Литий ионный аккумулятор принцип работы. Литий-ионные аккумуляторы: принцип работы, устройство и характеристики

Как устроены литий-ионные аккумуляторы. Какие компоненты входят в их состав. Как происходит процесс заряда и разряда. Каковы основные характеристики и преимущества литий-ионных батарей. Где они применяются.

Что такое литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор — это перезаряжаемый источник тока, в котором носителями заряда являются ионы лития. Основные компоненты такого аккумулятора:

• Положительный электрод (катод) — обычно оксид лития с металлом
• Отрицательный электрод (анод) — как правило, графит
• Электролит — проводник для ионов лития между электродами
• Сепаратор — разделяет катод и анод, пропуская только ионы

При зарядке ионы лития движутся от катода к аноду через электролит. При разрядке — в обратном направлении. Этот принцип обеспечивает высокую энергоемкость и возможность многократной перезарядки.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Как происходит процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора? Рассмотрим основные этапы:

Процесс заряда:

1. К аккумулятору подключается источник тока
2. На катоде происходит окисление, ионы лития высвобождаются
3. Ионы Li+ через электролит движутся к аноду
4. На аноде ионы внедряются между слоями графита
5. Происходит накопление заряда на электродах

Процесс разряда:

1. К аккумулятору подключается нагрузка
2. На аноде ионы лития покидают графит
3. Через электролит ионы движутся обратно к катоду
4. На катоде ионы лития встраиваются в кристаллическую решетку
5. Во внешней цепи протекает электрический ток

Таким образом, работа литий-ионного аккумулятора основана на обратимом перемещении ионов лития между электродами.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Рассмотрим более подробно основные компоненты, входящие в состав литий-ионного аккумулятора:

Катод

Катод изготавливается из литированных оксидов металлов, наиболее распространены:

• Кобальтат лития (LiCoO2)
• Феррофосфат лития (LiFePO4)
• Никель-марганец-кобальтовый оксид (NMC)

Катод определяет характеристики аккумулятора — емкость, напряжение, токоотдачу.

Анод

В качестве анода обычно используется:

• Графит
• Аморфный углерод
• Титанат лития (в некоторых типах)

Графит имеет слоистую структуру, способную удерживать ионы лития.

Электролит

Электролит обеспечивает перемещение ионов между электродами. Обычно это раствор солей лития в органических растворителях.

Сепаратор

Сепаратор разделяет катод и анод, предотвращая короткое замыкание. Он изготавливается из пористых полимерных материалов.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов

Каковы основные характеристики современных литий-ионных аккумуляторов?

• Удельная энергоемкость: 100-265 Вт·ч/кг
• Рабочее напряжение: 3,2-3,7 В
• Число циклов заряд/разряд: 500-1000
• Саморазряд: 3-5% в месяц
• Диапазон рабочих температур: -20…+60°C

Эти показатели обеспечивают высокую эффективность литий-ионных аккумуляторов по сравнению с другими типами.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Почему литий-ионные аккумуляторы получили такое широкое распространение? Рассмотрим их основные достоинства:

• Высокая удельная энергоемкость
• Длительный срок службы
• Низкий саморазряд
• Отсутствие эффекта памяти
• Быстрый заряд
• Широкий температурный диапазон
• Отсутствие вредных веществ

Благодаря этим преимуществам литий-ионные аккумуляторы вытеснили другие типы во многих сферах применения.

Области применения литий-ионных аккумуляторов

Где сегодня используются литий-ионные аккумуляторы? Основные области применения:

• Мобильные телефоны и планшеты
• Ноутбуки и другая портативная электроника
• Электромобили и гибридные автомобили
• Электровелосипеды и электросамокаты
• Бытовая техника (пылесосы, электроинструменты)
• Системы накопления энергии
• Космическая и военная техника

Сфера применения литий-ионных батарей постоянно расширяется благодаря их высоким характеристикам.

Перспективы развития литий-ионных аккумуляторов

Какие направления совершенствования литий-ионных аккумуляторов являются наиболее перспективными?

• Увеличение удельной энергоемкости
• Повышение безопасности и надежности
• Снижение стоимости производства
• Разработка новых материалов электродов
• Создание твердотельных электролитов
• Улучшение характеристик при низких температурах

Развитие этих направлений позволит расширить сферы применения литий-ионных аккумуляторов и сделать их еще более эффективными.

Заключение

Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в портативных источниках питания. Их высокие характеристики обеспечили широкое применение в различных областях техники. Дальнейшее совершенствование этой технологии открывает новые перспективы для развития электротранспорта, возобновляемой энергетики и других передовых отраслей.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

Сложно представить себе жизнь современного человека без мобильного телефона, планшета, ноутбука, mp3 плеера, колонки и прочих переносных портативных гаджетов. Но вряд ли можно было бы представить себе их работу без качественного источника питания. Одним из наиболее распространенных вариантов для электроснабжения переносных устройств является литий-ионный аккумулятор. Как устроен и чем примечателен такой аккумулятор, мы рассмотрим в этой статье.

