Литий в батарейках: зачем нужен, как добывается и хватит ли его нам? / Блог компании Selectel / Хабр

Содержание

зачем нужен, как добывается и хватит ли его нам? / Блог компании Selectel / Хабр


Так выглядит литийсодержащая руда
Литий — один из критически важных элементов для всей нашей цивилизации. Конечно, когда мы говорим о литии, на ум сразу приходят Li-ion батареи. И действительно, львиная доля добываемого лития уходит на нужды производителей аккумуляторов. Тем не менее, он используется и в других сферах.

Например, в металлургии, как черной, так и цветной, — металл применяется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Также с его помощью производят стекла, которые частично пропускают ультрафиолет, он применяется в керамике. И это если не говорить о ядерной энергетике и атомной технике — его используют для получения трития. Короче, литий в буквальном смысле нарасхват. Под катом — поговорим об аккумуляторах, Tesla, способах добычи лития и его дефиците.

Но главное, конечно, батареи


Да, сейчас большая часть добываемого в мире лития уходит на производство литиевых аккумуляторов. По расчетам, на производство одной батареи для Tesla Model S требуется 63 кг этого металла с 99,5% чистоты.

Теперь давайте подумаем, что будет, если все, абсолютно все автомобили внезапно станут электрическими, с литиевыми батареями. По данным на 2016 год автомобилей в мире было 1,3 млрд. Сейчас, наверное, еще больше, но окей, воспользуемся этими данными четырехлетней давности.


Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на треть. Получается, что на одну такую батарею необходимо 44,1 кг чистейшего лития. Для наших 1,3 млрд автомобилей нужно 57,33 млрд кг лития. Неплохо, это 57,33 млн тонн лития, и только для нужд автомобильной промышленности.

К 2023 году массовое производство электромобилей стартует на предприятиях Mercedes, BMW, Toyota, Ford, Audi, Porsche, Volvo, Huyndai, Honda. По подсчетам экспертов, эти компании будут производить около 15 млн электрокаров ежегодно, на что потребуется около 100 000 тонн лития в год.


Но ведь не электромобилями едиными. У нас же в ходу миллиарды экземпляров разной техники с аккумуляторами — смартфонов, ноутбуков, планшетов и т.п. Они маленькие, да, но и для них понадобится много лития. Правда, гораздо меньше, чем для батарей электромобилей — на производство батарей для мобильных устройств уходит несколько процентов общемирового производства лития. В 2017 году Apple использовала всего 0,58% общемировых объемов добычи этого металла.

Но есть и другие батареи. Та же Tesla разрабатывает и реализует огромные аккумуляторные системы, которые служат для нивелирования скачков потребления энергии в пиковые часы. В крупном аккумуляторе содержится не менее тонны лития. Пока что производство таких систем не слишком масштабное, но через время все может измениться.


В целом, общемировое потребление лития к 2025 году составит не менее 200 000 тонн этого металла.

А как его добывают и хранят?


Литий — очень активный химически металл, поэтому его добыча ведется несколько отличными от добычи большинства прочих, обычных металлов способами.
Есть два способа выделить Li.
Первый — из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. В Австралии, например, его добывают из сподумена, руды лития, минерала, который относится к пироксенам.

Второй — из глин солончаков. Такие есть в Южной Америке и той же Неваде, о которой говорилось выше. Насыщенные литием рассолы можно «обогащать» при помощи испарителя на солнечной энергии. Затем, после достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время — от 18 до 24 месяцев. Именно такой способ планирует использовать Маск.


У второго способа есть проблемы: при получении лития таким способом литий получает примеси — железо или магний (от магния сложнее всего избавиться). Тем не менее, на солончаковых землях много лития, и это делает второй способ очень привлекательным — от примесей все же можно избавиться.

К слову, солончаки как раз не входят в списки разведанных месторождений, поскольку добыча лития выпариванием солевых растворов — новый метод, который ранее не применялся. Так что вполне может быть, что запасов лития на Земле гораздо больше, чем считается.


Очень много лития в солончаковой пустыне Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии. Под твердой коркой находится жидкий рассол с концентрацией лития в 0,3%.
Есть и другие способы, но все они чисто лабораторные. Например, пару лет назад на Хабре публиковалась новость о том, что литий можно добывать из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран.
Они копируют механизм фильтрации — ионную селективность — мембран биологических клеток в живых организмах. Кроме лития, этот способ дает и пресную воду, тоже ценный продукт. Но, к сожалению, ни стоимость, ни возможность масштабирования этого способа не освещены учеными. Да и спустя два года о коммерциализации метода так ничего и не слышно.

Еще литий можно добывать… из литиевых батарей. То есть перерабатывать батареи, получая снова металлический литий и другие необходимые для создания аккумуляторов материалы. Но пока что переработка батарей ведется в малых объемах. Это достаточно сложный и дорогой процесс, так что в ближайшее время вряд ли мы услышим о строительстве крупных заводов по переработке батарей. Да, ученые работают над этим, но все это пока что лишь исследования.

Сколько всего лития на Земле?


Да не так уж и много. Вернее, того, что разведали, относительно немного. В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России — около 900 000 тонн. Если взять потенциально «плодородные» месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.

Два года назад добыто было около 36 000 тонн. При этом 40% металла идет на аккумуляторы, 26% —на производство керамических изделий и стекла, 13% — выпуск смазочных материалов, 7% —металлургию, 4% — системы кондиционирования, 3% — медицина и полимеры.


Основные поставки лития ведутся из Австралии (18,3 тыс. тонн в год), затем Чили (14,1 тыс. тонн в год) и Аргентина (5,5 тыс. тонн в год). В ближайшее время поставщики лития планируют увеличить объемы его добычи и поставки на мировой рынок.

Кстати, компания Tesla, один из крупнейших потребителей лития, получила право на самостоятельную добычу металла в штате Невада, США. Илон Маск заявил, что его компания получила доступ примерно к 10 тыс. акров богатых литием залежей глины в Неваде.

Литий для всех, и пусть никто не уйдет обиженным?


Речь о недалеком будущем, когда понадобится производить гораздо больше литиевых батарей, чем сейчас. Насколько ученые могут судить, на ближайшие несколько лет этого металла хватит всем.

С течением времени компании найдут способ снизить количество лития в батареях — уже сейчас ведутся исследования на эту тему. Скорее всего, добыча лития из рассолов тоже станет наращивать обороты, так что общие объемы металла возрастут, и весьма значительно.

