставить телефон на зарядку, не дожидаясь отключения, так как это очень вредно для батареи» не соответствуют действительности. Такое высокое напряжение отсечки, разумеется, немного уменьшает полезную емкость, и вместе с тем немного продлевает срок службы аккумулятора.

Балансировка

Процесс заряда осложняется, если мы имеем дело с батареей из последовательно соединенных элементов. Дело в том, что двух одинаковых аккумуляторов не бывает. Если емкость одного из них будет чуть больше, а другого – чуть меньше, напряжение на последнем будет расти быстрее, чем на первом. В таком случае, если мы будем заряжать батарею до 8,40 В, этот аккумулятор окажется в итоге немного перезаряженным. Со временем эти небольшие перезаряды приведут к более быстрому износу, а значит, напряжение на этом аккумуляторе будет завышаться с каждым разом все сильнее. Возникает «снежный ком» нарастающей разбалансировки батареи, который может закончиться взрывом.

Чтобы этого не допустить, необходимо контролировать напряжение не только всей батареи, но и каждого элемента в отдельности, не допуская превышения напряжений каждого из них. Обычно применяются те или иные схемы балансировки, шунтирующие «опережающие» элементы во время заряда, когда те достигают максимального напряжения. Это так называемые пассивные схемы балансировки. Очевидно, при их работе часть энергии рассеивается в виде тепла, что существенно снижает КПД зарядки и ухудшает тепловые условия внутри аккумуляторной сборки. Более эффективными и лучше использующими емкость являются методы активной балансировки, обеспечивающие перекачку энергии с клемм уже зарядившейся «банки» к еще недозаряженным.

На рисунке — простейшая схема балансировки батареи из двух элементов на двух компараторах (https://power-e.ru/hit/sistemy-balansa/). Обычно же такие системы выполняются на специализированных микросхемах, таких, как LTC3300-1 и включаются в состав BMS, оставаясь подключенными к аккумуляторной батарее всегда. Такие контроллеры обладают широким набором функций, включающих не только балансировку, но и мониторинг состояния батареи в течение их срока службы.

Активная балансировочная схема на LTC3300-1 (Рыкованов А. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009.№1

В настоящее время распространение получили интеллектуальные системы балансировки, лучше использующие емкость аккумуляторов за счет компромиссного распределения зарядного тока, которое определяется реальными емкостями каждого из элементов, измеренными в предыдущих циклах.

Как обращаться, хранить, куда девать остатки

Исходя из вышесказанного, обращаться с литий-ионными аккумуляторами следует с осторожностью. Опасность возгорания и взрыва возникает при неправильном заряде, коротком замыкании и механических повреждениях. Последнее особенно актуально для литий-полимерных аккумуляторов, лишенных прочного защитного корпуса. Случайно или намеренно проколов или разорвав пленку, защищающую аккумулятор, вы можете уже через 10-15 секунд получить у себя в руках ослепительный красный огонь. Это же может случиться при изгибе и сдавливании аккумулятора, а в особенности, если каким-либо инструментом проткнуть его насквозь. Такое случается при попытках извлечь аккумулятор, приклеенный на двусторонний скотч, из мобильного телефона для его замены на новый. Риск снижается при извлечении разряженного аккумулятора, поэтому это следует сделать перед началом работы. По этой же причине, а также по причине того, что при замыкании он может выдать десятки, если не сотни ампер тока, хранить такие аккумуляторы следует надежно и аккуратно упакованными, а не в куче радиохлама.

Вообще перед хранением эти аккумуляторы следует довести до уровня заряда 30-50%. Хранить их следует при комнатной температуре. А то некоторые «специалисты» утверждают, что их нужно держать в холодильнике. Не нужно. А вот старые, убитые и особенно вздувшиеся аккумуляторы хранить ни в коем случае нельзя, от них нужно избавиться как можно скорее, так как они непредсказуемы и могут в любой момент стать причиной пожара.

Вопрос «куда утилизировать» достаточно сложен. Учитывая экологическую опасность лития (по ПДК близок к свинцу), их должны утилизировать специальные организации, но у нас в стране я таких организаций, работающих с частными лицами, не знаю. Не следует выбрасывать их в мусор и в особенности в контейнеры для батареек. Пожалуй, идеальный вариант — некий закрывающийся ящик с песком на открытом воздухе, содержимое которого забирали бы специальные службы…

Нельзя (и если очень хочется, то тоже нельзя!) пытаться паять аккумуляторы. Только точечная сварка! Исключение — литий-полимерные со специально удлиненными выводами под пайку и цилиндрические аккумуляторы с заранее приваренными ленточными ламелями. Даже небольшой перегрев может привести и к разгерметизации с последующим самовоспламенением, и к расплавлению сепаратора и внутреннему КЗ.

Всякие шаманства типа «подтолкнуть аккумулятор» или «разблокировать контроллер» — это риск того, что у вас в руках, в кармане или в постели окажется огненный шар. Помните, что если контроллер аккумулятора заблокировался, это не потому что жадный до денег производитель хочет, чтобы вы купили новый. Это потому что производителю неохота оплачивать ущерб, нанесенный загоревшимися аккумуляторами.

Собрав зарядное устройство (неважно — как самостоятельное изделие или в составе какой-либо конструкции), нужно провести первый цикл заряда, подключив вместе с аккумулятором вольтметр и миллиамперметр, и убедившись, что оно работает корректно. Причем обратите внимание на точность измерений: максимально допустимое отклонение напряжения от номинальных 4,2 В не превышает 1,2%, а погрешность распространенных недорогих мультиметров разрядностью 3,5 цифр при измерении этого напряжения на пределе 20 В достигает 1%.

Собирая батарею из нескольких аккумуляторов, нужно подбирать максимально близкие (в пределах 1-3%) по емкости элементы при последовательном соединении, и по внутреннему сопротивлению — при параллельном. Перед соединением элементов параллельно нужно уравнять их по напряжению. Элементы для батареи должны быть строго из одной партии.

Нельзя ремонтировать батарею путем замены одного элемента на новый. Разбалансировка при этом практически гарантирована. А чем грозит разбалансировка, вы уже знаете (подсказка — пожаром и взрывом).

Плавкий предохранитель — это то, что должно быть в цепи любого литий-ионного аккумулятора.

И еще раз — будьте внимательны и осторожны.

5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов / Хабр

Литий-ионные аккумуляторы не столь «привередливы», как их никель-металл-гидридные собратья, но все равно требуют определенного ухода. Придерживаясь

пяти простых правил

, можно не только продлить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей, но и повысить время работы мобильных устройств без подзарядки.

Не допускайте полного разряда. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов. Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100.
Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:

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

Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.
В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.

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

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

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

Литий-ионные технологии для складской техники| Jungheinrich Li-ION

Литий-ионная технология уже совершила революцию в отрасли внутренней логистики, и существует целый ряд причин, почему так много компаний выбирают литий-ионные решения от Jungheinrich. Почти 15 лет назад мы начали разработку литий-ионных решений для складской техники и стали первыми, кто представил рынку эффективные серийные модели вместе с профессиональной поддержкой при переходе от традиционных аккумуляторных батарей.

Благодаря комплексному подходу к задаче, анализу условий эксплуатации, прогрессивным технологиям, in-house разработке и обширному ассортименту мы, в конечном итоге, помогаем нашим клиентам повысить эффективность их бизнеса.  С Jungheinrich вы всегда получаете лучшее.

Мы не идем на компромиссы, Вам тоже не придется

Проконсультируйтесь с экспертами Li-ion технологии

Мы индивидуально подходим к анализу каждого проекта с литий-ионным решением, чтобы в результате получить именно то, что вам действительно необходимо. Наши специалисты — эксперты в области энергосистем — будут рядом на каждом этапе вашего проекта, от планирования до реализации: будь то аренда, плановая закупка нескольких единиц или модернизация всего парка техники.