Устройство и принцип работы

Литий, как химический элемент давно известен способностью легко отдавать заряд за счет одного электрона расположенного на внешней орбите. Однако в соединениях литий стабилизируется, и его соли плохо вступают в реакцию. В  Li-Ion аккумуляторах задача применения свойств этого химического элемента для питания электрических потребителей решается за счет конструктивных особенностей.

Рис. 1. Устройство литий-ионного аккумулятора

Конструктивно литий-ионный аккумулятор состоит из следующих частей:

• Положительно заряженный электрод – выполняется из алюминиевой фольги. Как правило, он выполняется из трех слоев, первый из которых представляет собой алюминий, а другие два – это порошковые или гелиевые напыления. В состав покрытия включаются проводящие основы и углеродистые структуры.
• Отрицательно заряженный электрод – композитный элемент изготавливаемый на основе медной фольги, которая покрывается наноструктурированными солями лития. Которые представлены соединениями лития с железом или кобальтом, их  наносятся на медную  поверхность посредством проводящего клея.
• Электролит – предназначен для наполнения пространства между анодом и катодом. В ходе эксплуатации литий-ионного аккумулятора электролит пропускает положительные ионы лития, но являются непроходимым препятствием для отрицательно заряженных электронов. Как правило, жидкий электролит выполняется на основе литиевых солей.
• Сепаратор или разделитель – применяется для отделения анода от катода, позволяет избежать необратимой химической реакции в случае внутреннего короткого замыкания пластин или при прорастании дендритов. Чаще всего выполняется из пористого листового полиэтилена, находящегося в слое электролита.

В соответствии с п.3.6 ГОСТ Р МЭК 62660-1-2014 под литий-ионным аккумулятором следует понимать такой аккумулятор, у которого при заряде от катода ионы лития переходят в анод, а в случае разряда через нагрузку перемещаются обратно. На этапе изготовления источника питания система положительного и отрицательного электрода находится в стабильном состоянии.

Рис. 2. Изначально система литий-ионного аккумулятора в стабильном состоянии

Как только к обкладкам будет приложено зарядное напряжение, под его воздействием начнется процесс выделения электронов из атомов лития, с образованием положительно заряженных ионов.

Рис. 3. Под воздействием зарядного напряжения из атомов выделятся электроны

Электроны начнут притягиваться к медному электроду, но не смогут проникнуть через толщу электролита. Поэтому элементарные заряженные частицы начнут перемещаться по замкнутой цепи.

Рис. 4. Электроны по замкнутой цепи перейдут от катода к аноду

В то время как положительно заряженные ионы лития смогут беспрепятственно проникнуть через электролит и перейдут в пористый графитовый слой. Таким образом, происходит накопление заряда в литий-ионном аккумуляторе, процесс продолжается до насыщения катодной зоны.

Рис. 5. Ионы лития переместятся через электролит

В итоге получается такое состояние литий-ионного аккумулятора, при котором отрицательный электрод обладает определенным зарядом, но его состояние крайне нестабильно. Скопившиеся под воздействием постороннего источника питания ионы лития и электроны уравновешивают друг друга.

Рис. 6. Заряженное состояние литий-ионного аккумулятора

Такой баланс заряда в литий-ионном аккумуляторе сохраняется до тех пор, пока к его выводам не подключат какую-либо нагрузку.

При подключении любого электрического прибора для электронов, расположенных в отрицательно заряженном электроде, появиться путь для перемещения в направлении катода.

Рис. 7. При подключении нагрузки электроны переместятся обратно к катоду

Электроны будут перемещаться по внешней электрической цепи, а положительно заряженные ионы лития пройдут сквозь электролит литий-ионного аккумулятора. Направленное движение отрицательно заряженных ионов и создает электрический ток. По мере перемещения заряженных частиц от отрицательного электрода к положительному, аккумулятор будет разряжаться, а для восстановления энергии, его потребуется подзарядить снова.

Характеристики

В эксплуатации литий-ионного аккумулятора опираются на его технические параметры. К основным характеристикам батарей данного типа относят:

• Плотность энергии – измеряется в Вт*ч/кг, для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего, находится в пределах от 90 до 120.
• Удельная мощность – определяет количество энергии в единице веса, составляет порядка 1 – 1,8 кВт/кг.
• Процент саморазряда – определяет количество растрачиваемой аккумулятором энергии за период времени. Для литий-ионных моделей составляет 2 – 3% в месяц. При условии нахождения батареи в комнатной температуре саморазряд составляет только 7% в год.
• Допустимый диапазон температур – для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего составляет от  — 30 до +50°С, но в некоторых моделях  может варьировать в пределах от – 60 до +70°С.
• Число циклов – указывает количественное выражение для возможности разряда и последующего заряда до выхода  литий-ионного аккумулятора со строя. В зависимости от модели и конструктивных особенностей составляет от 2 до 5тысяч циклов. А при 0,5 – 1 тысяче, как правило, теряется порядка 20% начальной емкости.
• Минимальное и максимальное напряжение – для литий-ионных аккумуляторов наименьшая величина составляет в пределах 2,2 – 2,5В, а наибольшая составляет 4,25 – 4,35В.   
• Время заряда – при оптимальном режиме составляет около 2 – 4 часов.