Но что будет через 10-20-30 лет? Сложно сказать. Возможно, «выстрелит» новая технология производства аккумуляторов, предложенная учеными или корпорациями. А может быть, специалисты смогут изменить конструкцию текущих аккумуляторов, значительно сократив количество лития, необходимое для производства одной батареи.

В целом, пока что пути решения проблемы дефицита лития есть, и их немало. Давайте вспомним об этом вопросе лет через 5 и обсудим изменения здесь же, на Хабре. Хотелось бы надеяться, к тому времени не начнутся «литиевые войны», ведь этот металл уже называют «новой нефтью».

Новое поколение батареек: литий-металлические

Ученые вплотную приблизились к разработке более безопасных и долговечных литиево-металлических батарей.


Li-Metal-аккумуляторы, как ожидается, станут основой хранения энергии высокой плотности в будущем.

Исследования Университета штата Аризона подтолкнули учёных к разработке литиево-металлических батарей, которые имеют все шансы заменить литий-ионные и литий-полимерные элементы питания. Это наиболее перспективный кандидат.


Что из себя представляют литий-металлические батареи?

Первые варианты концепции «Li-Metal» оборачивались неконтролируемым ростом литий-дендрита, что приводило к недостаточной подзарядке и опасным химическим процессам.


Дендрит — отросток нейрона на аноде (отрицательный электрод), похожий на игольчатые наросты на поверхности литиевого металла. Они вызывают нежелательные побочные реакции, снижающие плотность энергии и приводящие к замыканию электродов при неправильной установке (такое может окончиться пожаром).

Университет штата Аризона решил эту проблему. Благодаря привлечению трёхмерного слоя Полидиметилсилоксана (ПДМС) или силикона в качестве изоляции литий-металлического анода образование дендритов уменьшилось в разы. В результате учёные смогли увеличить срок службы батареи и уменьшить риски безопасности.

Достижение затрагивает любые металлы в качестве анода — то есть теоретически относится и к литий-ионным и литиево-воздушным аккумуляторам. Исследование уже успешно проводили для батарей, где применяется цинк, натрий или алюминий.



Когда литий-металлические батареи появятся в продаже?

Чтобы довести новый тип аккумуляторов Li-Metal до коммерческого запуска, инженерам предстоит изобрести недорогую и надёжную конструкцию с применением нового изолятора. Изначально литий-металлические элементы питания планируется внедрить в электромобилях в ближайшем будущем. И только затем их сфера применения будет всё больше пересекаться с современными литий-ионными АКБ.

Это не единственная разработка учёных, направленная на исправление ситуации с остановившимся аккумуляторным прогрессом. Протонные батареи не так давно тоже вышли на финишную прямую, приближая то будущее, когда мы станём всё меньше задумываться о подзарядке мобильных гаджетов, электромобилей и портативных потребительских устройств.




Депассивация литий-тионилхлоридных элементов

30.01.2020

Для промышленной электроники требуются современные мощные и энергоемкие элементы питания. Подходящими для этих целей являются литиевые элементы питания. Среди литиевых источников тока наиболее популярными в промышленных устройствах являются элементы на основе электрохимической системы литий-тионилхлорид (Li-SOCl2).

Они характеризуются максимальной удельной плотностью энергии, наиболее высоким напряжением, низким саморазрядом и, соответственно, самым длительным сроком хранения. Эти свойства своим существованием обязаны тончайшей изолирующей пленке хлорида лития, образующейся на поверхности металлического литиевого электрода. Она возникает еще в момент сборки элемента, как только литий вступает в контакт с тионилхлоридом. А возникнув, пленка прерывает взаимодействие реагентов, останавливает реакцию. Это явление называется пассивацией литиевой батареи.

Степень пассивации зависит от времени хранения. Чем дольше лежит батарея на полке, тем более толстая изолирующая пленка успевает вырасти на поверхности лития и тем глубже продвинется процесс пассивации. Эффект пассивации присущ всем без исключения элементам питания литий-тионилхлоридной группы всех типоразмеров. Именно пассивация препятствует саморазряду элемента и делает возможным хранение литиевых источников тока этой формулы в течение 10 лет.

Если номинальное напряжение у литий-тионилхлоридных (Li-SOCl2)элементов при стандартном токе разряда должно быть порядка 3.6В, то из-за изолирующей пленки оно может понизиться до 2.3-2.7В. В этом случае нужно провести ее депассивацию- разрушение на поверхности металла пассивирующего слоя.

В домашних условиях и непромышленных масштабах сделать это очень просто. Нужно взять резистор с постоянным сопротивлением, указанным для каждого типоразмера в технической документации к литий-тионилхлоридному  (Li-SOCl2) элементу, и замкнуть контактами резистора полюса элемента на указанное время, замеряя напряжение элемента мультиметром. Подключение можно реализовать с помощью проводов с наименьшим сопротивлением.

Как только напряжение достигнет или превысит 3.2В, элемент депассивирован. Через 1 час следует проверить напряжение элемента без нагрузки и если оно равно 3. 6В, депассивация прошла успешно и можно использовать элемент для питания устройств.

Также провести депассивацию возможно, при наличии оборудования способного подавать кратковременные разрядные токи на элемент питания. Максимальное допустимое значение тока депассивации равно удвоенному максимально допустимому рабочему току разряда. Оно не должно превышать значение максимального импульсного тока. При увеличении тока депассивации, сокращается время её проведения.

Литиевые батарейки: характеристики, правила зарядки

Литиевые батарейки — самые ходовые и популярные источники питания. Трудно сказать, где их сейчас нет. С одной стороны, это замечательно: Li Ion аккумуляторы имеют высокие показатели емкости и могут служить гораздо дольше других АКБ, но у них тоже имеются свои специфические особенности, которые стоит учитывать как при эксплуатации, так и в процессе зарядки.

Основные показатели и отличия от щелочных АКБ

В общих чертах, главные характеристики Li-Ion элементов питания — это постоянство показателей напряжения, высокий уровень емкости и большой энергетический ресурс, обусловленный спецификой их химического состава. Все литиевые батарейки состоят из катода и анода, их друг от друга отделяют диафрагма и сепаратор. Диафрагма имеет специальную органическую пропитку (ниже представлено фото).

Кроме того, емкость Li Ion батареек не имеет зависимости от нагрузочного тока, и именно это обеспечивает их максимально долгий срок службы — гораздо дольше, чем у щелочных, имеющих те же самые характеристики емкости. Элементы питания отличаются длительными сроками хранения и эксплуатации (в лучшем случае, до 12 лет), устойчивостью к высокой и низкой температуре и возможностью их изготовления в разных формах.

