Литий ионный аккумулятор это. Литий-ионные аккумуляторы: принцип работы, преимущества и применение

Как устроены литий-ионные аккумуляторы. Чем они отличаются от других типов батарей. Где применяются литий-ионные аккумуляторы. Какие у них преимущества и недостатки. Как развивается технология литий-ионных батарей.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает

Литий-ионный аккумулятор — это перезаряжаемый источник тока, в котором носителями заряда являются ионы лития. Он состоит из двух электродов (анода и катода), разделенных сепаратором и погруженных в электролит.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на перемещении ионов лития между электродами:

• При зарядке ионы лития движутся от катода к аноду через электролит
• При разрядке ионы лития перемещаются обратно от анода к катоду, создавая электрический ток во внешней цепи

Благодаря обратимости этого процесса литий-ионный аккумулятор можно многократно заряжать и разряжать.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов перед другими типами батарей

Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей:

• Высокая плотность энергии (до 250 Вт⋅ч/кг)
• Низкий саморазряд (2-8% в месяц)
• Отсутствие эффекта памяти
• Большое количество циклов заряда-разряда (до 1000 и более)
• Широкий диапазон рабочих температур
• Возможность быстрой зарядки

Эти преимущества сделали литий-ионные аккумуляторы наиболее распространенным типом перезаряжаемых батарей в современной портативной электронике и электротранспорте.

Области применения литий-ионных аккумуляторов

Благодаря своим характеристикам литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение в различных сферах:

Портативная электроника

Литий-ионные батареи используются в смартфонах, планшетах, ноутбуках, цифровых камерах, умных часах и других портативных устройствах. Их высокая емкость позволяет обеспечить длительное время работы при компактных размерах.

Электротранспорт

Электромобили, электровелосипеды, электросамокаты и другие виды электротранспорта оснащаются литий-ионными аккумуляторами большой емкости. Они обеспечивают большой запас хода и возможность быстрой зарядки.

Электроинструмент

Аккумуляторные дрели, шуруповерты, болгарки и другие инструменты все чаще оснащаются литий-ионными батареями вместо никель-кадмиевых. Это позволяет увеличить время работы и уменьшить вес инструмента.

Системы накопления энергии

Крупные литий-ионные аккумуляторы используются для накопления энергии в системах альтернативной энергетики (солнечные и ветряные электростанции), а также для стабилизации электросетей.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Основные компоненты литий-ионного аккумулятора:

• Анод — обычно из графита
• Катод — из оксида лития и других металлов (кобальт, марганец, никель)
• Электролит — раствор соли лития в органическом растворителе
• Сепаратор — пористая полимерная пленка
• Корпус
• Контакты

Конструкция может быть цилиндрической, призматической или пакетной (поли-мерной). Выбор конструкции зависит от конкретного применения.

Процессы, происходящие при зарядке и разрядке литий-ионного аккумулятора

При зарядке литий-ионного аккумулятора происходят следующие процессы:

1. Ионы лития выходят из кристаллической решетки катода
2. Через электролит ионы лития перемещаются к аноду
3. Ионы лития внедряются между слоями графита в аноде
4. Электроны движутся по внешней цепи от катода к аноду

При разрядке процессы идут в обратном направлении:

1. Ионы лития выходят из графита анода
2. Через электролит ионы лития перемещаются обратно к катоду
3. Ионы лития встраиваются обратно в кристаллическую решетку катода
4. Электроны движутся по внешней цепи от анода к катоду, создавая электрический ток

Типы литий-ионных аккумуляторов

Существует несколько типов литий-ионных аккумуляторов, различающихся материалом катода:

• LiCoO2 (литий-кобальтовые) — высокая плотность энергии, но ограниченный срок службы
• LiMn2O4 (литий-марганцевые) — более безопасные и дешевые, но с меньшей емкостью
• LiFePO4 (литий-железо-фосфатные) — высокая безопасность и долговечность
• NMC (никель-марганец-кобальтовые) — сбалансированные характеристики
• NCA (никель-кобальт-алюминиевые) — высокая емкость и мощность

Выбор типа аккумулятора зависит от требований конкретного применения.