Преимущества и недостатки

В последнее время литий-ионные аккумуляторы заняли свою весомую нишу в сфере независимых источников питания и продолжают вытеснять другие модели. Такой успех объясняется рядом весомых преимуществ:

• Обладают высокой энергетической плотностью, в сравнении с щелочными, кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными. 
• В сравнении с другими видами, один элемент характеризуется куда большей величиной напряжения, которую тот способен выдать.
• Характеризуются довольно большим количеством циклов заряда и разряда, благодаря чему могут похвастаться более длительным сроком эксплуатации.
• Может функционировать в достаточно широком температурном диапазоне.
• В сравнении с другими типами аккумуляторов, не содержит веществ, представляющих  угрозу экологии.

Однако, на ряду с преимуществами, литий-ионные аккумуляторы характеризуются и некоторыми недостатками. Так, в случае несоблюдения основных режимов заряда или эксплуатации  батарея может не только выйти со строя, но и загореться. В случае понижения температуры менее допустимого предела, емкость аккумулятора может снизиться до 20%. При избыточном заряде литий-ионный быстро выходит со строя.

Особенности эксплуатации

В случае неправильной эксплуатации литий-ионные аккумулятор быстро выходят со строя. Как могли заметить некоторые владельцы мобильных телефонов, такая батарея часто вздувается, что мешает нормальному закрытию крышки.

Рис. 8. Вздутие литий-ионной батареи

Подобная ситуация является следствием выделения большого количества газов, которые и раздувают корпус Li-Ion батареи. В то же время, при правильной эксплуатации, источник питания прослужит в 10 раз дольше.

Одним из важнейших правил для литий-ионных источников питания является соблюдение умеренного температурного режима. Не допускается как чрезмерный перегрев, к примеру, оставлять моблиьный телефон на пляже под воздействием прямых солнечных лучей, возле обогревателей или в автомобиле на палящем солнце. В равной степени, как и резкие переохлаждения. В случае выявления чрезмерного нагрева в ходе заряда, необходимо прекратить процедуру и вынуть литий-ионную батарею для охлаждения.

В случае выявления испорченной и уже вздутой батареи, ни в коем случае не следует пытаться ее проколоть или отремонтировать. Лучше замените е на новую в целях собственной безопасности, но внимательно следите за соблюдением основных режимов и правильным зарядом.

Особенности зарядки

От правильного заряда зависит продолжительность работы литий-ионного аккумулятора и величина  емкости, в сравнении с заводскими характеристиками. Так, следует отметить следующие особенности:

• Не стоит допускать полного разряда – хоть это и не однозначное утверждение, но постоянное использование накопленной в аккумуляторе электроэнергии на 100% очень быстро приведет к изнашиванию элементов. Но, здесь существует небольшая оговорка, один раз в три месяца, такую процедуру необходимо выполнять для сохранения верхнего и нижнего предела.
• Литий-ионные аккумуляторы обладают пусть и незначительным, но эффектом памяти. Поэтому заряжать их лучше полностью, так как постоянный недостаток заряда будет снижать емкость.
• Несмотря на наличие защиты от перезаряда практически во всех литий-ионных батареях, не стоит заряжать их более, чем предусмотрено заводом изготовителем.
• Для заряда обязательно используйте оригинальные блоки питания, так как применение нетиповых устройств может отрицательно сказаться на сроке службы литий-ионных аккумуляторов.

Список использованной литературы

• Кедринский И. А., Яковлев В.Г. «Li-ионные аккумуляторы» 2002
• Медведев Б.С., Налбандян В.Б., Гутерман В.Е. «Материалы литий-ионных аккумуляторов» 2007
• Попова C.С., Денисов А.А., Денисова Г.П. «Химические источники тока. Литий — ионные аккумуляторы пленочной конструкции» 2009
• Мельничук О. В. «Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами» 2016

Литиево ионные (li ion) аккумуляторы: устройство, как работает

В 1912 году была создана первая литиево ионная аккумуляторная батарея. «Перезаряжаемая» батарея получалась опасной при эксплуатации. Не получив популярность, литий ионный аккумулятор отложили на «дальнюю полку». Спустя шестьдесят лет, они нашли свое применение в производстве электроники.

Однако ученые заметили, при цикличном применении «разряд-заряд», выделяется горючий газ.

Производители отказались от лития, и стали использовать литиевые ионы. Использование ионов в производстве аккумуляторов, представило пользователям новые типы АКБ.

Содержание

Принцип работы литий ионного аккумулятора

Как работает li ion аккумулятор? Рассматривая состав ионных аккумуляторов, необходимо воспринимать его принцип работы с «электрохимической стороны». Металлы отдают свои электроны, переходя в состояние иона с положительным зарядом. Значит, электроприборы использующие литиево ионные аккумуляторы, во время режима зарядки восстанавливают электроны.

Строение литий ионного аккумулятора

Рассматривая устройство ионно литиевого аккумулятора, хочется выделить:

• графит;
• специальный электролит в литий ионных аккумуляторах;
• оксиды лития.

Графит изготавливается с пористой структурой, и это правильно. Для чего материалу придается такая структура? Между слоями взаимодействие слабое, а внутри слоя атомы активнее. Поэтому устройство графитового слоя обладает порами.