Более дешевыми и не менее популярными среди потребителей являются «предшественники» Li Ion АКБ — обычные щелочные батарейки, получившие название алкалиновых (на основании маркировки импортных моделей). Они и по сей день применяются в игрушках для детей, некоторых моделях плееров, бытовых фонариках. Однако они хуже справляются с более высокими нагрузками, и в фотоаппарате или ноутбуке алкалиновые элементы уже будут неэффективными по причине того, что разражаться они будут очень быстро.

Именно литиевые батарейки способны работать при постоянных и высоких нагрузках: любимые человечеством предметы техники на современном этапе используются почти в непрерывном режиме.

Существует множество примеров того, как литий-ионные аккумуляторы хранились долгое время без интенсивного использования, и качество их работы для пользователей не становилось хуже. Например, старый мобильный телефон с Li Ion АКБ, пролежавший в ящике пару лет, вполне может еще поработать, если батарейку хорошо зарядить. Безусловно, со временем показатели емкости у этих элементов заметно уменьшаются. Но поскольку они имеют очень мощный энергетический ресурс, немудрено, что их характеристики уже давно обогнали популярные щелочные аналоги.

Виды литиевых АКБ

Кроме основного элемента (лития), в этих аккумуляторах могут присутствовать и другие химические вещества.

«Начинка» литий-ионного элемента может содержать:

  • диоксид марганца;
  • оксид меди;
  • серный диоксид;
  • йод;
  • дисульфид железа;
  • полифторуглеродные соединения;
  • тионилхлорид.

Для широкого использования эти электрохимические различия не играют решающей роли. Важно то, что любое из этих соединений способно обеспечить оптимальную работу электрохимического источника питания.

Также литий-ионные АКБ могут иметь разный внешний вид, в зависимости от исполнения и целей их применения. Например, аккумуляторы 18650 имеют привычную корпусную форму в виде металлических «банок». Они широко применяются в шуруповертах и ноутбуках. Есть элементы прямоугольной формы, которые могут быть совсем плоскими (они устанавливаются в современные виды смартфонов и айфонов), а есть и гель-полимерные аккумуляторы, выполненные в форме блестящих пакетов с повышенным уровнем герметизации (их можно увидеть в планшетах и айпадах).

Номинальное напряжение любой литий-ионной батарейки, независимо от ее химического состава, составляет 3,7 вольт.

Немного о литии

Сам литий представляет собой металл, имеющий очень высокую мягкость и пластичность. Именно это в конечном итоге позволило изготавливать тонкие и легкие элементы, столь удобные в эксплуатации и высокие по мощности.

Производить АКБ на основе лития начали еще в 70-х годах ХХ века. Известно, что первые опыты такого производства часто были сопряжены с опасностью — многие батарейки взрывались, часто по причине перегрева или иных казусов, связанных с неправильной эксплуатацией. Со временем специалисты научились изготавливать батарейки, имеющие улучшенные характеристики. Однако обращаться с такими аккумуляторами и по сей день следует очень осторожно.

В сети существует большое количество фото и видео, на которых любители острых ощущений запечатлевали моменты взрыва сотовых телефонов или планшетов. Повторять подобные опыты, конечно же, не рекомендуется.

«Безопасный литий» в облике надежных и емких аккумуляторов получили путем комбинирования лития с твердоорганическими электролитами. К тому же, идея полного отказа от электролита на водной основе позволила получить наиболее емкие и мощные модели. Например, две литиевые батарейки на 3V успешно заменяют четыре или пять алкалиновых, что делает значительно проще эксплуатацию многих приборов в быту. Конечно, высокая химическая активность лития по-прежнему остается потенциальной «гремучей смесью». Особенно в случае беспечного отношения к таким АКБ. Но, в целом, элементы вполне безопасны и по-прежнему очень надежны.

Роль защитной платы

Большую роль в предотвращении перегрева и воспламенения батарейки играет встроенная внутрь каждого элемента защитная плата. Она предотвращает короткие замыкания, переразряд и перезаряд, но главное — возможный перегрев. Безусловно, все литиевые элементы от надежных и проверенных производителей оснащены такой платой, на которой находятся клеммы элемента.

На фото: защитная плата литий-ионного аккумулятора.

Любая плата имеет шестиуровневый контроллер заряда-разряда, который всегда отключит АКБ от нагрузки в том случае, если она полностью разрядилась или, наоборот, если уровень ее заряда достигает показателя в 4,25 вольт.

Самые лучшие АКБ

Иногда спрашивают о том, какие Li Ion АКБ являются самыми современными. В последнее время широко рекламируются элементы Ultimate lithium от Energizer именно как лучшие литиевые батарейки последнего поколения. Они были разработаны для бытовых приборов с высоким уровнем потребления энергии (мощные фонари, фотокамеры, большие говорящие игрушки для детей). Рекламщики утверждают, что Ultimate lithium — это даже не аккумуляторы, а «элементы, которые никогда не нужно будет перезаряжать» — вследствие того, что их мощности хватает больше, чем на 12 лет.

Конечно, такое утверждение — всего лишь рекламный ход, и заряжаются эти АКБ обычным образом. Однако показатели их работы, действительно, очень высоки:

  • способность выдерживать большие температурные перепады;
  • работают при самых низких температурах —  -40-60°С;
  • самые легкие среди других литиевых аналогов;
  • высокая емкость — 3000 А;
  • утверждается, что срок их службы может достигать 15 лет.

На фото — литиевый аккумулятор Ultimate lithium.

Правильная зарядка

Самый верный способ, который максимально продлит и улучшит их работу, — это двухэтапная зарядка литиевых батареек. Только таким образом АКБ заряжается полноценно, и ее емкость используется в полной мере, без снижения потенциала в течение долгого периода времени.

Как заряжать литиевые аккумуляторы на первом этапе? Только постоянным током, который не должен превышать 0,2-0,5 С ( где С — это емкость АКБ). В крайнем случае, можно немного ускорить процесс, увеличив ток максимум до 1,0 С. К примеру, если емкость АКБ составляет 3000 мАч, а начальный ток от 600 до 1500 миллиампер, ускоренный ток должен находиться в пределах 1,5-3 ампер. Конечно, в данном случае должно применяться ЗУ с опцией настройки напряжения. Выражаясь простым языком, на начальном этапе зарядки устройство служит в качестве классического стабилизатора тока.