  • 65 лет в разработке электрической складской техники
  • Более 10 лет опыта разработки литий-ионных технологий для склада
  • Свыше 60 000 поставленных литий-ионных батарей
  • Наибольшее количество произведенной литий-ионной техники в мире
  • Все услуги от одного поставщика
  • Подходящие литий-ионные решения для любых задач

Не идите на компромиссы и сделайте выбор в пользу комплексного подхода и компетентного партнера, который понимает ваш бизнес!

Передовые технологии. Без компромиссов

Благодаря 15-летнему опыту разработки литий-ионных технологий, собственным исследованиям и производству мы можем предложить вам уникальную интегрированную систему, в которой литий-ионная батарея, зарядное устройство и техника согласованы друг с другом наилучшим образом. Это сказывается на всех рабочих характеристиках системы.

Почему это выгодно?

Батарею 24 В можно зарядить до 50 % емкости всего за 30 минут и зарядить полностью всего за 80 минут, используя перерывы, чтобы вы всегда работали с максимальной производительностью. Помимо этого, выбросы CO2 от эксплуатации литий-ионных батарей до 20 % меньше, чем от свинцово‑кислотных аналогов, примерно в три раза больше срок службы, они не нуждаются в техобслуживании. Поэтому эксплуатационная стоимость литий-ионных батарей ниже, чем свинцово-кислотных при большинстве профилей работы.

  • Надежность всех операций даже при неполной зарядке
  • Отсутствие затрат на техобслуживание, сервис или инфраструктуру для зарядки батарей
  • Не требуются специальные вентилируемые помещениях для зарядки
  • Объем выбросов CO2 ниже до 20 % ниже по сравнению со свинцово-кислотными батареями
  • Срок службы в три раза больше, чем у классических батарей
  • Более низкая общая стоимость владения по сравнению со свинцово-кислотными аналогами
  • Быстрая промежуточная зарядка во время перерывов или простоев, обеспечивающая максимальную готовность к работе
  • Возможность зарядить батарею до 50 % за 30 минут, до 100 % — за 80 минут
  • Высокий уровень безопасности при эксплуатации, зарядке и транспортировке

Помимо этого в вашем распоряжении целая линейка складской техники со встроенной литий-ионной батареей, где конструкция машины и аккумуляторная технология сочетаются еще более эффективным образом. Нам удалось полностью переосмыслить привычную конструкцию техники и сделать её невероятно компактной, и, как следствие, использовать складское пространство эффективнее, чем это когда-либо было возможно.

Комплексные решения. Без компромиссов.

Нет ничего важнее эффективности. Ее невозможно достичь без оптимизации вашего парка техники, и именно поэтому мы хотим приложить максимум усилий, чтобы переход на литий-ионную технологию был как можно проще и прозрачнее для вас, без сложного взаимодействия со сторонними поставщиками. Никаких компромиссов.

Если Вы планируете переоборудовать свою технику, модернизировать весь ваш парк, создать совершенно новую зарядную инфраструктуру или желаете просто арендовать технику, мы поможем вам найти лучшее решение из наиболее полного спектра. Мы окажем поддержку вашему литий-ионному проекту от этапа планирования до реализации, предложим подходящее зарядное устройство и батареи, оптимизируем их количество, а также обеспечим оперативную сервисную поддержку. Мы всегда будем рядом как ваш надежный партнер.

Независимо от того, как Вы намерены применить литий-ионную технологию, с Jungheinrich вы всегда будете в плюсе.

Долгосрочная гарантия. Без компромиссов 

Доверие — это хорошо, но гарантия еще лучше, особенно когда речь идет о вложениях в бизнес. Вы не желаете рисковать и идти на компромисс, но хотите иметь возможность полагаться на партнера на все 100 %? Все это возможно с Jungheinrich. С нами вы получите не только современные, проверенные и долговечные технологии, но и чувство уверенности и спокойствия с надежным партнером.

«Li-ion Guarantee Plus” — это целых 8 лет гарантии на высокую производительность литий-ионных батарей производства Jungheinrich, чтобы Вы могли сконцентрироваться на главных задачах.

Никаких компромиссов

Li-ion Guarantee Plus — 8 лет гарантии на высокую производительность литий-ионных батарей производства Jungheinrich.

Не словом, а делом.

Нет ничего убедительнее, чем отзывы наших клиентов об уже реализованных проектах.

Sebastian Allert

Оператор компании Leiter Projektteam Logistik, C.E. Noerpel Logistik GmbH & Co KG

«С переходом на литий-ионную технику Jungheinrich наши процессы стали гораздо гибче, а техника готова к работе практически в любой момент».

Ищите бескомпромиссный вариант?

Последуйте примеру множества наших довольных клиентов: выберите литий-ионные решения от Jungheinrich. Мы готовы помочь подготовить вашу компанию к требованиям завтрашнего дня уже сегодня. Отправьте запрос на бесплатную экспертную консультацию прямо сейчас:

Для нас инновационная литий-ионная технология означает возможность предложить Вам подходящий инструмент для работы.

Оптимальное взаимодействие всех компонентов для впечатляющей производительности и увеличенного срока службы аккумуляторов.

Переходите на литий-ионную технологию Jungheinrich, чтобы дать вашей логистике мощный заряд конкурентных преимуществ. Никаких компромиссов.

Устройство Li-Ion АКБ

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов: анода, выполненного на медной фольге и катода — на алюминиевой фольге. Электроды разделяет пористый сепаратор, осуществляющий функцию проводника. Он сделан из полипропилена и пропитан электролитом. Электроды помещены в герметичный корпус и присоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус может быть оснащен предохранительным клапаном, предназначенным для сбрасывания внутреннего давления при аварийных ситуациях или нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Литий-кобальтовые аккумуляторы (LiCoO2)

Применяются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках. Они имеют высокую емкость, но показатели удельной мощности, безопасности и срока службы не высоки.


Литий-марганцевые аккумуляторы (LiMn2O4)

Используются в электроинструменте, медицинском оборудовании, силовых и электрических агрегатах. Такие батареи более безопасны и долговечны, чем кобальтовые. Имеют высокую мощность, умеренную емкость. Ресурс порядка 5-6 лет ‒ до 1000 циклов “заряд-разряд”.


Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4)

Имеют высокий пиковый ток и стабильное напряжение, поэтому они идеально подходят для электромобилей, велосипедов, поломоечных машин, электрических погрузчиков и другой специализированной техники. Ресурс таких аккумуляторов составляет 10-20 лет, это более 2500 циклов “заряд-разряд”. В тяжелых условиях эксплуатации не выделяют газ, не возгораются и не взрываются.


Литий-титанатные аккумуляторы (Li4Ti5O12)

Обладают высокой долговечностью, широким температурным интервалом работы, быстрой зарядкой. Такие батареи обеспечивают более 15000 циклов “заряд-разряд”. Применяются в уличном освещении, ИБП, электрических силовых агрегатах.

Принцип действия литий-ионных аккумуляторов

Принцип действия литий-ионных аккумуляторов, независимо от материала катода одинаков. При подаче напряжения на электроды: “+” на оксид лития и “-” на графит, положительно заряженные ионы лития открепляются от молекул оксида и переходят на углеродную пластинку. Протекает окислительная реакция, и аккумулятор заряжается. При работе литий-ионного аккумулятора под нагрузкой протекает обратный процесс. Положительно заряженные ионы лития возвращаются на пластинку из оксида лития в первоначальное состояние. Графитовая пластинка на фольге из меди становится “минусом”, а оксид лития на фольге из алюминия — “плюсом”.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора и положительных и отрицательных материалов-industry-news

Литий-ионная батарея — это перезаряжаемая батарея, в которой ионы лития перемещаются между положительным и отрицательным электродами для работы. Во время заряда и разряда Li + интеркалируется и деинтеркалируется между двумя электродами: при зарядке аккумулятора Li + деинтеркалируется с положительного электрода, а электролит внедряется в отрицательный электрод, а отрицательный электрод находится в богатом литием состоянии. Следующая статья посвящена деталям принципа действия и обслуживанию литиевой батареи.