Между оксидом лития и графитом применяется специальный электролит. Он способен пропускать через себя только литиевые ионы. В роли электролита выступают органические соли лития, особым способом нанесенные на перегородки разделителя.

Процесс заряда и разряда литий ионного аккумулятора

Что такое электрический ток? Электрический ток — это движение заряженных частиц — они двигаются, электроприборы работают. Аккумулятор выполняет подобную функцию, только питание идет не от сети, а от материалов, которые применялись при изготовлении. Начав эксплуатировать внешние аккумуляторы, появилась необходимость в понимании — как заряд накапливается и как разряжается батарея.

Нам потребовалось зарядить батарейки li ion . С чего начнем? Нужно подобрать источник питания.

Правильно подключенная АКБ, начинает извлекать электроны из литиевого оксида. Учитывая наличие электролита, они продвигаются по внешней дуге, и оседают на пористом графитовом слое. Во время движения электронов, будет происходить нагрев поверхности, а температура будет повышаться.

Полностью «заряженный» слой графита, говорит о том, что зарядка литиевого АКБ завершена, и емкость батареи восстановлена.

Смартфоны применяемые li ion аккумуляторы, чаще всего подвергаются процессу зарядки — разрядки при эксплуатации. Если с процессом зарядки мы разобрались, то каким способом происходит потеря емкости? Использующие электролит ионы лития, стремятся вернуться в свое начальное состояние. Ионно — литиевое движение происходит через электролит, и поступает к потребителю.

Слой разделителя в литий ионном аккумуляторе

Принцип работы li ion аккумулятора заключается в передаче ионов лития. Происходит взаимодействие анода и катода. Нельзя допускать роста «внутренней температуры» и пересыхания электролита. В противном случае замыкание анода и катода приведет к взрыву или возгоранию.

Эксплуатировать батареи разрешается, если имеется разделительный слой между электродами. Он пропускает ионы лития, и не дает проходить электронам.

Из чего делают литий ионный аккумулятор

Литиевые аккумуляторы имеют слоистое строение:

• графит;
• оксид лития;
• алюминиевая и медная фольга;
• и другие химические материалы.

На медную или алюминиевую фольгу наносят графит (в виде пористого материала), и оксид лития.

Алюминиевый слой покрывает литиевым оксидом, а медный оказывается с графитовым напылением.

Между двумя слоями размещают слой разделителя с электролитом. С его помощью происходит разделение плюса (алюминиевый слой) и минуса (слой медной фольги).

Чтобы достигнуть небольшого размера ионных аккумуляторов, слой заворачиваются в цилиндр. Таким образом, получается «классическая батарейка», которую мы применяем в повседневной жизни.

Литий ионные аккумуляторы в автомобиле tesla

Сейчас каждый может представить автомобили на электродвигателях, а два или три десятка лет назад, это было невообразимо. С применением новых видов емкостных АКБ это стало доступно.

Электрокары дешевле и обладают отличиями от «классических» автомобилей. Их производство дешевле, а материалы, применяемые для производства качественнее. Двигатели, работающие на топливе (внутреннего сгорания) могут выдавать крутящий момент в определенных частотах. В свою очередь — электродвигатель не обладает ограничениями.

Автомобили Илона Маска — Tesla совершили прорыв в автомобилестроении. Они используют для своих болидов способность li ion аккумулятора восстанавливать заряд. Собирая множество АКБ в единый модуль, им удалось создать энергоемкую батарею, которая позволяет проезжать 500-700 км, без подзарядки.

Автомобиль удобен, его работа не производит вредных выбросов в окружающую среду. Внутренний функционал автомобиля порадует любого покупателя.

Вывод

Долгое время ученые пытались найти автономные источники питания, работающие длительный срок.

Такой находкой оказалась батарея, основанная на реакции ионов лития.

Не имеющие аналогов, их принято считать «эталоном» внешних АКБ. Энергоемкость быстро восстанавливается, энергия отдается быстро, производство не дорогостоящее. По заявлениям ученых — «Литий-ионные накопители можно считать «идеальным» сгустком накопленной энергии».

Компания Илона Маска, продолжает изучение данного типа накопителей. Их применяют при строительстве домов, как альтернативный источник питания в совокупности с солнечными батареями. «За электромобилями — будущее. Через десять или пятнадцать лет все пересядут на электрические автомобили» — заявил в последнем выступлении владелец компании Tesla.

Данный тип накопителей идеален для альтернативных видов энергии. Он автономен, долгое время держит заряд, но при необходимости легко выходит на пиковое состояние.

Повсеместное изучение и производство АКБ на основе лития, приводит к снижению ценовой политики.

Применение в различных сферах становится доступнее, а значит, появляется возможность развиваться и менее «богатым» компаниям.

Сейчас нельзя представить смартфоны, компьютеры, мобильные гаджеты с другим типом батарей. Созданные еще в прошлом веке АКБ, дали развитие абсолютно новой ветви в области производства аккумуляторов.