Важно помнить о том, что все литиевые АКБ оснащены защитной платой. Следовательно, показатель U «на холостом ходу» не должен превышать уровня 7 вольт. Высокое напряжение может погубить плату.

На протяжении процесса зарядки нужно осуществлять постоянный контроль напряжения. При его подъеме до 4,2 вольт следует знать о том, что батарейки восполнили свою емкость примерно на 80 процентов. Теперь нужно перейти к другому этапу зарядки.

Второй (и последний) шаг зарядки должен проводиться с помощью постоянного U, но снижающимся показателем уровня тока. Зарядник поддерживает U в пределах 4,14-4,24 вольт и регулирует ток, который постепенно становится меньше. При снижении показателя тока до 0,05-0,01 С можно считать зарядку завершенной. Остается добавить, что недостающий процент своей емкости, до 100%, аккумуляторы «добирают» в процессе второго этапа.

Если зарядное устройство хорошего качества, в нем непременно должно присутствовать отключение от источника питания после завершения процесса зарядки. Для литиевых элементов недопустим перезаряд, потому что они могут из-за него потерять больший процент своей емкости, восполнить которую будет уже невозможно. Следует вовремя снять аккумуляторы с зарядки и не забыть о них.

Техника безопасности

Как уже было сказано, нельзя допускать перегревания литий-ионных аккумуляторов, например, оставлять гаджеты с ними на солнце или в местах, где возможно воспламенение. Не следует самостоятельно вскрывать такой элемент питания и пытаться их восстанавливать — техника восстановления никель-кадмиевых элементов к ним не должна применяться. Также следует покупать аккумуляторы только у проверенных производителей, чтобы не приобрести «паленые» батарейки, в которых может отсутствовать защитная плата.

Правильная эксплуатация и зарядка обеспечат то, что батарейки будут служить исправно и не потеряют своей емкости в течение долгого времени.

Какие батарейки лучше — алкалиновые или литиевые?

В этой статье будут рассмотрены особенности алкалиновых и литиевых батареек, а также их преимущества и недостатки. Для педантов сразу отмечу, что под обозначением «батарейки» здесь понимаются первичные источники тока щелочного (alkaline) и литиевого типа. В основном они представлены в продаже цилиндрическими моделями форм-фактора AA (или R6) и AAA (или R3), но на самом деле типоразмеров значительно больше. Можно также назвать C (R14), D (R20). Есть не только цилиндрические, но также дисковые (CR) или призматические («Крона» 9 В). Отличия у них не в форме и размерах, а в типе электрохимической системы, которая и определяет их достоинства и недостатки.

 

Содержание статьи

Алкалиновые

Конструкция и состав

Это стандартные батарейки щелочного типа. Алкалиновыми их окрестили за маркировку «Alkaline» (в переводе щелочной) импортного происхождения. Это марганцево─цинковый гальванический элемент питания со щелочным электролитом. В большинстве случаев щелочные батарейки имеют катод из двуокиси марганца (MnO2) с графитосодержащим материалом, а анод из цинковой пасты (Zn). Реже в качестве материала катода применяются оксид серебра (Ag2O) или метагидроксид никеля (NiO(OH)). В качестве электролита применяется гидроксид калия (KOH).

Ниже можно посмотреть конструкцию щелочного источника питания цилиндрического типа.



Во внутренней части цилиндрического элемента находится цинковый порошок, который пропитан щелочным электролитом (анодная масса). Для снятия отрицательного потенциала по центру имеется латунный стержень, который контактирует со стальной тарелкой в нижней части. Ближе к внешней части находится активная масса, представляющая собой смесь диоксида марганца и графита (сажи). От неё положительный потенциал идёт на стальной никелированный стакан. Катод и анод разделяет сепаратор, пропитанный электролитом.

Изоляцию катода обеспечивает оболочка, предотвращающая короткое замыкание. В нижней части можно также увидеть специальную прокладку. Её роль заключается в принятие газов, образующихся в элементе при работе. Если давление превышает допустимый предел, то развивается предохранительная мембрана и батарейка разгерметизируется. В результате из алкалинового источника питания может вытечь электролит.

Вернуться к содержанию
 

Реакции

В алкалиновых источниках питания протекают следующие реакции.

На аноде идет реакция с образованием гидроксида цинка и дальнейшим его разложением на оксид цинка и воду.

Zn + 2OH => Zn(OH)2 + 2e

Zn(OH)2 → ZnO + H2O

На катоде восстанавливается оксида марганца.

2MnO2 + H2O + 2e → Mn2O3 + 2OH

Общий электрохимический процесс в алкалиновой батарейке выглядит следующим образом.

Zn + 2KOH + 2MnO2 + 2e → 2e + ZnO + 2KOH + Mn2O3

Конструкция и материалы щелочной батарейки очень близки к солевым источникам питания. Однако в отличие от солевых батареек, в алкалиновых цинк содержится в порошкообразном виде, а не в форме цинкового стакана.



Срок хранения алкалиновых батареек обычно составляет от 3 до 5 лет. Для увеличения этого срока в современные модели производители добавляют ингибиторы коррозии органического происхождения. Существуют малораспространённые алкалиновые элементы с возможностью перезарядки. Они носят название RAM (Rechargeable Alkaline Manganese), что переводится, как перезаряжаемые щелочные марганцевые. Но это не аккумуляторы и количество зарядок у них не более 25.
Вернуться к содержанию
 

Сферы применения

Ниже перечислены основные сферы применения.

  • Фонари.
  • Мелкая электроника.
  • Переносные магнитофоны.
  • Вспышки для фотоаппаратов.
  • Радиоуправляемые модели.
  • Электронные часы.

Как видите, это устройства, потребляющие относительно высокий ток непродолжительное время, а также те, что требуют небольшое по мощности питание в течение длительного времени. Если подать слишком высокую нагрузку, то может просесть напряжение и потребуется некоторое время на его восстановление.
Вернуться к содержанию
 

Основные параметры

ПараметрЗначение
ЭДС элемента, В1.5
Интервал рабочих температур, Сот -30 до +55
Удельная мощность, кВт/куб. м.от 100 до 150
Удельная энергия, Вт*ч/кгот 65 до 90


Вернуться к содержанию
 

Литиевые

Конструкция

В случае с литиевыми батарейками есть несколько распространённых типов конструкции. Ниже рассмотрены цилиндрические и дисковые источники тока.