Литий-ионная батарея — это перезаряжаемая батарея, в которой ионы лития перемещаются между положительным и отрицательным электродами для работы. Во время заряда и разряда Li + интеркалируется и деинтеркалируется между двумя электродами: при зарядке аккумулятора Li + деинтеркалируется с положительного электрода, а электролит внедряется в отрицательный электрод, а отрицательный электрод находится в богатом литием состоянии, обычно используется электрод, содержащий литиевый элемент. Это представитель современных высокопроизводительных аккумуляторов.

Литий-ионный аккумулятор — введение

Литий-ионный аккумулятор Литий-ионный аккумулятор Литий-ионный аккумулятор (Li-ion, Lithium IonBattery): Литий-ионный аккумулятор имеет такие преимущества, как легкий вес, большая емкость, отсутствие эффекта памяти и т. Д., И поэтому он широко используется — многие В современных цифровых устройствах в качестве источника питания используются литий-ионные батареи, хотя их цена относительно высока. Литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергии, их емкость в 1,5–2 раза больше, чем у никель-водородных аккумуляторов того же веса, и очень низкая скорость саморазряда. Кроме того, литий-ионный аккумулятор практически не имеет «эффекта памяти» и не содержит токсичных веществ, что также является важной причиной его широкого применения.

Как работают литий-ионные батареи

Литий-ионная батарея Принципиальная структура литий-ионной батареи Литиевая батарея делится на литиевую батарею и литий-ионную батарею. В настоящее время в мобильных телефонах и ноутбуках используются литий-ионные батареи, которые обычно называют литиевыми батареями. В настоящее время литий-ионные батареи, используемые в мобильных телефонах и т.п., и настоящие литиевые батареи не используются в повседневных электронных продуктах из-за их высокого риска.

Литий-ионный аккумулятор положительные и отрицательные материалы

Анодный материал литий-ионной батареи представляет собой углеродный материал, а катодный материал литий-ионной батареи представляет собой литийсодержащее соединение. Металлического лития нет, только ионы лития, это литий-ионный аккумулятор. Литий-ионный аккумулятор — это общий термин для аккумулятора, в котором в качестве материала положительного электрода используется интеркалированное соединение иона лития. Процесс зарядки и разрядки ионно-литиевой батареи представляет собой процесс интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития. В процессе интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития сопутствующая вставка и деинтеркаляция эквивалентных электронов ионами лития (обычно называемая внедрением или деинтеркаляцией положительного электрода и вставкой или деинтеркаляцией отрицательного электрода). Во время заряда и разряда ионы лития интеркалируются / деинтеркалируются и вставляются / деинтеркалируются между положительным и отрицательным электродами и уместно именуются «батареями кресел-качалок».

Литий-ионные батареи обладают высокой плотностью энергии и высоким средним выходным напряжением. Саморазряд небольшой, менее 10% в месяц. Нет эффекта памяти. Диапазон рабочих температур составляет от -20 ° C до 60 ° C. Отличные рабочие характеристики при циклическом использовании, быстрая зарядка и разрядка, эффективность зарядки до 100% и длительная выходная мощность. Без загрязнения окружающей среды его называют зеленой батареей.

Зарядка — важный этап при многократном использовании аккумулятора. Процесс зарядки литий-ионного аккумулятора делится на две фазы: фаза быстрой зарядки постоянным током (индикатор горит красным или желтым) и фаза уменьшения тока постоянного напряжения (индикаторная лампа горит зеленым). Во время фазы быстрой зарядки постоянным током напряжение аккумулятора постепенно увеличивается до стандартного напряжения аккумулятора, а затем передается на ступень постоянного напряжения под микросхемой управления, напряжение больше не повышается, чтобы гарантировать, что он не перезарядится, и ток постепенно ослабевает по мере увеличения заряда батареи. Перейти к 0 и закончить зарядку. Чип статистики мощности может рассчитать мощность батареи, записав кривую разряда. Литий-ионные батареи меняют кривую разряда после многократного использования. Хотя литий-ионные аккумуляторы не обладают эффектом памяти, неправильная зарядка может серьезно повлиять на производительность аккумулятора.

Чрезмерная зарядка и разрядка литий-ионных батарей может привести к необратимому повреждению положительных и отрицательных электродов. Чрезмерный разряд приводит к разрушению структуры отрицательного углеродного листа, а сжатие приводит к тому, что ионы лития вставляются во время зарядки; чрезмерная зарядка приводит к тому, что избыточные ионы лития вставляются в отрицательную углеродную структуру, и некоторые ионы лития больше не выделяются.

Количество заряда равно зарядному току, умноженному на время зарядки. Когда напряжение управления зарядкой является постоянным, зарядный ток больше (скорость зарядки выше), а величина заряда меньше. Если скорость зарядки аккумулятора слишком высока и контрольная точка напряжения завершения не соответствует требованиям, емкость аккумулятора также будет недостаточной. Фактически, некоторые из активных материалов электродов батареи не полностью реагируют, и зарядка прекращается. Это явление недостаточной зарядки усугубляется с увеличением количества циклов.

Стальной корпус / серия алюминиевого корпуса:

(1) Верхняя и нижняя крышка аккумуляторного отсека

(2) Положительный электрод — активным материалом обычно является оксид лития-кобальта.

(3) Сепаратор — специальная композитная мембрана.

(4) Отрицательный электрод — активный материал — углерод.

(5) Органический электролит

(6) Батарейный отсек (разделен на стальной и алюминиевый)

Серия гибкой упаковки

(1) Положительный электрод — активным материалом обычно является оксид лития-кобальта.

(2) Разделитель — композитная пленка PP или PE.

(3) Отрицательный электрод — активный материал — углерод.

(4) Органический электролит

(5) Батарейный отсек — пленка из алюминиево-пластикового композитного материала.

Как работают литий-ионные батареи

Схема литий-ионного аккумулятора

Когда батарея заряжена, ионы лития генерируются на положительном электроде батареи, и генерируемые ионы лития перемещаются к отрицательному электроду через электролит. Углерод в качестве отрицательного электрода имеет слоистую структуру и множество микропор. Ионы лития, достигающие отрицательного электрода, внедряются в микропоры углеродного слоя, и чем больше ионов лития внедрено, тем выше зарядная емкость. Точно так же, когда батарея разряжается (то есть в процессе, в котором мы используем батарею), ионы лития, внедренные в углеродный слой отрицательного электрода, выходят и возвращаются к положительному электроду. Чем больше ионов лития возвращается к положительному электроду, тем выше разрядная емкость.

Обычно зарядный ток литиевой батареи устанавливается в пределах от 0,2 ° C до 1 ° C. Чем больше ток, тем быстрее происходит зарядка и тем сильнее нагревается аккумулятор. Более того, при чрезмерном токе зарядки емкость не полная, потому что электрохимическая реакция внутри аккумулятора требует времени. Как и при наливании пива, если оно будет слишком быстрым, оно будет пузыриться, но не будет полным. Для батарей нормальное использование — это процесс разрядки.

Необходимо обратить внимание на разряд литиевой батареи:

Во-первых, ток разряда не должен быть слишком большим. Чрезмерный ток вызывает нагрев внутри батареи, что может привести к необратимому повреждению. По мобильному телефону это не проблема, не считаешь.

Во-вторых, никогда не допускайте чрезмерной разрядки. Литиевые батареи больше всего боятся чрезмерной разрядки. Если напряжение разряда станет ниже 2,7 В, аккумулятор можно утилизировать. К счастью, внутри аккумулятора мобильного телефона была установлена схема защиты, напряжение недостаточно низкое, чтобы повредить аккумулятор, схема защиты будет работать, прекратите разряжаться. Чем больше разрядный ток аккумулятора, тем меньше разрядная емкость и тем быстрее падает напряжение.

Страница содержит содержимое машинного перевода.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора — E-Lyte Innovations GmbH

Литий-ионные батареи относятся к группе батарей, которые генерируют электрическую энергию путем преобразования химической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций на активных материалах, то есть отрицательном (аноде) и положительном электроде (катоде), в одном или нескольких электрически соединенных гальванических элементах. Литий-ионные батареи можно разделить на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, в зависимости от того, перезаряжаются ли они электрическим током.