Видео о li ion аккумуляторах

Литий-ионный аккумулятор

: структура, принцип работы и упаковка

Всем привет, я Роуз. Добро пожаловать в новый пост сегодня. Литиевая батарея представляет собой тип батареи с металлическим литием или литиевым сплавом в качестве положительного/отрицательного материала и неводным раствором электролита.

Ⅰ. Что такое литий-ионный аккумулятор?

Литиевые батареи делятся на литиевые батареи и литий-ионные батареи. И в мобильных телефонах, и в ноутбуках используются литий-ионные батареи, широко известные как литиевые батареи. Настоящие литиевые батареи редко используются в бытовой электронике из-за их большой опасности.

Рис. 1

Литий-ионные аккумуляторы — это перезаряжаемые аккумуляторы, в работе которых в основном используются ионы лития, перемещающиеся между положительным и отрицательным электродами. В процессе зарядки и разрядки Li+ внедряется и извлекается туда и обратно между двумя электродами: при зарядке аккумулятора Li+ извлекается из положительного электрода и внедряется в отрицательный электрод через электролит, который находится в состояние, богатое литием; при разрядке все наоборот. Как правило, литийсодержащие материалы используются в качестве электродов для аккумуляторов, которые являются типичными представителями современных высокоэффективных аккумуляторов.

 

Ⅱ. Как работают литий-ионные батареи？

Литий-ионные батареи используют углеродные материалы в качестве отрицательного электрода и литийсодержащие соединения в качестве положительного электрода. Нет металлического лития, только литий-ионный, который представляет собой литий-ионную батарею . Литий-ионные батареи относятся к батареям со встроенными литий-ионными соединениями в качестве катодных материалов. Процесс зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов представляет собой процесс внедрения и извлечения ионов лития. При внедрении и извлечении ионов лития оно сопровождается внедрением и извлечением электронов, эквивалентных ионам лития (обычно положительные электроды представлены встраиванием или извлечением, а отрицательные электроды представлены встраиванием). или удаление). Во время зарядки и разрядки ионы лития встраиваются/считаются и вставляются/отсоединяются туда и обратно между положительным и отрицательным электродами, что ярко называется «аккумуляторами кресла-качалки».

Рис. 2

Когда аккумулятор заряжается, ионы лития генерируются на положительном электроде аккумулятора, а образовавшиеся ионы лития перемещаются к отрицательному электроду через электролит. В качестве анода углерод слоистый. В нем много микропор. Ионы лития, которые достигают отрицательного электрода, внедряются в микропоры углеродного слоя. Чем больше встроенных ионов лития, тем выше зарядная способность. Точно так же, когда батарея разряжается (то есть процесс, в котором мы используем батарею), ионы лития, внедренные в отрицательный углеродный слой, высвобождаются и возвращаются к положительному полюсу. Чем больше ионов лития возвращается к положительному электроду, тем выше разрядная емкость.

Обычно зарядный ток литиевых батарей устанавливается в пределах от 0,2C до 1C. Чем больше ток, тем быстрее зарядка и тем сильнее нагрев аккумулятора. Более того, если ток слишком велик для зарядки, емкости не хватит, потому что электрохимическая реакция внутри аккумулятора требует времени. Точно так же, как наливая пиво, если вы нальете его слишком быстро, это вызовет пузыри и неудовлетворенность.

Для аккумуляторов нормальным использованием является процесс разрядки.

При разрядке литиевой батареи необходимо обратить внимание на несколько моментов:

Во-первых, ток разряда не должен быть слишком большим. Чрезмерный ток вызовет нагрев внутри батареи, что может привести к ее необратимому повреждению. На мобильном телефоне с этим проблем нет. Можешь не считать.

Во-вторых, никогда не перезаряжайте! Литиевые аккумуляторы больше всего боятся переразряда. Если напряжение разряда ниже 2,7 В, аккумулятор может быть утилизирован. К счастью, внутри аккумулятора мобильного телефона установлена ​​схема защиты. Напряжение недостаточно низкое, чтобы повредить батарею, и схема защиты сработает и перестанет разряжаться. Как видно из рисунка, чем больше разрядный ток аккумулятора, тем меньше разрядная емкость и тем быстрее падает напряжение.

 

Ⅲ. Структура литий-ионной батареи

Рис. 3

Положительный электрод: активное вещество, проводящий, растворитель, клей, матрица.

Рис. 4

Когда батарея разряжается, электронный электрод получается из внешней цепи, а электрод в это время уменьшается. Обычно это высокопотенциальный электрод. Кобальтат лития, электроды из манганата лития и т. д. в литий-ионных батареях.

Отрицательный электрод: активные вещества (графит, MCMB, CMS), клеи, растворители, матрица.

Рис. 5

Когда батарея разряжается, электрод передает электроны во внешнюю цепь, при этом на электроде происходит реакция окисления. Обычно низкопотенциальные электроды, графитовые электроды в литий-ионных батареях.

Отчуждение

Фигура. 6

Мембрана представляет собой устройство, помещаемое между полюсами в качестве изолирующего электрода для предотвращения короткого замыкания внутри батареи, вызванного прямым контактом с активными веществами на полюсах. Тем не менее, диафрагма по-прежнему должна пропускать заряженные ионы, чтобы сформировать путь.