Современные разработки в области литий-ионных аккумуляторов

Основные направления совершенствования литий-ионных аккумуляторов:

• Увеличение плотности энергии за счет новых материалов электродов
• Повышение безопасности и надежности
• Улучшение характеристик при низких температурах
• Увеличение скорости зарядки
• Снижение стоимости производства

Ведутся разработки твердотельных литий-ионных аккумуляторов, которые могут обеспечить значительный прогресс по всем этим направлениям.

Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Для обеспечения длительного срока службы литий-ионных аккумуляторов следует соблюдать несколько простых правил:

• Избегать полного разряда и перезаряда
• Хранить при уровне заряда 40-60%
• Не допускать перегрева и переохлаждения
• Использовать оригинальное зарядное устройство
• Избегать механических повреждений

При соблюдении этих правил современные литий-ионные аккумуляторы способны прослужить 3-5 лет и выдержать более 1000 циклов заряда-разряда.

Перспективы развития литий-ионных аккумуляторов

Несмотря на быстрое развитие, технология литий-ионных аккумуляторов еще не достигла своего предела. Основные направления дальнейшего совершенствования:

• Разработка новых материалов электродов с более высокой емкостью
• Создание твердотельных электролитов для повышения безопасности
• Улучшение технологии производства для снижения стоимости
• Разработка более эффективных методов утилизации

Ожидается, что в ближайшие 5-10 лет емкость литий-ионных аккумуляторов может увеличиться в 2-3 раза при одновременном снижении стоимости. Это откроет новые возможности для их применения в электротранспорте и системах накопления энергии.

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

Публикации в СМИ ООО “Рэнера”

1. Литий-ионные батареи пожаро- и взрывоопасны
Данный миф обязан своим появлением нескольким широко растиражированным СМИ случаям возгорания различных устройств с литий-ионными аккумуляторами.

К счастью, технический прогресс не стоит на месте, и литий-ионные аккумуляторы становятся безопаснее. Этому способствуют как изменения в химическом составе аккумуляторов, так и развитие систем контроля и управления батареей.
Основной причиной возгорания литий-ионных аккумуляторов первого поколения было наличие в их составе металлического лития в качестве материала анода. На таком аноде в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), которые прорастали, подобно деревьям, от анода к катоду и прокалывали сепаратор, что приводило к замыканию электродов и, как следствие, выходу аккумулятора из строя, а в редких случаях – к возгоранию или взрыву. Похожие процессы происходили внутри аккумуляторов на основе оксида кобальта, но возникали они лишь в случае нарушения условия эксплуатации – при перезарядке ячеек.
В современных аккумуляторах от этих недостатков получилось избавиться. Во-первых, материал анода был заменён на графит. Графит в литий-ионных аккумуляторах используют благодаря его способности его пористой структуры улавливать и удерживать литий. Во-вторых, были значительно улучшены системы управления процессами заряда, что не позволяло доводить аккумулятор до опасных состояний. В случае отклонения каких-либо параметров от допустимых, аккумулятор отключался либо от зарядного устройства, либо от своей нагрузки.
Усовершенствование литий-ионных аккумуляторов продолжается и по сей день. Например, некоторые современные виды литий-ионных аккумуляторов не подвержены возгоранию и взрыву даже будучи проткнуты насквозь металлическим предметом. Такое повреждение считается самым «жёстким» краш-тестом для аккумуляторов, так как оно приводит к короткому замыканию внутри ячейки.
Таким образом, литий-ионные аккумуляторы сегодня – это современные, надёжные и компактные источники энергии, которые используются повсеместно и ежедневно, не представляя угрозу нашей безопасности. Этому способствует непрекращающийся процесс модернизации аккумуляторов, проверенные алгоритмы системы контроля и управления батареей и накопленный опыт предыдущих ошибок за уже почти тридцатилетнюю эксплуатацию литий-ионных аккумуляторов.

4″> 2. Литий-ионные батареи дороже свинцово-кислотных
Данное утверждение хоть и не является мифом, но не до конца правдиво. Действительно, на данном этапе развития технологий капитальные затраты на приобретение систем накопления энергии с литий-ионными батареями могут в 2-4 раза превышать капитальные затраты на приобретение тех же систем со свинцово-кислотными батареями.