Для цилиндрических моделей применяются бобинная и рулонная конструкция.

Бобинная конструкция



По центру бобинной конструкции электрод, загерметизированный с помощью металлостеклянного спая. Второй электрод противоположной полярности сделан в виде цилиндра, а между ними находится сепаратор.

Рулонная конструкция



Рулонная конструкция состоит из лент анода и катода, а также сепаратора между ними. Всё это скручено в рулон и помещено в цилиндрический корпус. В этом случае достигается довольно большая площадь электродов. Благодаря этому увеличивается ток разряда. Кроме того, возрастает саморазряд.

В случае рулонных батареек важно позаботиться о безопасности, поскольку при коротком замыкании (КЗ) ток в них может достигать 20 ампер. Если произойдет КЗ, то из-за сильного разогрева элемент питания может взорваться. Чтобы это предотвратить, конструкции предусматривается плавкий термистор, который еще называют плавким предохранителем. Когда ток превышает определенное значение, термистор разогревается, увеличивается сопротивление материала и ток КЗ снижается.

После устранения короткого замыкания и уменьшения температуры, сопротивление плавкого предохранителя снижается и батарейку можно снова использовать.

Некоторые производители предусматривают дополнительный вид защиты в виде специальной насечки в основании отрицательного вывода элемента. Если давление внутри корпуса превысит определенное значение, то по этой насечке произойдет вскрытие и сброс давления. Так удастся избежать взрыва. После вскрытия литиевая батарейка уже непригодна для использования.

Дисковая конструкция



Дисковые батарейки, как модели бобинной конструкции, обладают меньшей площадью электродов, чем в случае рулона. Однако в них больше взаимодействующих материалов. Благодаря этому они имеют большую доступную ёмкость. Но ток разряда они выдают меньший. Поэтому таблетки и цилиндрические батарейки бобинной конструкции подходят для использования в устройствах с небольшим и средним потреблением тока, которые работают длительное время в автономном режиме. Литиевые элементы питания устанавливаются в тех устройствах, которые недолго работают в автономном режиме, но потребляют высокий ток.
Вернуться к содержанию
 

Состав и протекающие реакции

Существуют две электрохимические системы, на основе которых создаются литиевые батарейки.

  • Литий─диоксидмарганцевые или CR (Li─MnO2).
  • Литий─тионилхлоридные или ER (Li─SOCl2).

Вне зависимости от электрохимической системы элемент питания может быть выполнен в вышеперечисленных форм-факторах.
 
Литий─тионилхлоридные

В этой электрохимической системе катодом является жидкое вещество. В роли анода выступает металлический литий, а катод выполнен из пористой углеродной массы. Электролит представляет собой раствор солей лития (LiGaCl4 или LiAlCl4) в тионилхлориде (SOCl2). Тионилхлорид, помимо функции электролита, выполняет также роль активного материала катода. Химическая реакция, протекающая в этой электрохимической системе, выглядит так.

4Li + 2SOCl2 => 4LiCl↓ + S + SO2

В процессе разряда происходит оседание хлорида лития в порах катода. Когда батарейка близка к полному разряду, начинается оседание серы на катоде. Параллельно происходит растворение оксида серы в электролите.



Вернуться к содержанию
 
Литий─диоксидмарганцевые

Электрохимические системы на базе MnO2 являются более распространенными при создании первичных источников тока литиевой типа. Здесь роль анода также выполняет металлический литий,   активным катодным материалом является термообработанный диоксид марганца ─ MnO2. В системе используются органический электролит, имеющий в своём составе растворенные соли лития LiClO4 или LiCF2SO2. Часто используется диметоксиэтан или пропиленкарбонат. Реакция, происходящая при разряде в этой системе, показана ниже.

xLi + MnIVO2 => LixMnIIIO2

При протекании реакции нет образования каких-то химических элементов, которые бы увеличивали давление в корпусе источника тока. Марганец восстанавливается до трёхвалентного состояния, а также происходит встраивание ионов лития в кристаллическую решётку MnO2.

Система на основе Li─SOCL2 имеет более высокую энергетическую плотность и ёмкость, чем Li─MnO2. Естественно, при одинаковых габаритах и массе. Это обусловлено более высокой активностью тионилхлорида сравнению с диоксидом марганца. Кроме того, номинальное напряжение в первом случае составляет 3,5, а во втором 3 вольта.



Стоит сказать пару слов о таком эффекте, как пассивация у систем Li─SOCl2. Это процесс образования диэлектрической пленки хлорида лития на катоде. Он имеет две стороны медали.

Если после хранения такой батарейки подключить её к устройству, потребляющему большой ток, то произойдет кратковременная просадка напряжения. Впоследствии она выравнивается до нормального значения. Просадка будет тем сильнее, чем дольше на хранении находился источник питания. И тем больший ток будет потребляться нагрузкой. Если же напряжение снизится ниже минимального, то устройство не может просто включиться.

Поэтому после хранения батареек Li─SOCl2 перед подключением к ним нагрузки нужно проводить депассивацию. Причём специалисты советуют учитывать эффект пассивации на стадии проектирования того или иного устройства для его стабильного функционирования. С этой точки зрения процесс пассивации является отрицательным явлением.

В принципе, этот эффект можно преодолеть, если ввести в электролит вещества, способствующие растворению хлорида лития. Но образующаяся пленка имеет и положительный эффект. Он заключается в том, что при хранении предотвращается окисление материала катода. Благодаря этому снижается интенсивность саморазряда. К примеру, у батареек Li─SOCl2,имеющих бобинную конструкцию, составляет всего около 1 процента в год.
Вернуться к содержанию
 

Сферы применения

  • Цифровые фотоаппараты и камеры.
  • Автомобильные пульты дистанционного управления.
  • Часы.
  • Калькуляторы.
  • Материнские платы.
  • Прочая электроника малого и среднего размера.

Вернуться к содержанию
 

Безопасность

При использовании литиевых батареек важное значение приобретает вопрос безопасности. Это касается их применения как в промышленных, так и в бытовых устройствах. Нужно позаботиться о том, чтобы параметры эксплуатации не привели к возгоранию, порче оборудования и травмам персонала. Более безопасными считаются источники тока Li─MnO2. В них при хранение и разряде не возникает никаких элементов, увеличивающих давление в корпусе. В электрохимических системах Li─SOCl2 присутствуют подобные элементы, но критического увеличения давления они не вызывают.