Требования к диафрагме:

1. Большой коэффициент пропускания ионов

2. Соответствующая механическая прочность

3. Это  изолятор  

4. Не вступает в реакцию с электролитами и электродами

Материал: однослойный ПЭ (полиэтилен) или трехслойный композитный ПП (полипропилен) + ПЭ+ПП

Толщина: один слой обычно составляет 0,016-0,020 мм и третий слой обычно 0,020-0,025 мм.

Электролит

Фурнитура корпуса (стальной корпус, алюминиевый корпус, накладка, полюсное ухо, изолятор , изоляционная лента)

Сырье для элементов литий-ионных аккумуляторов

Катодный материал

Катодные материалы имеют наибольшую рыночную емкость и высокую добавленную стоимость в литиевых батареях, составляя около 30% стоимости литиевых батарей, а валовая прибыль составляет от 15% до более чем 70%.

В настоящее время катодные материалы, которые применяются в литиевых батареях партиями, в основном включают кобальтат лития, манганат лития, никель лития, манганат кобальт-никеля лития и фосфат лития-железа.

Батареи из никелата лития наименее безопасны (при чрезмерной зарядке легко загореться), имеют самую низкую устойчивость к высоким температурам (высокотемпературное разложение) и являются наиболее сложными для синтеза.

Кобальтат лития был впервые применен в промышленных масштабах. На данный момент технология созрела и широко используется в небольших и маломощных портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и цифровые электронные продукты.

Фосфат лития-железа в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов обладает хорошими электрохимическими свойствами. Платформа для зарядки и разгрузки очень стабильна, а конструкция устойчива во время процесса зарядки и разгрузки. В то же время материал не токсичен, не загрязняет окружающую среду, обладает хорошими показателями безопасности, может использоваться в высокотемпературной среде и имеет широкий спектр сырья. В настоящее время это горячая тема в аккумуляторной промышленности.

Материал отрицательного электрода

Анодные материалы составляют небольшую часть стоимости литиевой электроэнергии, в основном углеродные анодные материалы и неуглеродные анодные материалы.

Материал углеродного анода: в настоящее время широко используется в коммерческих литий-ионных батареях.

Преимущества: безопасность, длительный срок службы, низкая цена, нетоксичность.

Недостатки: Масса ниже энергии.

Неуглеродные анодные материалы: по своему составу они делятся на нитриды литиевых переходных металлов, оксиды переходных металлов и наносплавные материалы.

Преимущества: Обладает высокой объемной плотностью энергии.

Недостатки: плохая циклическая стабильность, большая необратимая способность, высокая стоимость подготовки, еще не промышленно развит.

В будущем целью анодных материалов является улучшение емкости и циклической стабильности. Углеродные материалы комбинируются с различными неуглеродными анодными материалами высокой емкости для разработки неуглеродных композитных анодных материалов большой емкости.

Материал диафрагмы

Материалы диафрагмы, ориентированные на рынок, в основном представляют собой полиолефиновые диафрагмы, в которых преобладают полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). Среди них изделия из полиэтилена в основном производятся мокрым способом, а изделия из полипропилена в основном изготавливаются сухим способом.

Рис. 7

Сравнение характеристик продуктов из ПЭ и продуктов ПП :

1. ПП относительно устойчив к высокой температуре, а ПЭ относительно устойчив к низкой температуре;

2. Плотность ПП меньше, чем у ПЭ;

3. Температура плавления и температура закрытого отверстия полипропилена выше, чем полиэтилена;

4. Изделия из полипропилена более четкие, чем изделия из полиэтилена;

5. ПЭ более чувствителен к воздействию окружающей среды.

Основные материалы диафрагмы: однослойный полипропилен, однослойный полиэтилен, полипропилен + керамическое покрытие, полиэтилен + керамическое покрытие, двухслойный полипропилен/полиэтилен, двухслойный полипропилен/полипропилен и трехслойный полипропилен/полипропилен/полипропилен, и т. д. Среди них первые два типа продуктов в основном используются в области небольших батарей 3C, а последние типы продуктов в основном используются для питания литиевых батарей. Поле.

Среди материалов диафрагмы для силовых литиевых батарей материалы диафрагмы из двухслойного полипропилена/полипропилена в основном производятся китайскими предприятиями и используются в материковом Китае, главным образом потому, что у китайских предприятий нет технологий и возможностей для превращения ПП и ПЭ в двухслойные композитные пленки на данном этапе. Мембрана, используемая литиевыми автомобильными аккумуляторами по всему миру, в основном состоит из трехслойного полипропилена/полиэтилена/полипропилена, двухслойного полипропилена/полиэтилена, керамического покрытия ПП+, керамического покрытия ПЭ+ и других материалов диафрагмы. В то же время появляются и начинают применяться некоторые другие новые материалы для мембран. Однако из-за небольшого количества и высокой цены они в основном используются в области производства литиевых батарей. Эти продукты в основном включают: полиэфирную пленку с покрытием (ПЭТ, полиэтилентерефталат), целлюлозную пленку, полиимидную пленку (PI), полиамидную пленку (PA), спандекс или арамидную пленку и т. д. Эти диафрагмы обладают такими преимуществами, как устойчивость к высоким температурам, низкая выходная температура, длительный цикл зарядки и умеренная механическая прочность. Вообще говоря, продукты из материала диафрагмы литиевых батарей демонстрируют очевидную диверсифицированную тенденцию развития.