Однако, как показывают результаты опытной эксплуатации и расчётов, проведённых на экономических моделях, совокупная стоимость владения систем хранения энергии с литий-ионными батареями ниже, чем у тех же систем со свинцово-кислотными батареями. Данный эффект достигается за счёт следующих преимуществ литий-ионных батарей перед свинцово-кислотными:
• более редкая замена аккумуляторов: срок службы до 20 лет против 2-6 лет у свинцово-кислотных;
• практически полное отсутствие затрат на обслуживание;
• более высокая плотность энергии: до 300 Вт×ч/кг против 50 Вт×ч/кг у свинцово-кислотных;
• как следствие высокой плотности энергии, меньше занимаемая площадь и масса готового решения;
• отсутствие эффекта памяти;
• высокая скорость зарядки с меньшими потерями: до 1-2 часов с КПД 93% против 4-10 часов с КПД 64% у свинцово-кислотных батарей;
• продвинутые возможности мониторинга и управления батареей.
Благодаря совокупности этих факторов, приобретение и установка литий-ионных батарей может стать выгоднее использования свинцово-кислотных уже начиная со 2 года эксплуатации. Стоит отметить, что срок окупаемости капитальных затрат зависит от конкретного применения и может быть как меньше, так и больше указанного.
Помимо этого, следует помнить, что удельная стоимость кВтч энергии, запасаемой литий-ионными батареями, ежегодно снижается. Это делает технологию более доступной, позволяя создавать на её основе более безопасные, надёжные и удобные в эксплуатации системы накопления энергии.

3. Литий-ионные батареи не работают на холоде
Этот миф, как и миф об пожаро- и взрывоопасности литий-ионных аккумуляторов, пришёл из области мобильной техники. Все помнят времена, когда телефоны на сильном морозе очень быстро теряли свой заряд. Действительно, отдельная ячейка аккумулятора подвержена воздействию отрицательных температур, т.к. при температурах ниже 0 градусов Цельсия отдаваемая ёмкость может уменьшаться на величину до 20-40%.
Очевидно, что одно из основных требований к батареям портативной техники – это её компактность и низкий вес. Телефоны и прочая техника становятся меньше и легче с каждым поколением, а их энергопотребление как минимум не снижается. Данная особенность применения литий-ионных аккумуляторов не позволяет оборудовать их системой термостатирования, необходимой для защиты батареи от температурных воздействий окружающей среды.
Совсем по-другому дело обстоит в технике покрупнее: электротранспорте и стационарных системах накопления энергии. Размеры и масса батарей в такой технике играют не последнюю роль, но всё же увеличенные размеры своей техники позволяют укомплектовать батарею вышеупомянутой системой термостатирования, жертвуя частью производительности ради универсальности применения. Система термостатирования предназначена для поддержания в батарейном отсеке оптимальной температуры для литий-ионных аккумуляторов – от 0 до 25 градусов Цельсия. Системы термостатирования могут быть представлены в виде системы охлаждения, системы нагрева или комбинации этих систем.
Доказательством эффективности работы вне зависимости от погодных условий современных литий-ионных батарей служит непрекращающийся рост продаж электромобилей, в том числе в северных странах – Норвегии, Дании, Финляндии. Также современные стационарные системы на основе литий-ионных батарей обеспечивают бесперебойное питание вне зависимости от погодных условий в самых разных уголках России – от крайнего севера до жаркого юга.
Современные литий-ионные батареи – это не просто аккумуляторная ячейка, а целый комплекс обеспечения эффективного и безопасного использования запасённой электрической энергии. Литий-ионные батареи нашего времени при правильном устройстве системы способны работать в любых погодных условиях – от минус 60 до 50 градусов Цельсия. Именно комплексные решения в одном корпусе делают литий-ионные батареи технологией будущего.

Как работают литий-ионные аккумуляторы? | Аккумулятор SCiB™

Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или параметр отключен.​

Top Page

Что представляет собой
SCIB ™

Приложения

Продукты

Тематическое исследование

Следующее поколение

Знание

Устойчивости
из SCIB ™

Связаться с США

0003 1-й период

Как работают литий-ионные батареи?

Что такое литий-ионный аккумулятор? Какие особенности у него есть?

Литий-ионная батарея — это тип перезаряжаемой батареи, которая заряжается и разряжается ионами лития, перемещающимися между отрицательным (анодным) и положительным (катодным) электродами. (Как правило, батареи, которые можно многократно заряжать и разряжать, называются вторичными батареями, тогда как одноразовые батареи называются первичными батареями.)
Поскольку литий-ионные аккумуляторы подходят для хранения энергии большой емкости, они используются в широком спектре приложений, включая бытовую электронику, такую ​​как смартфоны и ПК, промышленных роботов, производственное оборудование и автомобили.