Стоит также понимать, что чем больше ёмкость литиевых источников тока (а значит, больше их размеры и масса), тем больше в них активного материала. А значит, серьёзнее будут последствия в случае возгорания. Чем меньше лития использовано в батарейке, тем она безопаснее. Про средства защиты (клапаны, насечки) уже было сказано выше в разделе про рулонную конструкцию.

Вернуться к содержанию
 

Характеристики

 Li─MnO2Li─SOCl2
Катоддиоксид марганцатионилхлорид
Электролитперхлорат лития в растворителе (пропиленкарбонат, диметоксиэтан)тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде
ЭДС, В3.33.65
Номинальное напряжение, В33.5
Удельная энергия, Вт*ч/кг280500-700


Вернуться к содержанию
 

Что лучше – литиевые или алкалиновые?

В итоге, что лучше литиевые или щелочные батарейки? Как и в других подобных случаях, однозначного ответа на вопрос здесь дать нельзя. Выбор нужно делать в зависимости от устройства, где будет работать батарейка. Можно только обозначить преимущества и недостатки обоих типов.

Алкалиновые

Преимущества

  • Длительный срок хранения и низкий саморазряд.
  • Незначительное падение напряжения по мере разряда.
  • Большая ёмкость по сравнению с солевыми источниками тока.
  • Показывает хорошую работу при отрицательных температурах.
  • Выдерживает значительный ток разряда без просадки напряжения.
  • Отсутствие расхода электролита.
  • Небольшое газовыделение.

Недостатки

  • Низкая энергоёмкость. Отсюда больше размеры и масса.
  • Относительно невысокая цена.

 

Литиевые

Преимущества

  • Высокая энергоёмкость. Это значит, что при одинаковых габаритах с алкалиновыми батарейками они имеют большую ёмкость.
  • Литиевые источники питания имеют большее напряжение и более высокий разрядный ток.
  • Отсутствие газовыделения при разряде или объём выделяющихся газов небольшой.
  • Хорошо держат напряжение при высоких нагрузках.

Недостатки

  • Содержат в своем составе более токсичные материалы, чем у алкалиновых элементов.
  • Требует более аккуратного обращения при эксплуатации. Существует опасность возгорания при коротком замыкании.
  • Срок службы дольше, чем у алкалиновых, но и стоят дороже.

Можно однозначно сказать, что выбор в пользу литиевых батареек следует делать тогда, когда требуется обеспечить питание устройств с высоким потреблением тока. Но при этом придется потратиться больше, чем случае со щелочными источниками тока.
Вернуться к содержанию
 

Опрос

Примите участие в опросе!

 Загрузка ...
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Исправления и дополнения к материалу, а также ваше мнение по поводу различных типов батареек, оставляйте в комментариях ниже. Голосуйте в опросе и оценивайте статью.
Вернуться к содержанию

Как раздобыть литий из батарейки

В этом видео мы будем работать с батарейкой Varta Profeshional, из которой собираемся достать металлический литий. Обычные батарейки не содержат литий, так что они не подойдут. Обязательно будьте в перчатках и не снимайте их до конца процедуры, так как химикаты в батарейках не совсем полезны.

Первая задача – убрать этикетку. Мы проводим этот эксперимент в подвале, так как в ядре содержатся все химикаты. Эта маленькая штучка построена как крепость. Смотрите внимательно, чтобы корпус не прикасался к ядру, так как может произойти короткое замыкание. Теперь плоскогубцами или кусачками вскрываем стальной корпус. Будьте уверены, что придется потрудиться. Используйте кусачки, чтобы сжать и вырвать внутренний колпачок.

Соблюдайте эти меры предосторожности при разборе литиевой батарейки. Работайте в защитных перчатках. 

Вся внешняя оболочка – это негативный заряд, а внутренний колпачок – положительный заряд. Два заряда разделены внутренней подкладкой из пластмассы. Легко случайно спровоцировать короткое замыкание в батарейке, так что будьте осторожны. Если вдруг любая часть батарейки резко нагреется, значит, произошло короткое замыкание, быстро выбросьте батарейку, прежде чем она начнет вентилировать свои электролиты. Ничего не делайте с ней, пока она не остынет.

Теперь мы освободили внутреннее ядро батарейки. Продолжаем убирать стенки корпуса, чтобы добраться до верхней части. Наконец-то, мы убрали весь внешний корпус. Теперь просто вытащите ядро. А вот и оно. Теперь разматывайте его, как ролл. Сначала, внешняя защита. Сейчас разматываем само ядро. Мертвые батарейки и замкнутые будут иметь литий более низкого качества, чем тот, что в новых. Так что лучше избежать и тех, и других.

Эта фольга, покрытая черным дисульфидом железа, служит катодом и так как она нам не нужна, то просто выбрасываем ее. Теперь освобождаем металлический литий. Он сразу начнет вступать в реакцию с воздухом, так что работайте быстро. И вот он у нас – металлический литий. Вы уже можете наблюдать за тем, как литий реагирует на воздух.

Металлический литий из батарейки

Первый тест – просто поджигаем литий. Через несколько секунд вы все увидите. Чтобы поджечь его, нужно воспользоваться зажигалкой с пьезой и любой металлической подложкой. В жизни свет был таким насыщенным, что нельзя было смотреть прямо на него, будто бы смотрели на солнце. Маленький кусочек светился так ярко, что освещал все помещение. Второй тест с литием – бросаем маленький кусочек в воду. Как вы видите, происходит мощная реакция и выделяется газ.

6 типов литий-ионных аккумуляторов, о которых следует знать инвесторам

Существует несколько видов литий-ионных батарей, и не все они одинаковы. Вот шесть типов литий-ионных батарей.

Литий-ионные батареи необходимы для современных технологий, питания мобильных телефонов, ноутбуков, медицинских устройств и даже электромобилей.

Производители обычно используют в этих батареях карбонат или гидроксид лития, а не металлический литий.Хотя литий является ключевым ингредиентом литий-ионных аккумуляторов, они также включают другие металлы, такие как кобальт, графит и никель.

Но какие типы литий-ионных батарей используются для каких приложений? Существует несколько типов литий-ионных батарей, и не все они одинаковы. Ниже мы описали шесть типов литий-ионных аккумуляторов, а также их состав и способы использования. Читайте дальше, чтобы узнать больше об этой захватывающей технологии.