В обычных литий-ионных батареях ионы Li + перемещаются между положительным электродом (обычно из слоистого оксида переходного металла) и отрицательным электродом на основе графита по принципу «кресла-качалки» (см. видео).

Термин «разрядка» используется для обозначения процесса, при котором батарея подает электрическую энергию на внешнюю нагрузку. Электролит в этой системе содержит дополнительные ионы Li + для обеспечения быстрого переноса ионного заряда внутри элемента.

 

Помимо ионной проводимости электролит выполняет и другие важные функции:

 

Поддержка образования эффективных межфазных границ (например, межфазной границы твердого электролита, SEI или межфазной фазы катодного электролита, CEI), которые:

  • включить аккумулятор для работы
  • хорошо Li + -ионно-проводящие (норма!)
  • защищают от дальнейшего разложения электролита

 

Способствует безопасности клеток – будучи инертным по отношению к другим материалам, таким как:

  • Сепаратор
  • Токосъемники
  • Проводящие добавки, Связующие
  • Кожух ячейки

 

Шаг 1 — Исходное состояние (состояние заряда (SOC) 0%)

При разрядке ионы Li + — находятся в материале положительного электрода.Таким образом, положительный электрод является источником ионов Li + -, необходимых для преобразования электрической энергии в химическую. Чтобы позволить ионам Li + мигрировать от положительного электрода к отрицательному, электролит также обогащают ионами Li + -.

Шаг 2 — Формирование SEI и CEI

В самом начале первого процесса зарядки электроны мигрируют из материала положительного электрода (окисление) через внешний проводник в материал отрицательного электрода (восстановление).Для обеспечения нейтральности заряда ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через электролит в материал отрицательного электрода для последующего хранения. В результате этих реакций на границах раздела электролит/поверхность отрицательного электрода и электролит/положительный электрод соответственно образуются граничные фазы, так называемые SEI и CEI. Эти межфазные фазы состоят из нерастворимых продуктов электрохимического разложения компонентов электролита и ионов Li + -, происходящих из положительного электрода, и обеспечивают обратимое циклирование батареи.После образования SEI и CEI дальнейшие ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы впоследствии включиться в последний.

Этап 3 — Электродные реакции

После образования SEI и CEI дальнейшие ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода для последующего включения в последний.

Положительный электрод:      

Li M O 2 → Li (1- x ) M O 2 + x · E + x · Li +

Отрицательный электрод:    

C 6 + x ·e + x ·Li + → Li x C 6        9003

Общая клеточная реакция:

C 6

C 6 + Li M O 2 → Li x C 6 + Li (1- x ) MO 2

Шаг 5 — Разрядка

При разряде идут обратные реакции.Электродные реакции:

Положительный электрод = «катод» (восстановление)

Li (1- x ) m o 2 o 2 + x · E + x · li + → li m o 2

Отрицательный электрод = «анод» (окисление)       

Li x C → C 6 + x ·e + x ·Li +

Шаг 6 — Принцип кресла-качалки

После разряда (SOC 0%) ионы Li + восстанавливаются в материале положительного электрода, из которого они изначально были получены.Возвратно-поступательное движение Li + -ионов напоминает движение кресла-качалки, поэтому этот принцип получил название «принцип кресла-качалки».

Особенно первый цикл (зарядка и разрядка) связан с необратимой потерей ионов Li + в SEI и CEI, а также в материале отрицательного электрода. В результате меньшее количество ионов Li + теперь может накапливаться в отрицательном электроде в следующем цикле заряда, что приводит к снижению емкости аккумулятора.

В литий-ионном аккумуляторе происходят различные процессы старения, которые снижают производительность аккумулятора в течение периода использования и сильно зависят от химического состава элемента и предполагаемого использования аккумулятора. В частности, правильный выбор электролита оказывает огромное влияние на эти механизмы старения и еще раз подчеркивает важность электролитов, изготовленных по индивидуальному заказу.

Для оптимизации литий-ионных аккумуляторов в отношении удельной энергии и плотности энергии, срока службы и безопасности было предпринято много усилий для дальнейшего расширения возможностей применения ЛИА.В частности, растущие потребности в литий-ионных батареях с высокой удельной энергией и плотностью энергии, особенно для автомобильных приложений, стимулируют исследовательские усилия во всем мире. Плотность энергии и удельная энергия аккумуляторов по определению — это количество энергии, запасенной в данной системе на единицу объема и на единицу массы соответственно. Произведение удельной емкости и среднего напряжения разряда дает удельную энергию, и это соотношение находит выражение в уравнении 1:

E = C · U            (1)

Согласно уравнению 1 кажется разумным, что большая часть текущих исследований сосредоточена на новых материалах положительного электрода с более высокими рабочими напряжениями (подход с высоким напряжением) и/или повышенной удельной емкостью (подход с высокой емкостью).Высоковольтные катодные материалы сильно ограничены узким окном электрохимической стабильности современных электролитов на основе карбонатов (≈1,0–4,4 В по сравнению с Li/Li + ) и усиливают конструкцию внутренне стабильных электролиты или подходящие добавки к электролиту для создания высоковольтных литий-ионных аккумуляторов.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Представьте себе мир без литий-ионных аккумуляторов (часто называемых литий-ионными аккумуляторами или LIB ).Нужна помощь? Мобильные устройства не будут выглядеть так, как сейчас. Представьте огромные, тяжелые сотовые телефоны и ноутбуки. Также представьте себе, что обе эти вещи настолько дороги, что их могут позволить себе только очень богатые люди. То, что вы представляете, это 1980-е годы. Страшно, не так ли?

Знаете ли вы?

Литий-ионные аккумуляторы были впервые изготовлены компанией SONY в 1991 году.

Литий-ионные аккумуляторы

стали важной частью нашей мобильной культуры. Они обеспечивают питание большей части технологий, которые использует наше общество.

Из каких частей состоит литий-ионный аккумулятор?

Аккумулятор состоит из нескольких отдельных элементов , соединенных друг с другом. Каждая ячейка состоит из трех основных частей: положительного электрода (катода ), отрицательного электрода (анода ) и жидкого электролита .

Части литий-ионной батареи (© Let’s Talk Science, 2019, на основе изображения ser_igor через iStockphoto).

Точно так же, как сухие щелочные батареи, используемые, например, в часах и пультах дистанционного управления телевизором, литий-ионные батареи обеспечивают питание за счет движения ионов.Литий чрезвычайно реактивен в своей элементарной форме. Вот почему в литий-ионных батареях не используется элементарный литий. Вместо этого литий-ионные батареи обычно содержат оксид лития-металла, такой как оксид лития-кобальта (LiCoO 2 ). Это поставляет литий-ионы. Оксиды лития-металла используются в катоде, а соединения лития-углерода — в аноде. Эти материалы используются, потому что они допускают интеркаляцию. Интеркаляция означает, что молекулы способны вставлять что-то в себя.В этом случае ионы лития могут легко входить и выходить из структуры электродов.

Какой химический состав используется в литий-ионных батареях?

Внутри литий-ионного аккумулятора происходят реакции окисления-восстановления (ОВП).

Восстановление происходит на катоде. Там оксид кобальта соединяется с ионами лития с образованием оксида лития-кобальта (LiCoO 2 ). Полуреакция:

CoO 2 + Li + + e → LiCoO 2

Окисление происходит на аноде.Там соединение интеркаляции графита LiC 6 образует графит (C 6 ) и ионы лития. Полуреакция:

LiC 6 → C 6 + Li + + e

Вот полная реакция (слева направо = разрядка, справа налево = зарядка):

LiC 6 + CoO 2 ⇄ C 6 + LiCoO 2

Как работает перезарядка литий-ионного аккумулятора?

Когда литий-ионный аккумулятор вашего мобильного телефона питает его, положительно заряженные ионы лития (Li+) перемещаются от отрицательного анода к положительному катоду.Они делают это, перемещаясь через электролит, пока не достигнут положительного электрода. Там они депонируются. Электроны, с другой стороны, движутся от анода к катоду.