О, правда? Аккумуляторы для смартфона! Литий-ионные аккумуляторы
используются в знакомых продуктах, не так ли? Кстати, что такое литий?

Литий — это металл, встречающийся в естественной среде
. Вы помните периодическую таблицу элементов
как мантру?

Все ли литий-ионные аккумуляторы имеют одинаковую производительность?

Литий-ионные аккумуляторы делятся на различные виды в зависимости от размера, формы, материала, используемого для положительных и отрицательных электродов, и так далее.
Промышленная литий-ионная батарея Toshiba SCiB™ использует оксид лития-титана на отрицательном электроде и обеспечивает длительный срок службы, быструю зарядку, высокую входную/выходную мощность, отличную работу при низких температурах и широкий эффективный диапазон SOC.

Все литий-ионные аккумуляторы разные!
Убедитесь, что вы выбрали именно то, что вам нужно.

Как литий-ионные аккумуляторы накапливают энергию?

литий-ионный аккумулятор состоит из 1) анода и катода; 2) разделитель между двумя электродами; и 3) электролит, который заполняет оставшееся пространство батареи. Анод и катод способны накапливать ионы лития. Энергия накапливается и высвобождается, когда ионы лития перемещаются между этими электродами через электролит.

При накоплении энергии (т. е. во время зарядки)

1.  Зарядное устройство подает ток на аккумулятор.
2.  Ионы лития перемещаются от катода к аноду через электролит.
3. Аккумулятор заряжается за счет разности потенциалов между двумя электродами.

При использовании энергии (т.е. при разрядке)

1. Между анодом и катодом образуется разрядный контур.
2. Ионы лития, хранящиеся в аноде, перемещаются к катоду.
3. Энергия используется.

Аккумулятор можно многократно заряжать и разряжать
благодаря движению ионов лития.

Мистер Литиум — большой труженик, постоянно курсирующий туда-сюда!
Ему нужны инновации в рабочем стиле!

Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы от свинцово-кислотных?

Как правило, литий-ионные аккумуляторы легче и заряжаются быстрее, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.
А литий-ионные аккумуляторы более экологичны, так как не содержат веществ с высокой экологической нагрузкой.

Мой свинцово-кислотный аккумулятор тоже удобен…
Кроме того, свинцово-кислотные аккумуляторы дешевле. Я использую их на протяжении десятилетий.

Правильно. Трудно сказать, какой из них лучше. Все зависит от вашего приложения
, окружающей среды, материала и так далее.
Вот почему вам нужно изучить и выбрать правильный аккумулятор для вас.

Подходящая батарея для меня… Как романтично!
Теперь я хочу узнать больше о литий-ионных батареях.

Хорошо! Во 2-м периоде я научу вас
выберите правильный для вас. Следите за обновлениями!

О литий-ионных аккумуляторах

Особенность 　AGV с промышленным литий-ионным аккумулятором Toshiba SCiB™

Особые навыки 　 Работать быстро с быстрой зарядкой

Сообщить всем о преимуществах литий-иона Цель 　батарейки!

AGV: Автоматизированное управляемое транспортное средство, предназначенное для работы в заводских условиях

Особенность 　AGV со свинцово-кислотным аккумулятором

Особый навык 　 Глубокий сон

Цель 　Жить мирно, ценя баланс между работой и личной жизнью!

Учебный план

По вопросам о серии SCiB™ Industrial Pack нажмите здесь.

Что такое литиевая батарея? Простое объяснение

С вероятностью 95 % вы использовали устройство с литиевой батареей до того, как оделись этим утром. Возможно, это было даже больше, чем одно устройство: часы, зубная щетка, ноутбук или планшет и почти наверняка ваш смартфон. Даже в вашем автомобиле могут использоваться литиевые или литий-ионные аккумуляторы. Литиевая технология питает ошеломляющее количество вещей вокруг нас — даже постоянно растущее количество электроинструментов. Он настолько распространен и надежен, что его легко принять как должное. Итак, что такое литиевая батарея и для чего эти батареи используются?