1. Оксид кобальта лития

Литий-кобальтовые батареи, также известные как литий-кобальтатные или литий-ионно-кобальтовые батареи, изготавливаются из карбоната лития и кобальта.Из-за очень высокой удельной энергии эти батареи используются в сотовых телефонах, ноутбуках и электронных камерах. Они имеют катод из оксида кобальта и используют в качестве анодного материала графитовый углерод; во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, при этом поток меняется в обратном направлении, когда батарея заряжается.

Батарея этого типа имеет ряд недостатков, в том числе относительно небольшой срок службы батареи и ограниченную удельную мощность. Кроме того, Battery University отмечает, что эти батареи не так безопасны, как другие типы.Несмотря на это, их характеристики делают их популярным выбором для сотовых телефонов и других портативных электронных устройств.

Литий-марганцевые батареи также обычно называют литиево-марганцевыми или литий-ионно-марганцевыми батареями, а иногда также называют литий-марганцевыми или марганцевыми шпинелями. Технология для этого типа батарей была открыта в 1980-х годах, когда первая публикация по этому вопросу появилась в Бюллетене исследований материалов в 1983 году. Первые коммерческие литий-ионные элементы, изготовленные из оксида лития-марганца в качестве катодного материала, были произведены в 1996 году компанией Moli Energy.

Литий-марганцево-оксидные батареи

отличаются высокой температурной стабильностью, а также более безопасны, чем литий-ионные батареи других типов. По этой причине они часто используются в медицинском оборудовании и устройствах, но их также можно использовать в электроинструментах, электрических велосипедах и т. Д. Также можно использовать литий-оксидные батареи на основе оксида марганца для питания ноутбуков и автомобилей с электроприводом.

В литиево-железо-фосфатных батареях, также известных как литий-фосфатные батареи, в качестве катода используется фосфат.Они обладают свойствами низкого сопротивления, которые повышают их безопасность и термическую стабильность.

Другие преимущества включают долговечность и длительный срок службы - полностью заряженные батареи можно хранить с небольшим изменением общего срока службы батареи. Литий-фосфатные батареи также часто являются наиболее экономичным вариантом, если принять во внимание их длительный срок службы. Однако более низкое напряжение литий-фосфатной батареи означает, что она имеет меньше энергии, чем другие типы литиевых батарей.

Соответственно, эти батареи часто используются в электрических мотоциклах, а также в других приложениях, требующих длительного срока службы и значительной безопасности. Электромобили также часто используют эти батареи.

4. Литий-никель-марганец-кобальт оксид

Литий-никель-марганцево-кобальтооксидные батареи, также известные как литиево-марганцево-кобальтоксидные батареи, изготовлены из нескольких материалов, которые используются в типах литий-ионных батарей. Они включают катод, сделанный из комбинации никеля, марганца и кобальта.

Как и другие разновидности литий-ионных батарей, батареи NMC могут иметь либо высокую удельную плотность энергии, либо высокую удельную мощность. Однако они не могут обладать обоими свойствами. Аккумуляторы этого типа чаще всего используются в электроинструментах и ​​трансмиссиях автомобилей.

Катодная комбинация обычно составляет 60 процентов никеля, 20 процентов марганца и 20 процентов кобальта. Это означает, что стоимость сырья ниже, чем для других вариантов литий-ионных батарей, поскольку кобальт может быть довольно дорогим.Эти батареи могут подешеветь в будущем, так как некоторые производители батарей планируют перейти на более высокий процент никеля в составе своих батарей, чтобы они могли использовать меньше кобальта. Этот тип батареи обычно предпочтителен для электромобилей из-за очень низкой скорости самонагрева.

5. Литий-никель-кобальт-оксид алюминия

Литий-никель-кобальто-алюминиевые оксидные батареи также называются батареями NCA и становятся все более важными в электрических силовых агрегатах и ​​в энергосистемах хранения.

Аккумуляторы

NCA не распространены в легкой промышленности, но перспективны для автомобильной промышленности. Аккумуляторы NCA представляют собой вариант с высоким энергопотреблением и длительным сроком службы, но они не так безопасны, как их можно было бы сравнивать с другими типами литий-ионных аккумуляторов, и довольно дороги. Boston Consulting Group отмечает, что батареи NCA должны сопровождаться в автомобилях мерами безопасности, которые контролируют их работу и поведение, чтобы обеспечить безопасность водителей.

Аргоннская национальная лаборатория провела исследование потенциала батарей NCA и проблем, связанных с ними.Учитывая постоянное использование аккумуляторов NCA в электромобилях, возможно, что спрос на эти батареи будет расти по мере того, как электромобили станут более распространенными.

6. Титанат лития

Наконец, титанат лития, также известный как литий-титанат, представляет собой класс аккумуляторов, который позволяет находить все более широкое применение. Основным преимуществом литий-титанатной батареи является ее удивительно быстрое время перезарядки благодаря передовой нанотехнологии, пишет Battery Space.

В настоящее время производители электромобилей и велосипедов используют литий-титанатные батареи, и есть потенциал для использования этого типа батарей в электрических автобусах для общественного транспорта.Однако эти батареи имеют более низкое собственное напряжение или более низкую плотность энергии, чем другие разновидности литий-ионных батарей, что может создавать проблемы с эффективным питанием транспортных средств. Даже в этом случае плотность литий-титанатных батарей по-прежнему выше, чем у других не литий-ионных батарей, что является плюсом.

Эти батареи могут применяться в военных и космических целях, а также могут использоваться для хранения энергии ветра и солнца и создания интеллектуальных сетей. Кроме того, Battery Space предполагает, что эти батареи также могут использоваться в критически важных системах резервного копирования для энергосистем.

Какой литий-ионный аккумулятор лучше?

Литий-ионные батареи

бывают разных типов и имеют множество применений. Это означает, что некоторые современные литий-ионные батареи лучше подходят для определенных приложений, чем другие. Самое главное - выбрать аккумулятор, наиболее подходящий для поставленной задачи.

Также стоит отметить, что отрасль литий-ионных аккумуляторов постоянно меняется. Компании и ученые по всему миру создают новые батареи, которые будут либо работать вместе с литий-ионными батареями, либо заменять их.По мере разработки этих новых батарей будет важно следить за тем, какие из них выйдут на первый план.

Это обновленная версия статьи, впервые опубликованной Investing News Network в 2014 году.

Не забудьте подписаться на нас @INN_Resource, чтобы получать новости в реальном времени!