Электролит

Электролитные материалы для литий-ионных аккумуляторов обеспечивают высокую безопасность и высокую адаптируемость к окружающей среде. Основные разработки будут сосредоточены на: новых растворителях (расширение диапазона рабочих температур), ионных жидкостях, новых солях лития (улучшение адаптации к окружающей среде), добавках (антипирен, окислительно-восстановительный челнок, защита образования пленки положительного и отрицательного электрода и т. д.) , и новые положительные анодные материалы подобраны для повышения безопасности, мощности и емкости и, в конечном итоге, могут быть безопасно и удобно применены в электромобилях, накопителях энергии, аэрокосмической отрасли и в более широком спектре областей.

Процесс производства литий-ионных аккумуляторов

Рис. 8

 

Ⅳ. Технология упаковки литий-ионных аккумуляторов

Помимо сырья, технология упаковки также оказывает значительное влияние на конечные характеристики литиевых аккумуляторов. Даже если состав материала одинаков, разные процессы обработки могут производить разные готовые изделия с точки зрения безопасности, плотности энергии и срока службы.

В настоящее время упаковочные технологии можно разделить на три категории:

Квадратная батарея представляет собой одиночную квадратную батарею. Зазор в сердечнике этого типа батареи меньше, внутренний материал ближе, батарею нелегко расширить в условиях высокой твердости, а безопасность относительно высока. В то же время в корпусе используется алюминиево-магниевый сплав с меньшей плотностью, меньшим весом и более высокой прочностью для дальнейшего усиления внутренней защиты, но соответствующий производственный процесс не сложен. Но консистенция квадратной батареи плохая, и, поскольку ее можно настроить в соответствии с потребностями производства, на рынке много моделей, процесс не унифицирован.

Согласованность означает, что начальные характеристики каждой группы батарей одинаковы, например емкость, температура и циркуляция. Если производительность одной батареи слишком различна, это серьезно повлияет на срок службы группы батарей.

Несмотря на то, что круглая батарея и квадратная батарея относятся к одному и тому же маршруту упаковки с твердой оболочкой, размер меньше, консистенция элементов хорошая, плотность энергии одного элемента относительно высока, группа более гибкая, производственный процесс является зрелым и стоимость низкая. Недостаток заключается в том, что общая производительность в целом, количество элементов в аккумуляторной батарее велико, вес велик, а цилиндрическая форма не подходит для использования пространства, что приводит к низкой плотности энергии.

Аккумулятор с мягким корпусом обладает лучшими характеристиками из трех вариантов благодаря гибкому размеру, высокой плотности энергии и легкому весу. Но механическая прочность невелика, производственный процесс более сложен, себестоимость продукции высока, показатели затрат общие.

В дополнение к трем зрелым технологиям упаковки в настоящее время существуют новые технологии CTP для литиевых батарей, основанные на двух новых продуктах «blade battery» и «CTP battery», оба из которых представляют собой модернизированную форму квадратных батарей.

Технология Cell To Pack (CTP) позволяет группировать элементы напрямую, минуя промежуточный этап батарейных модулей. С одной стороны, эта технология улучшает коэффициент использования пространства в аккумуляторной батарее и увеличивает мощность; С другой стороны, вес уменьшается, а плотность энергии аккумуляторной батареи резко возрастает.

В настоящее время блейд-аккумулятор, представленный BYD, полностью отказывается от модуля; С другой стороны, батареи CTP девятой эры пошли по пути интеграции небольших модулей в большие.

Эти два пути имеют свои преимущества и недостатки, но оба находятся на ранней стадии коммерциализации, а технология производства и крупномасштабное производство все еще нуждаются в улучшении, поэтому они не могут заменить традиционную технологию в больших масштабах в короткое время.

 

Ⅴ. Основное оборудование для литий-ионный аккумулятор производство

Вакуумный планетарный миксер

Рисунок. 9

Назначение: Равномерно смешать все виды аккумуляторных материалов в пасту.

 

Машина для нанесения покрытий на электроды

Рис. 10

Применение: Перемешанная суспензия равномерно наносится на металлическую фольгу. Толщина покрытия суспензии составляет менее 3 микрон.

 

Валковый пресс

Рис. 11

Назначение: Электрод с покрытием дополнительно уплотняется для повышения плотности энергии батареи.

 

Оборудование для нарезки Polar

Рис. 12

Оборудование для токопроводящей рукоятки ультразвуковой сварки

Рис. 13

Назначение: Намотка изготовленных столбов в батареи

Намоточная машина

Рис. 14

Назначение: Намотать изготовленные столбы на батареи

Бардачок

 

Рис. 15

Цель: Убедитесь, что электролит упакован вместе с сердечником катушки в среде с низкой влажностью.