Содержание

• Из чего сделана литиевая батарея?
• Кто изобрел литий-ионный аккумулятор?
• Как электричество течет в литий-ионном элементе
• Перезаряжаемая литиевая батарея меняет процесс
• Для чего используются литиевые батареи?
• Почему литий-ионные батареи превосходят другие технологии
• Типы литиевых батарей
• Что не так с литий-ионными батареями?
• Литий-ионный элемент и аккумуляторный блок
• Сборка аккумуляторной батареи для электроинструмента
• Сборка

Из чего сделана литиевая батарея?

Все батареи создают ток, высвобождая электроны в результате химической реакции. Неудивительно, что батареи получили свои названия от элементов, участвующих в этой реакции. Вы помните использование NiMH (никель-металлогидридных) аккумуляторов? Были ли у вас инструменты с NiCD (никель-кадмиевыми) пакетами? В литий-ионных батареях используется литий, что дает нам определенные преимущества в процессе химической реакции, создающей ток.

Кто изобрел литий-ионный аккумулятор?

Нам нравится воздавать должное, когда это необходимо, и мы не хотим упускать из виду того, кто изобрел литий-ионный аккумулятор. Эта честь делится между тремя мужчинами, каждый из которых внес свой вклад в то, что мы сегодня называем литий-ионным аккумулятором.

Еще до того, как началось производство литиевых батарей, М. Стэнли Уиттингем в 1970-х годах открыл концепцию интеркаляционных электродов. Это проложило путь к тому, как эти батареи заряжались и разряжались. Он создал первую перезаряжаемую литий-ионную батарею на основе катода из дисульфида титана и литий-алюминиевого анода.

Затем Джон Гуденаф продолжил работу в 1980 году, используя оксид лития-кобальта в качестве катода. Это больше напоминало современную литиевую батарею и обеспечивало более безопасную конструкцию.

Наконец, в 1985 году компания Akira Yoshino представила первый современный прототип литий-ионной батареи. В нем использовался углеродистый анод (материал, содержащий большое количество углерода) вместо металлического лития. Это в конечном итоге проложило путь для Sony, чтобы начать массовое производство аккумуляторов для мобильных телефонов в 1991 году.

Фото: https://web.archive.org/web/20160304224245/http:/www.sonyenergy-devices.co.jp/en/keyword/#anchor01

Как электричество течет в литий-ионном элементе

Для элементу батареи для выполнения необходимой химической реакции требуются два электрода, каждый из которых имеет собственный проводящий металл. Иногда мы видим катод с алюминием и анод с медью. Однако наиболее распространенная комбинация состоит из оксида лития-кобальта для катода и графитового анода. Мы обычно находим их в портативных электронных устройствах, таких как смартфоны и ноутбуки.

Теперь предположим, что батарея становится частью замкнутой или замкнутой цепи. Это означает, что вы, например, вставили свой беспроводной ударный шуруповерт и нажали на спусковой крючок.

Немедленно начинает разряжаться. На аноде между литием и электролитом происходит реакция окисления . Электроны прыгают с корабля с атомов лития, чтобы создать ионы лития.

Ключ к потоку электронов – электролит и сепаратор

Для этого вам также понадобится электролит и сепаратор, чтобы разделить анод и катод. Электролит представляет собой сложное решение: в литий-ионных батареях обычно используются растворы на основе эфира. не позволит электронам пройти через микроскопические отверстия в сепараторе. Однако он будет пропускать ионы лития.

Если вы вспомните свой первый урок химии, вы помните, что ион — это атом, который имеет суммарный заряд , положительный или отрицательный, из-за приобретения или потери по крайней мере одного электрона. Электроны будут следовать по пути наименьшего сопротивления через завершенную цепь, питая ваш ударный двигатель в процессе. Однако ионы лития проходят через сепаратор с помощью статического электричества. Они встречаются со своими давно потерянными электронами на катоде и создают восстановление реакция.

Резюме :  В результате химической реакции электроны отрываются от соединения лития, и они движутся по цепи. Это создает энергию для вашего инструмента или устройства. Ионы лития проходят через сепаратор, чтобы воссоединиться на другой стороне.

A Перезаряжаемая литиевая батарея меняет процесс на обратный

Зарядка батареи меняет процесс на обратный. При подаче тока на аккумулятор на катоде происходит реакция окисления. Затем на аноде происходит реакция восстановления. Электроны движутся за пределы клетки к противоположному концу. Электролит снова проводит ионы лития через сепаратор. Наконец, атомы лития снова останавливаются в аноде в виде потенциальной энергии.