Что происходит с литий-ионным аккумулятором при разрядке (© Let’s Talk Science, 2019, на основе изображения ser_igor через iStockphoto).

 

Иллюстрация – текстовая версия

Когда аккумулятор используется, ионы лития перетекают от анода к катоду, а электроны перемещаются от катода к аноду.

 

При зарядке литий-ионного аккумулятора происходит прямо противоположный процесс. Ионы лития возвращаются от катода к аноду. Электроны движутся от анода к катоду.

Что происходит с литий-ионным аккумулятором при зарядке (© Let’s Talk Science, 2019, на основе изображения ser_igor через iStockphoto).

 

Иллюстрация — текстовая версия

Когда аккумулятор заряжается, ионы лития перетекают от катода к аноду, а электроны перемещаются от анода к катоду.

 

Пока ионы лития совершают путь от одного электрода к другому, существует постоянный поток электронов. Это обеспечивает энергию для поддержания работы вашего устройства. Так как этот цикл может повторяться сотни раз, этот тип батареи перезаряжаемый .

Знаете ли вы?

Иногда литий-ионные аккумуляторы называют «аккумуляторами кресла-качалки». Это связано с тем, что ионы лития «качаются» между электродами.

Чем хороши литий-ионные аккумуляторы для мобильных технологий?

Это просто. литий-ионные аккумуляторы имеют самую высокую плотность заряда среди всех сопоставимых систем. Это означает, что они могут дать вам тонну энергии, не будучи очень тяжелыми.

Это происходит по двум причинам. Во-первых, литий — самый электроположительный элемент из . Электроположительность — это мера того, насколько легко элемент может отдавать электроны для образования положительных ионов. Другими словами, это мера того, насколько легко элемент может производить энергию.Литий очень легко теряет электроны. Это означает, что он может легко производить много энергии.

Литий также является самым легким из всех металлов. Как вы уже знаете, интеркаляционные материалы используются в качестве электродов в литий-ионных батареях вместо настоящего металлического лития. Тем не менее, эти батареи весят намного меньше, чем батареи других типов, в которых используются такие металлы, как свинец или никель.

Существуют ли какие-либо риски при использовании литий-ионных аккумуляторов?

Несмотря на то, что эти аккумуляторы впечатляют, у них есть и недостатки.Самая большая жалоба заключается в том, что они довольно быстро изнашиваются независимо от того, используете вы их или нет. Типичная литий-ионная батарея прослужит около 2-3 лет, прежде чем ее придется заменить. Это может дорого обойтись! Производство и утилизация литий-ионных аккумуляторов также оказывает большое влияние на окружающую среду, поэтому чем дольше прослужат эти аккумуляторы, тем лучше.

Как вы узнали, литий чрезвычайно реактивен. Когда производители производят литий-ионные аккумуляторы, они должны принимать определенные меры предосторожности, чтобы аккумуляторы были безопасными в использовании.Однако вы, возможно, слышали о некоторых электронных устройствах, таких как ноутбуки или сотовые телефоны, которые загораются из-за батарей. Хотя это может быть хорошим оправданием для того, чтобы не сдать свое эссе по английскому языку вовремя, это довольно опасная ситуация. В целях безопасности литий-ионные аккумуляторы содержат сепаратор. Это предотвращает соприкосновение электродов элементов батареи друг с другом. Но если этот сепаратор порвется или повредится, электроды могут соприкоснуться. Это может вызвать сильное накопление тепла. Если это накопление тепла вызовет искру, легко воспламеняющийся электролит может загореться.

Как только пламя возникнет в одной камере, оно может быстро распространиться на другие. И прежде чем вы это узнаете, ваш ноутбук превратится в лужу расплавленного пластика. Накопление тепла также может привести к очень быстрому повышению давления в вашем ноутбуке и БУМ!

Посмотрите, что происходит при коротком замыкании литий-ионной батареи (1:13 мин.).

 

Тем не менее, вам не нужно слишком беспокоиться. Эти события очень редки. На самом деле литий-ионные аккумуляторы очень безопасны. Кроме того, сейчас проводится много исследований по улучшению каждой части этих батарей.Например, исследователи создали жидкий электролит, который при попадании на него превращается в твердое вещество. Это предотвратит нагрев или возгорание батарей в случае их повреждения! Вскоре литий-ионные батареи станут еще безопаснее, прослужат дольше и будут стоить еще дешевле.

Знаете ли вы?

Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях. Мы начинаем видеть все больше и больше автомобилей, которые подключаются к сети вместо того, чтобы заправляться бензином!

 

Чтобы узнать принцип работы литий-ионного аккумулятора и его новейшие применения

В настоящее время невероятно популярны литий-ионные аккумуляторы.Вы можете найти их в ноутбуках, КПК, мобильных телефонах и iPod. Они так популярны, потому что они являются самыми энергоемкими аккумуляторами. Литий-ионные аккумуляторы ежедневно питают жизнь миллионов людей. В этом блоге мы узнаем о работе литий-ионного аккумулятора.

Литий-ионный аккумулятор в рабочем состоянии

Аккумуляторная литий-ионная батарея состоит из одного или нескольких энергогенерирующих отсеков, называемых элементами. Каждая ячейка состоит из трех компонентов: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита.

Положительный электрод подключается к положительной или + клемме аккумулятора. Отрицательный электрод подключается к отрицательной или — клемме. И химическое вещество под названием электролит между ними.

Положительный электрод обычно изготавливается из химического соединения, называемого оксидом лития-кобальта (LiCoO2) или фосфатом лития-железа (LiFePO4). Отрицательный электрод обычно изготавливается из углерода (графита). Электролит варьируется от одного типа батареи к другому.

Электролит переносит положительно заряженные ионы лития от анода к катоду. Движение ионов лития создает свободные электроны в аноде, которые создают заряд на коллекторе положительного тока. Затем электрический ток течет от токоприемника через питаемое устройство (мобильный телефон, компьютер и т. д.) к отрицательному токоприемнику. Сепаратор блокирует поток электронов внутри аккумулятора.

Пока батарея разряжается и подает электрический ток, анод выпускает ионы лития на катод, создавая поток электронов с одной стороны на другую.При включении устройства происходит обратная реакция, катод выделяет ионы лития, а анод их принимает. Так работает литий-ионный аккумулятор.

В этой батарее плотность энергии и удельная мощность являются наиболее распространенными вещами батареи. Как правило, плотность энергии измеряется в ватт-часах на килограмм (Втч/кг) и представляет собой количество энергии, которое батарея может хранить по отношению к ее массе. Плотность мощности измеряется в ваттах на килограмм (Вт/кг) и представляет собой количество энергии батареи по отношению к ее массе.

Вы также можете посмотреть это видео для того же.

Преимущества литий-ионного аккумулятора

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы популярны, поскольку они имеют ряд важных преимуществ по сравнению с конкурирующими технологиями:

  • Как правило, они намного легче других типов аккумуляторов того же размера.
  • Они держат заряд. Литий-ионный аккумулятор теряет всего около 5 процентов своего заряда в месяц.
  • Высокая удельная энергия и возможности высокой нагрузки с силовыми элементами
  • Длительный цикл и продление срока годности; бесплатная поддержка. Они могут выдерживать сотни циклов заряда/разряда.
  • Высокая производительность, низкое внутреннее сопротивление, хорошая кулоновская эффективность
  • Простой алгоритм зарядки и достаточно короткое время зарядки
  • Низкий саморазряд (менее половины от NiCd и NiMH)

Ограничения литий-ионной батареи

  • Требуется схема защиты для предотвращения теплового разгона при нагрузке
  • Разлагается при высокой температуре и при хранении под высоким напряжением
  • Быстрая зарядка невозможна при отрицательных температурах (<0°C, <32°F)
  • Правила перевозки, необходимые при отгрузке в больших количествах
  • Чрезвычайно чувствительны к высоким температурам.Тепло приводит к тому, что литий-ионные аккумуляторы разлагаются намного быстрее, чем обычно.