Машина для впрыска жидкости

 

Рис. 16

Назначение: Обеспечение высокоточной псевдоожижения и вакуумного впрыска электролита в упаковочные материалы аккумуляторов

Превратить в испытательное оборудование

Рис. 17

Назначение: Активировать зарядку исправной батареи, одновременно генерировать напряжение и проверить емкость батареи.

Принцип работы и структура литий-ионной батареи

Перейти к основному содержанию

Процесс зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора Давиде Лаверга

Давиде Лаверга

2-й инженер | OOW Второй инженер CoC Unlimited III/2

Опубликовано 29 марта 2020 г.

+ Подписаться

В настоящее время существуют разные типы аккумуляторов в зависимости от области их применения. На самом деле. Литий-ионные аккумуляторы пользуются наибольшей популярностью. Давайте подробнее рассмотрим внутреннюю структуру литий-ионного элемента 9.0010, чтобы понять, как это работает:

Если мы откроем батарейный блок и разберем его, то увидим внутри него различные слои химических соединений. Ионно-литиевые батареи работают на концепции, связанной с металлами, называемой электрохимическим потенциалом . Электрохимический потенциал – это тенденция металла терять

электронов . Фактически, самая первая ячейка, разработанная Алессандро Вольта более 200 лет назад, была основана на концепции электрохимического потенциала. Литий — это металл, который имеет наибольшую склонность к потере электронов и используется в ионно-литиевых элементах. У него есть только один электрон во внешней оболочке, и он всегда хочет потерять этот электрон. По этой причине чистый литий является высокореактивным металлом и реагирует даже с водой и воздухом. Хитрость работы литиевой батареи заключается в том, что литий в чистом виде является химически активным металлом, но когда он входит в состав оксида металла , довольно стабилен. Если предположить, что каким-то образом нам удастся отделить атом лития от этого оксида, то из-за его неустойчивости он будет образовывать

ион лития и электрон . Если мы сможем обеспечить два разных пути для потока электронов и ионов лития между литием и оксидом металла, атом лития автоматически достигнет части оксида лития. На этом пути мы произвели электричества из потока электронов по одному пути. Следовательно, по существу, мы можем производить электричество из этого оксида металла, если мы сначала отделим атом лития, а затем проведем электрон, отделенный от атома, через внешняя цепь . Давайте посмотрим, как литиевая батарея достигает этих двух целей:

В дополнение к оксиду металла в литиевой батарее также используется электролит и графит . Графит имеет слоистую структуру . Эти слои слабо связаны, чтобы легко удерживать в них ионы лития. Электролит, расположенный между графитом и оксидом металла, действует как защита, пропускающая только ионы лития (электроны не проходят).

Если мы подключим источник питания между двумя металлами, положительная сторона будет притягивать и удалять электроны от атомов лития оксида металла. Эти электроны будут течь по внешней цепи, так как они не могут пройти через электролит и достичь графитового слоя. Тем временем положительно заряженные ионы лития будут притягиваться от отрицательной клеммы и проходить через электролит, достигая графитового пространства. Когда ионы лития достигают листа графита, батарея разряжается до полностью заряжен . Таким образом, мы достигли первой цели; ионы лития и электроны должны быть отделены от оксида металла. Но это нестабильное состояние . предположим, что источник питания отключен, а нагрузка подключена; ионы лития хотят вернуться в свое стабильное состояние как часть оксида металла. Из-за этой тенденции ионы лития перемещаются через электролит, а электроны — через нагрузку

. Вот как мы получаем электрического тока через нагрузку. Мы можем заметить, что графит не играет никакой роли в химической реакции батареи. Это просто средство хранения для ионов. Если температура повысится из-за каких-либо ненормальных условий, жидкий электролит высохнет, что приведет к короткому замыканию между анодом и катодом , что может привести к пожару или взрыву . Чтобы избежать такой ситуации, изолирующий слой, называемый разделителем , помещается между электроды . Сепаратор проницаем для ионов из-за его микропористости. В практической аккумуляторной батарее графит и оксид металла покрыты медной и алюминиевой фольгой . Фольга действует как токосъемников и положительных и отрицательных выводов , прикрепленных к ним. Органическая соль лития действует как электролит и нанесена на разделительный лист . Все эти три листа наматываются на цилиндр вокруг 9Центральный стальной сердечник 0009 делает аккумулятор более компактным.

В этом посте мы объяснили интересный принцип зарядки литиевой батареи и выработки электрического тока. В следующей статье мы сосредоточимся на том, почему за этой технологией будущее и как она может затмить технологию, работающую на бензине.

Инженер-механик,

Давиде Лаверга.

• Примите свои неудачи

  13 авг. 2021 г.

• Тиристор: одно из лучших изобретений в электронике

  17 июня 2020 г.

• Как отходы обрабатываются и перерабатываются на борту круизных лайнеров

  10 июня 2020 г.

  

• 5 советов членам экипажа на карантине

  3 июня 2020 г.

• Технологии, лежащие в основе силовой установки круизного лайнера

  29 мая 2020 г.

• Как работает трехфазный трансформатор

  18 мая 2020 г.

• Системы Common Rail и VVT: технологии, позволившие двигателям, работающим на топливе, стать более бережными к окружающей среде.