Мы называем неперезаряжаемые батареи первичными элементами , а перезаряжаемые элементы вторичными элементами . Перед вторичными элементами катод всегда был положительным электродом, а анод был всегда отрицательным электродом. Однако, как только появились вторичные клетки, полярность могла измениться .

Когда вторичный элемент разряжается, его полярность не отличается от полярности первичного элемента: катод (+), анод (-). Однако после зарядки катод вторичной ячейки становится отрицательным электродом, а анод становится положительным электродом.

Резюме :  Электроны и ионы лития движутся в одном направлении, когда вы используете инструмент или устройство, и в противоположном направлении, когда вы заряжаете аккумулятор. Там, где обычные батареи имеют определенные положительные и отрицательные стороны, перезаряжаемая батарея переключается в зависимости от того, отдает ли она энергию или заряжает ее.

Для чего используются литиевые батареи?

Производители используют литиевые батареи для питания широкого спектра продуктов и различных приложений. К ним относятся:

• Портативная бытовая электроника. Такие продукты, как смартфоны, ноутбуки, планшеты и другие портативные электронные устройства, используют максимально возможную плотность мощности для уменьшения объема, потребляемого этими батареями.
• Электромобили (EV): Автопроизводители почти исключительно используют литий-ионные батареи в электромобилях и производят эти элементы в самых больших количествах, что является движущей силой инноваций. Элементы в этих приложениях требуют длительного срока службы, стабильности и возможности заряжаться как можно быстрее.
• Системы хранения возобновляемой энергии: они накапливают энергию от солнечных батарей и ветряных турбин для использования в периоды пиковой нагрузки. Это также позволяет использовать энергию, когда создание новой энергии невозможно (ночью или когда стихает ветер).
• Портативные медицинские устройства: мы видим много литиевых батарей, используемых в кардиостимуляторах, слуховых аппаратах и ​​других медицинских устройствах, где размер имеет ключевое значение. Аккумуляторы в этих приложениях обычно имеют низкую скорость саморазряда и длительный срок службы.
• Аэрокосмическая промышленность: литий-ионные батареи широко используются в космических кораблях и спутниках благодаря их высокой плотности энергии и надежности.
• Военные и оборонные: Беспилотные летательные аппараты используют литиевые батареи, чтобы работать тише. Мы также видим литиевые батареи в приборах ночного видения и портативном оборудовании связи.

Хотя мы ожидаем, что литиевые батареи будут продолжать совершенствоваться и даже будут заменены новыми материалами и технологиями, они, безусловно, питают широкий спектр продуктов, которые были бы невозможны всего несколько десятилетий назад.

Почему литий-ионные батареи превосходят другие технологии

Литий-ионные батареи побеждают по нескольким причинам. Прежде всего, они имеют более высокую удельную мощность и фунт на фунт и дюйм на дюйм, чем их конкуренты. Посмотрите, как хорошо помещается в кармане мобильный телефон со свинцово-кислотным питанием! И, конечно же, тяжелые батареи действительно контрпродуктивны для гибридных и полностью электрических автомобилей. Но, как и во всем остальном, вам все равно нужен высококачественный оксид лития-кобальта (или аналогичный), чтобы получить наилучшие характеристики.

Во-вторых, литиевые батареи можно многократно перезаряжать с минимальным эффектом памяти. То есть их максимальная энергоемкость не уменьшается со временем, как у NiCd или NiMH аккумуляторов. Они также быстрее заряжаются и могут долго держать заряд, когда не используются.

Типы литиевых батарей

В категорию литий-ионных батарей входят несколько различных химических элементов, включая литий-кобальт-оксид (LCO), литий-марганцевый оксид (LMO), литий-никель-марганцево-кобальтовый оксид (NMC), литий-полимерные батареи. (LiPo) и фосфат лития-железа (LFP или LiFeP04).

NMC является одним из самых популярных химических веществ для литий-ионных аккумуляторов из-за его высокой плотности энергии, длительного срока службы и низкой стоимости. Батареи LFP также популярны из-за их высокой безопасности и длительного срока службы, но они имеют более низкую плотность энергии по сравнению с другими литий-ионными химическими элементами. Аккумуляторы LCO имеют высокую плотность энергии, но находят меньшее применение в электромобилях и системах хранения энергии из-за того, что им трудно справляться с энергоемкими требованиями к зарядке и разрядке.