Применение литий-ионных аккумуляторов

Литиевые батареи

имеют длинный список реальных приложений, помимо запуска приложений на вашем телефоне. От спасательного медицинского оборудования до роскошных яхт литиевые батареи обеспечивают безопасность и надежность как самого необходимого, так и удобств современной жизни.

  • ИБП или резервный источник питания

 Он отличается от генератора или другого резервного источника питания.Он обеспечивает почти мгновенную подачу питания для запуска (или безопасного выключения) оборудования, к которому он подключен.

  • Надежный и легкий морской

    Модернизация вашей лодки с помощью перезаряжаемой литиевой батареи с длительным сроком службы обеспечивает надежный запуск двигателя в течение многих лет при весе в несколько раз меньше, чем у традиционной свинцово-кислотной батареи. Если вам нужно питание небольшого троллингового мотора, литиевые батареи способны и надежны.

  • Надежный электрический и силовой автофургон

Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают надежную, стабильную и длительную работу.Лучшее решение для комфортного и безопасного путешествия по удаленным местам. Благодаря небольшому весу и размеру ионно-литиевые батареи питают ваш автомобиль для отдыха или электромобиль с повышенной эффективностью.

  • Системы сигнализации в удаленных местах

Эти батареи идеально подходят для систем удаленного мониторинга благодаря длительному сроку службы и небольшому размеру. Кроме того, они не теряют мощность из-за саморазряда в то время, когда ваша система неактивна. Литиевые аккумуляторы имеют скорость саморазряда, которая в 10 раз ниже, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов

. Литий-ионные аккумуляторы

лучше всего подходят для солнечных батарей благодаря их быстрой зарядке.Солнечные панели производят зарядку с низким сопротивлением, что и требуется литиевым батареям. Кроме того, литиевые батареи быстро заряжаются, что позволяет максимально использовать потенциальную солнечную энергию за каждый солнечный день.

  • Личная свобода с мобильным оборудованием

От электрических инвалидных колясок до лестничных подъемников — многие люди зависят от надежных мобильных технологий, чтобы вести независимую жизнь. Литий-ионные аккумуляторы — идеальный выбор для мобильного оборудования, поскольку они обеспечивают индивидуальный размер, более длительный срок службы, быструю зарядку, низкую скорость саморазряда и увеличенное время работы.

  • Используется в портативных блоках питания

Перезаряжаемые литиевые батареи хорошо известны тем, что питают наши телефоны и новейшие легкие портативные компьютеры. Они также переносят движение и перепады температуры, а также сохраняют мощность во время использования.

Надеюсь, этот блог поможет вам понять, как работает литий-ионный аккумулятор и как его использовать. Мы в Robu.in надеемся, что вам было интересно, и вы вернетесь к нашим образовательным блогам.

ОБЯЗАТЕЛЬНО ПРОЧИТАЙТЕ СООБЩЕНИЯ В БЛОГЕ О БАТАРЕЕ

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные аккумуляторы чрезвычайно популярны и универсальны. Эти перезаряжаемые батареи используются в сотовых телефонах, автомобилях, электроинструментах и ​​некоторых других типах электронных устройств.

Технология, используемая в литий-ионных батареях, делает их отличным выбором из-за их очевидных преимуществ и экологических преимуществ.

Но как именно работают литий-ионные батареи? И что делает их такими популярными во многих приложениях?

Вот что вам нужно знать о компонентах, из которых состоит литий-ионный аккумулятор, и о том, как они работают вместе для создания высокофункциональных и долговечных источников энергии.

 

Компоненты

 

Литий-ионные аккумуляторы

доступны в различных формах и размерах. Однако внутри они обычно выглядят одинаково.Чтобы понять, как работает литий-ионный аккумулятор, важно знать, какую роль играют отдельные детали.

 

Клетка

Литий-ионный аккумулятор состоит из нескольких частей. Ячейка, служащая рабочей лошадкой батареи, является наиболее важным компонентом батареи.

Аккумулятор состоит из следующих материалов батареи:

  • Электроды — это два конца батареи. Один является анодом, а другой катодом.
  • Анод хранит литий и обычно изготавливается из углерода.
  • Катод также содержит литий и изготовлен из химического соединения, представляющего собой оксид металла.
  • Сепаратор блокирует поток отрицательных и положительных электронов внутри батареи, но пропускает ионы.
  • Жидкий электролит находится между двумя электродами. Он переносит положительно заряженные ионы лития от анода к катоду и наоборот в зависимости от того, заряжается батарея или разряжается.
Аккумулятор

Батарейный блок, содержащий литий-ионные элементы, работает почти так же, как компьютер. Он содержит следующее:

  • Не менее одного датчика температуры для контроля температуры аккумулятора.
  • Преобразователь напряжения и схема регулятора , предназначенная для поддержания напряжения и тока на безопасных уровнях.
  • Евроразъем, который позволяет подавать питание и информацию в аккумуляторную батарею и из нее.
  • Отвод ячейки , который контролирует напряжение ячеек в аккумуляторной батарее.
  • Система мониторинга батареи , небольшой компьютер, который контролирует всю батарею и обеспечивает безопасность пользователя.
 
Движение в камере
 

Итак, каким образом ячейка обеспечивает питание оборудования?

Когда вы подключаете литий-ионный аккумулятор к устройству или оборудованию, положительно заряженные ионы перемещаются от анода к катоду.В результате катод становится более положительно заряженным, чем анод. Это, в свою очередь, притягивает к катоду отрицательно заряженные электроны.

Сепаратор в ячейке включает электролиты, образующие катализатор. Это способствует движению ионов между . Движение ионов через раствор электролита заставляет электроны двигаться через устройство, к которому подключен аккумулятор.

Литий-ионные аккумуляторы

являются перезаряжаемыми. При перезарядке ионы лития проходят тот же процесс, но в обратном направлении.Это восстанавливает батарею для дополнительного использования.

Общая конструкция литий-ионного аккумулятора обеспечивает множество преимуществ для пользователей оборудования:

  • Время работы значительно увеличивается при их использовании по сравнению с другими типами батарей.
  • Возможности быстрой зарядки сокращают время простоя сменных рабочих и повышают производительность.
  • Они имеют плоские кривые разряда и обеспечивают более высокую постоянную мощность. Это означает, что больше не будет досадной медлительности оборудования по мере снижения уровня заряда аккумулятора.
Система управления батареями (BMS)
 

Система управления играет неотъемлемую роль в обеспечении того, чтобы батарея работала на самом высоком уровне. Это также влияет на то, как работает батарея, предлагая несколько защит и функций.

Например:

  • BMS поддерживает температуру ячеек в идеальном рабочем диапазоне, чтобы предотвратить перегрев или замерзание.
  • BMS контролирует токи и напряжения, чтобы поддерживать их на безопасном уровне.Дендриты начинают формироваться в ячейке, если напряжение падает слишком низко, что может привести к короткому замыканию ячейки, поэтому важно, чтобы в литий-ионном аккумуляторе была система для отслеживания этого.
  • В аккумуляторе нет встроенной «памяти», поэтому частичные разряды не навредят аккумулятору. Литий-ионные аккумуляторы могут заряжаться и разряжаться в то время, которое наиболее удобно для операторов оборудования.
  • Встроенные контроллеры предотвращают перезарядку, чтобы предотвратить образование, которое может привести к значительному повреждению литий-ионных аккумуляторов.
  • Балансировка ячеек контролируется, поэтому никогда не требуется выравнивающая зарядка. Поскольку литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в выравнивающих зарядах, они не выделяют опасные газы.
  • Система управления батареями также позволяет менеджерам отслеживать состояние батареи своего автопарка с помощью бортовых компьютеров, которые отправляют важные данные через облачные сервисы.

В литий-ионных батареях используется несколько элементов передовой технологии, которые вместе обеспечивают пользователям определенные преимущества.

Вы можете узнать о том, почему литий-ионные аккумуляторы лучше, чем свинцово-кислотные, в нашей статье Лучше ли литий-ионные, чем свинцово-кислотные для вилочных погрузчиков?

 

Принцип работы и применение литий-ионной батареи — StudiousGuy

Литий-ионная батарея — это тип перезаряжаемой батареи, в которой используются заряженные частицы лития для преобразования химической энергии в электрическую.М. Стэнли Уиттингем, британо-американский химик, известен как отец-основатель литий-ионных аккумуляторов. Он разработал концепцию перезаряжаемых батарей в конце 1970-х годов. В 2019 году М. Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Йошино были удостоены Нобелевской премии по химии за свою работу. По способности к перезарядке литий-ионные аккумуляторы можно разделить на две большие категории, а именно первичные и вторичные. Первичные литий-ионные аккумуляторы не подлежат перезарядке, а вторичные литий-ионные аккумуляторы можно перезаряжать.

Указатель статей (щелкните, чтобы перейти)

Принцип работы литий-ионной батареи

Литий-ионные аккумуляторы

работают по принципу кресла-качалки. Здесь преобразование химической энергии в электрическую происходит с помощью окислительно-восстановительных реакций. Обычно литий-ионный аккумулятор состоит из двух или более электрически соединенных гальванических элементов. Когда батарея заряжена, ионы стремятся двигаться к отрицательному электроду или аноду. Когда аккумулятор полностью разряжается, ионы лития возвращаются обратно к положительному электроду, т.е.д., катод. Это означает, что во время процесса зарядки и разрядки ионы лития перемещаются между двумя электродами батареи, поэтому принцип работы литий-ионной батареи называется принципом кресла-качалки.

Работа литий-ионной батареи

Аккумулятор обычно состоит из двух электродов, а именно анода и катода. Катод образует положительную клемму батареи, а анод предназначен для отрицательной клеммы. Катод литий-ионной батареи в основном состоит из соединения лития, а основным элементом анода является графит.Когда батарея подключена к источнику питания, ионы лития имеют тенденцию перемещаться от катода к аноду, то есть от положительного электрода к отрицательному электроду. Это называется зарядкой аккумулятора. Во время фазы разрядки батареи движение ионов лития меняется на противоположное от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода к положительному, и электрическая энергия передается на подключенную нагрузку.

Использование литий-ионной батареи

Сотовые устройства

Почти все сотовые устройства, такие как мобильные телефоны, ноутбуки, беспроводные телефоны и т. д., используйте литий-ионные аккумуляторы. Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы компактны, легки и пригодны для повторного использования. Следовательно, они идеально подходят для портативных устройств. Кроме того, такие типы батарей обеспечивают быструю скорость зарядки, что позволяет пользователю часто получать доступ к устройствам без помех.

Блоки питания

Power Bank — это портативный гаджет, который помогает пользователю удобно заряжать электронные устройства, такие как мобильные телефоны, смарт-часы и т. д., в любом месте и в любое время.Для этой цели в Power Bank обычно используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы.

Электромобили

В ряде электромобилей, таких как электромобили, электрические велосипеды, электрические скутеры, электрические велосипеды и т. д., для работы используются литий-ионные батареи. Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы имеют высокое отношение мощности к весу, большую устойчивость к колебаниям температуры и давления и более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.Кроме того, они легкие, портативные, эффективные и более безопасные, чем традиционные батареи.

Медицинские приборы

Медицинские устройства, такие как слуховые аппараты, хирургические инструменты, диагностические аппараты, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, роботы-помощники, инфузионные насосы, мониторы частоты сердечных сокращений и пульса и т. д., используют литий-ионные батареи для различных диагностических и лечебных целей. К преимуществам использования литий-ионных аккумуляторов в медицинских гаджетах относятся высокая чувствительность, быстрая скорость зарядки, малый вес, безвредность и др.

Камеры

Литий-ионные аккумуляторы

широко используются в цифровых зеркальных фотокамерах, поскольку они способны обеспечивать высокую мощность в течение сравнительно более длительного времени, чем традиционные аккумуляторы. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее, потому что они легкие, а значит, не делают гаджет громоздким. В некоторых камерах также используются перезаряжаемые литий-ионные батареи, что позволяет пользователю повторно использовать их и повышает надежность.

ИБП

ИБП (система бесперебойного питания) — это устройство, которое обеспечивает резервное питание в течение определенного периода времени в случае отключения или сбоя питания.В таких устройствах обычно используется комбинация литий-ионных аккумуляторов. Это связано с тем, что использование литий-ионных аккумуляторов в устройствах ИБП уменьшает занимаемую площадь на 50-80%. Кроме того, система ИБП на основе литий-ионных аккумуляторов весит на 60–80 % меньше, чем обычное устройство ИБП на основе свинцово-кислотных батарей.

Роботы

Литий-ионные аккумуляторы

очень популярны в области робототехники и автоматизации. Они используются для питания роботов-гуманоидов, а также промышленных роботов.

Преимущества литий-ионного аккумулятора

1.Литий-ионные аккумуляторы имеют значительно более низкую скорость саморазряда по сравнению с другими типами аккумуляторов.

2. Имеют высокую плотность энергии.

3. В литий-ионных батареях отсутствует эффект памяти.

4. Средний срок службы литий-ионных аккумуляторов в десять раз больше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов.

5. Высокая скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов.

6. Литий-ионные аккумуляторы эффективно работают в экстремальных условиях, таких как высокое давление и колебания температуры.

7. Литий-ионные аккумуляторы легкие и компактные. Как правило, вес литий-ионных аккумуляторов примерно на 50-60% меньше, чем у стандартных свинцово-кислотных аккумуляторов.

8. Установка литий-ионных аккумуляторов сравнительно проста.

9. Эти типы батарей гибкие, менее громоздкие и безопасные в использовании.

10. Литий-ионные аккумуляторы доступны в различных формах и размерах.

11. Уровень напряжения литий-ионного аккумулятора не падает и поддерживается постоянно на протяжении всего использования.

12. Емкость литий-ионного аккумулятора примерно на 25-50% больше, чем у свинцово-кислотного аккумулятора.

13. Требуют минимального обслуживания.

14. Литий-ионные аккумуляторы неопасны, так как не выделяют ядовитых газов.

Недостатки литий-ионной батареи

1. Зарядная емкость литий-ионной батареи со временем снижается из-за потери ионов лития на границе твердого электролита и на границе катод-электролит.

2.Если сепаратор литий-ионных аккумуляторов поврежден, они могут стать причиной возгорания.

3. Они относительно дорогие.

4. Если в аккумуляторе закончились ионы лития, его нельзя заменить. Таким образом, батарея не может быть использована по истечении ориентировочного срока службы.

Обзор литий-ионной батареи

— определение, принцип работы и применение — батарея Greenway

Это аккумуляторная батарея, которая используется в портативной электронике или электромобилях.Он находит свое применение в военной и аэрокосмической промышленности. Он был разработан в 1970-х годах и стал коммерческим в 1990-х годах. Интеркалированное соединение лития используется для изготовления положительного электрода батареи, а отрицательный электрод сделан из графита. Эти аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии и низким значением саморазряда. Литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющийся электролит и могут вызвать взрыв. Плотность энергии и напряжение литий-ионных аккумуляторов сильно различаются из-за материала, используемого в электродах.Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом характеристик, которые делают их идеальными для использования в различных устройствах.

В этой статье рассматриваются особенности и принцип работы литий-ионных аккумуляторов, а также предоставляется полезная информация о том, как использовать литий-ионный аккумулятор.

Литий-ионный аккумулятор имеет множество особенностей, которые делают его особенным для использования во многих приложениях.

  • Главной особенностью этой технологии является высокая плотность энергии. Согласно требованию таких устройств, как; мобильные телефоны, необходимо иметь батарею с высокой плотностью энергии.Эти устройства должны работать дольше, потребляя больше энергии. Это то, что отличает литий-ионные батареи от других источников энергии. Из-за высокой плотности энергии он лучше всего подходит для электромобилей, которые являются перспективными современными технологиями и скоро завоюют рынок.