Примечание редактора: См. нашу статью о батареях LFP и NMC.

Существуют также другие типы литиевых батарей, такие как литий-титанатные батареи (LTO) и литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA), которые вы можете найти, среди прочего, в приложениях для электромобилей.

Что не так с литий-ионными батареями?

Конечно, не было бы настоящей жизни, если бы у литий-ионных аккумуляторов не было недостатков. Литий-ионные аккумуляторы имеют несколько недостатков. Во-первых, они часто полагаются на редкоземельные элементы. Это делает их более дорогими, чем многие другие типы аккумуляторных элементов. Во-вторых, высокие температуры могут их повредить. В-третьих, вы не можете полностью разрядить их, не разрушив элемент или аккумулятор — это требует специальной электроники и контроля. Наконец, как вы, возможно, читали, литий-ионные аккумуляторы при перегреве могут загореться, а они сгорают 9 раз.0202 горячий .

И чем это вызвано? Помните сепаратор — волшебную границу между электродами, которая пропускает ионы, но не пропускает электроны? При повреждении сепаратора возникающее короткое замыкание довольно быстро возбуждает ионы и может произойти небольшой пожар или взрыв. Как поется в песне: ты должен держать их отдельно!

По этой причине многие производители избегают продажи отдельных элементов 18650 или 2170, поскольку отдельные элементы литий-ионных аккумуляторов считаются опасными.

Резюме:  Литий-ионные аккумуляторные элементы обеспечивают больше энергии для своего размера, не имеют памяти аккумулятора, быстрее заряжаются и дольше сохраняют заряд. Компромисс заключается в более высокой стоимости и большем риске возгорания в случае перезарядки или прокола.

Литий-ионный элемент и аккумулятор

До этого момента мы говорили о литий-ионных элементах. В то время как в некоторых литий-ионных аккумуляторных батареях используется только один элемент, в большинстве аккумуляторов для электроинструментов используется несколько элементов. Инженеры подключают аккумуляторные блоки для одновременной зарядки или разрядки всей группы элементов, чтобы обеспечить большую мощность и/или время работы, чем один элемент может обеспечить сам по себе.

Сборка аккумуляторной батареи для электроинструмента

Итак, в двух словах, что такое литий-ионная батарея? Как и любой другой перезаряжаемый аккумулятор. Он просто использует литий, а не никель-кадмий или никель-металлогидрид прошлых дней. Каждая химия отличается, и, по крайней мере, на данный момент литий лидирует, когда речь идет о хранении и доставке энергии.

Когда дело доходит до создания литий-ионного аккумуляторного блока для электроинструмента, производители берут отдельные элементы, которые мы описывали до сих пор, и соединяют их последовательными соединениями группами по 3 (10,8 В/12 В), 5 (18 В /20 В), 6 (21,6 В/24 В) или 10 (36 В/40 В).

Аккумуляторы более высокого напряжения (56В/58В/60В/80В) имеют еще больше. Обычно они предназначены для наружного силового оборудования или гораздо более крупных инструментов. Чем больше ячеек вы соедините последовательно, тем выше будет напряжение.

Примечание редактора: Ознакомьтесь с нашей статьей о батареях 20V Max и 18V, чтобы увидеть, как они представляют ТОЧНО одинаковое напряжение.

Увеличение времени работы или мощности

Когда вы берете группы ячеек, например 2 группы по 5, и используете параллельное соединение, вы увеличиваете ампер-часы. Это эффективно дает вам возможность запускать инструменты дольше или с большей мощностью при том же напряжении. Ознакомьтесь с нашей статьей о напряжении и ампер-часах для получения более подробной информации о том, как эти емкости соотносятся друг с другом.

Беря эти группы ячеек, производители заключают их в футляры. Это помогает рассеивать тепло и защищать элементы от грязных, а иногда и влажных условий на стройплощадке. Иногда добавляют электронные чипы для защиты во время зарядки и использования. Виола! У вас есть аккумуляторная батарея для электроинструмента.

Резюме:  Аккумулятор для электроинструмента состоит из отдельных литий-ионных элементов и объединяет их в блок, который также помогает охлаждать аккумулятор и контролировать его состояние с помощью электронных средств.

Подведение итогов

Все это звучит как небольшая химическая магия в стиле молниеносного Меркурия Уолтера Уайта. Но на самом деле это постоянно происходит вокруг нас.