  • Низкая скорость саморазряда делает литий-ионные аккумуляторы особенными. Все остальные перезаряжаемые батареи имеют быстрый саморазряд, например; Ni-Cad или NiMH. Скорость саморазряда литий-ионных аккумуляторов составляет 5% в первые четыре часа, а затем падает до 2% в месяц.

  • Одной из особенностей литий-ионных аккумуляторов является их неприхотливость в обслуживании. Они не требуют надлежащего обслуживания, как никель-кадмиевые элементы.

  • Литий-ионные аккумуляторы представлены в различных формах и видах. Это отличает его от других источников энергии. Для конкретного приложения можно использовать правильный тип батареи. Некоторые из литий-ионных аккумуляторов обеспечивают высокую плотность тока, их можно использовать в мобильных электронных устройствах.Некоторые обеспечивают высокий уровень тока и идеально подходят для электромобилей.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные батареи состоят из отсеков, вырабатывающих энергию, называемых ячейками. Клетка основана на трех компонентах; положительный электрод-анод, отрицательный электрод-катод и электролит. Анод обычно состоит из оксида лития-кобальта и фосфата лития-железа. Катод состоит из графита, а электролит варьируется от батареи к батарее.В процессе заряда анод позволяет ионам двигаться в электролите и достигать графита. Энергия поглощается и накапливается аккумулятором. При разрядке ионы лития через электролит возвращаются к положительному электроду. Они производят энергию для питания батареи. Электроны текут против движения ионов в обоих процессах. Электроны не текут в электролите, они движутся во внешней цепи. Движение ионов и электронов — взаимосвязанное явление.Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенные электронные контроллеры. Они используются для предотвращения перезарядки и перегрева аккумулятора. Когда ионы больше не текут, это означает, что батарея полностью заряжена и готова к использованию.?

Зарядка и разрядка — это химическая реакция. Но в случае с литий-ионными аккумуляторами все совсем по-другому. Для них это энергия, втекающая и выходящая из-за движения ионов между анодами и катодом.

Эти реакции включают внутреннюю коррозию и способность ионов захватывать электролит.Литий-ионные аккумуляторы аналогичны свинцово-кислотным системам. Li-ion не может принять перезарядку. Это чистая система, которая может принимать энергию, когда это необходимо. Свинцово-кислотный может отключить напряжение. Процесс перезарядки прост, и полный заряд присутствует, когда напряжение достигает порогового значения. Литий-ионные аккумуляторы будут полностью заряжены, когда напряжение достигнет пикового значения, но насыщение заряда может занять больше времени. Зарядное устройство с высоким током может заполнить аккумулятор до 70%. Эти аккумуляторы не требуют полной зарядки системы.

Как правильно использовать литий-ионные аккумуляторы?

Вот несколько советов, которые помогут сохранить ваши батареи здоровыми и продлить срок их службы.

Храните батарею при комнатной температуре

Литий-ионные аккумуляторы не выдерживают высоких температур. Не заряжайте мобильные телефоны в жаркую погоду в автомобиле. Тепло является одним из крупнейших источников, снижающих эффективность литий-ионных аккумуляторов.

Избегайте полной разрядки литий-ионного аккумулятора

Литиевая батарея, разряженная ниже 2.5 вольт на ячейку сделают ее мертвой для повторного использования. Даже оригинальное зарядное не поможет. Будьте осторожны при разрядке аккумулятора.

Используйте литий-ионный аккумулятор большой емкости

Не покупайте запасную батарею, а используйте батарею большой емкости, чтобы она прослужила дольше. Запасные батареи скоро придут в негодность, если их не использовать в течение длительного периода времени.?

Храните батарею в прохладном месте

Если вы хотите хранить литий-ионные аккумуляторы, рекомендуемое значение составляет 40 процентов разрядки и хранения в холодильнике.

Избегать попадания влаги

Литий-ионные аккумуляторы способны поглощать влагу. Итак, не используйте устройство рядом с водой или под дождем.?

Используйте совместимое зарядное устройство

Если вы используете низкий порог напряжения и устраняете насыщение заряда, это увеличивает срок службы батареи, но сокращает время работы. Используйте совместимое зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора, если вы используете недорогое зарядное устройство.Он зарядит аккумулятор за один час, но не обеспечит насыщение зарядов. Состояние заряда будет достигнуто после завершения первого этапа зарядки. Аккумулятор в этот момент будет заряжен на 85%, но это не будет содержать оптимального количества зарядов. Такого уровня зарядки может быть достаточно для многих пользователей, но он не обеспечит длительное использование.

Литий-ионный аккумулятор — обзор

11.1.2 Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы — это перезаряжаемые аккумуляторы с высокой плотностью энергии, которые обычно транспортных средств [27].В отличие от одноразовой литиевой первичной батареи, во вторичной литий-ионной батарее в качестве электрода используется интеркалированное соединение лития вместо металлического лития. Литий-ионные аккумуляторы бывают разных форм, размеров и химического состава, как и батареи. Их различные химические составы и структуры предлагают различные характеристики, часто с компромиссом между эффективностью, стоимостью и безопасностью [27–30].

Литий-ионный аккумулятор состоит из анодного электрода, катодного электрода и сепаратора. Сепаратор действует как ингибитор потока электронов между анодным и катодным электродами и удерживает электролит.Литий-ионные аккумуляторы могут использовать несколько различных материалов в качестве электродов. Наиболее распространена комбинация фосфата лития-железа (катод) и графита (анод), которая чаще всего встречается в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки. Другие катодные материалы включают оксид лития-марганца (используемый в гибридных электрических и электрических автомобилях) и оксид лития-кобальта. В литий-ионных батареях обычно используются органические растворители на основе эфира (диэтилкарбонат, диметилкарбонат, этиленкарбонат и т. д.) и некоординирующие неорганические соли (LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 и т. д.) в их электролит [28–30].

Кроме того, чтобы понять важность связующего вещества в электроде литий-ионного аккумулятора, необходимо понять принцип работы литий-ионного аккумулятора. Во время цикла литий-ионного аккумулятора происходит интеркаляция и деинтеркаляция ионов лития. Интеркаляция — это когда ионы лития перемещаются в электрод (во время разрядки батареи ион лития перемещается в катод с анода), а деинтеркаляция — это когда ионы лития выходят из электрода (во время разрядки батареи ион лития выходит из анода). [27].Обратный описанный выше процесс происходит при зарядке аккумулятора. Во время циклов заряда и разряда электроны движутся в том же направлении, что и ионы лития, а движение ионов лития во время циклирования батареи приводит к изменению объема электрода.

На рис. 11.2 показан рабочий механизм литий-ионной батареи. Чтобы описанный ниже процесс происходил эффективно, электрод должен иметь очень хороший электронный контакт между частицами наряду с хорошим контактом массы электрода с токосъемником (на который нанесены активный материал, сажа и связующее).Связующее является единственным компонентом электрода, который обеспечивает описанный выше процесс, и, следовательно, отсутствие хорошего связующего в электроде отрицательно сказывается на работе батареи [31–34].

Рис. 11.2. Схема рабочего механизма литий-ионной батареи во время циклирования батареи.

Аккумуляторный электрод состоит из трех важных компонентов: активного материала, углеродной добавки и полимерного связующего в соотношении примерно 90:7:3 соответственно [31–34]. (i) Во-первых, активный материал, который в электроде отвечает за высокий потенциал и высокую гравиметрическую плотность энергии, получают из батареи.Активный материал является самым крупным компонентом электрода, составляющим от 90 до 95% от общего состава электрода; (ii) Во-вторых, к электроду добавляется сажа для повышения электронной проводимости между частицами активного материала. Углерод в электроде очень важен для оптимальной работы батареи, и его соотношение колеблется от 3% до 5%; (iii) Наконец, хотя доля полимерного связующего в электроде наименьшая (2–3 %), связующее играет очень важную роль в удержании электрода в целости.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.