Раскрытие информации о ценных бумагах: Я, Присцила Баррера, в настоящее время не владею долей прямых инвестиций ни в одной компании, упомянутой в этой статье.

<< 5 основных фактов о литииЛучшие компании по добыче лития >> Ящик для мощных литиевых батарей

| Saft Batteries

Ящик для литиевых батарей высокой мощности | Батареи Saft | Мы заряжаем мир энергией.

Поиск товаров

Технологии - Все - Никель- Ni-Cd- Ni-h3- Ni-MH- Никель-углеродный конденсатор Другие технологии- Маховик Первичный литий- Li-MnO2- Li-SO2- Li-SOCl2 Перезаряжаемый литий- LCO - LiCoO2- LTO - Li4Ti5O12- NCA - LiNiCoAlO2- NMC - LiNiMnCoO2 - NCM- SLFP - LiFePO4 - SLFP Super LFP - LFESilver- Ag-Zn- AgCl-Mg- AgO-Al

Сектор рынка - Все - Аэрокосмическая промышленность и оборона - Авиация - Оборона - Космические здания и промышленность - Центры обработки данных - Химические вещества для горнодобывающей промышленности - Медицина - Здания больниц - Медицинские устройства - Сети - Интернет вещей - Измерения - Системы безопасности - Телекоммуникации, Транспорт нефти и газа - Промышленные автомобили Железная дорога - Транспортная инфраструктура - Коммунальные услуги - Вне сети - Производство электроэнергии - Возобновляемые источники энергии и микросети - Передача и распределение

Марка - Все --SaftSaft Urja

Сортировать по Новые - самые старые, старые - новые

На основе блока литиевых батарей 28 В (LBB), разработанного для программы ITAS для ракеты TOW армии США, высокомощный LBB представляет собой батарею 28 В, 100 А / час, состоящую из литий-ионных элементов высокой энергии, расположенных в конфигурация 2п8с. Он разработан как портативное решение для хранения энергии, обеспечивающее резервное и экспортируемое питание. Он включает в себя интерфейс «человек-машина», встроенное программное обеспечение для управления и множество функций безопасности, таких как электронная защита и тепловые предохранители, чтобы предотвратить сбой зарядного устройства и защитить его от неблагоприятных условий эксплуатации.

СЕКТОРЫ РЫНКА

Особенности и преимущества

  • Не требует обслуживания
  • Легкий
  • Быстрая подзарядка
  • Вентиляция не требуется
  • Встраиваемый обогреватель
  • Одобрено ООН

Технические характеристики

  • Номинальное напряжение: 28 В
  • Номинальная мощность: 100 Ач
  • Максимальный ток разряда: 100 А
  • Макс. скорость зарядки: 25 А
Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный »Электроника

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы в настоящее время широко используются во многих сферах применения во многих электронных устройствах, а также в электромобилях, электроинструментах и ​​т. Д.


Литий-ионная батарея Включает:
Литий-ионная технология Типы литий-ионных аккумуляторов Литий-полимерный аккумулятор Литий-ионная зарядка Литий-ионные преимущества и недостатки

Включая аккумуляторную технологию: Обзор аккумуляторной технологии Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотный


Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают повышенный уровень емкости в сочетании с надежной работой по сравнению с другими формами элементов и аккумуляторных технологий, включая никель-кадмиевые, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные, NiMH.

Благодаря своим характеристикам литий-ионные или литий-ионные аккумуляторы стали предпочтительной технологией для различных областей применения. Литий-ионные аккумуляторы используются почти исключительно в мобильных телефонах, ноутбуках, электронных книгах и многих других электронных устройствах. В дополнение к этому, литий-ионная технология также используется для приложений питания - от мельчайших электронных гаджетов до мобильных телефонов, ноутбуков и т. Д. До электроинструментов, и есть даже литий-ионные автомобильные аккумуляторы для питания электромобилей.

С ростом зависимости от мобильных и портативных источников энергии использование литий-ионных технологий будет расти еще больше.

Следует отметить, что литий-ионные элементы и батареи перезаряжаемые, и они отличаются от литиевых батарей или элементов, которые являются первичными, а не перезаряжаемыми.

Рост и развитие литий-ионных батарей

Понимание того, как была разработана литий-ионная батарея, дает общее представление о ее работе, а также полезно увидеть, как она развивалась и как она может развиваться в будущем.

На разработку технологии литиевых батарей

ушло много лет. Он предлагает явные преимущества по сравнению с другими более старыми технологиями перезаряжаемых аккумуляторов, такими как никель-кадмиевые и никель-металлогидридные. Несмотря на преимущества иона лития, потребовались годы, чтобы его усовершенствовать и позволить ему достичь уровня зрелости, при котором его можно было бы широко использовать. Теперь он используется во многих областях, и его использование позволило многим технологиям, таким как мобильные телефоны, ноутбуки и другие предметы повседневного использования, двигаться вперед.

Идея технологии литий-ионных аккумуляторов была впервые предложена в 1970-х годах М. Уиттингемом, который использовал сульфид титана в качестве катода и металлический литий в качестве анода.Хотя элемент вырабатывал энергию, она могла быть нестабильной, так как усы лития из анода врастали в электролит и в конечном итоге касались катода.

В Пенсильванском университете были проведены работы по использованию графитового электрода с ионами лития в электроде. Это было большим достижением, хотя другие достижения в области ионно-литиевой технологии не сразу начали его использовать.

Однако, прежде чем можно было создать жизнеспособный элемент, необходимо было решить другие методы, связанные с зарядкой.В 1979 году Дж. Гуденаф продемонстрировал перезаряжаемый ионно-литиевый элемент, в котором в качестве положительного электрода использовался оксид лития-кобальта, а в качестве отрицательного - литий.

Следующими этапами создания работоспособной производственной ячейки была возможность перезарядки литием в графите. Этого добился Рашид Язами в 1979 году. Затем потребовалось время до 1985 года, прежде чем был разработан перезаряжаемый литий-ионный элемент, который можно было производить в больших количествах. Акира Йошино использовал углеродистый материал, в который в качестве одного электрода входили ионы лития, а в качестве другого - оксид лития-кобальта LiCoO2.Использование оксида лития-кобальта было важным, потому что он стабилен на воздухе в отличие от самого лития, и это сделало эту структуру ячейки более стабильной химически и гораздо менее опасной.

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы, основы технологии

Несмотря на то, что существует множество различных форм литий-ионных аккумуляторов, есть несколько общих элементов.

Литий-ионный аккумулятор или элемент любой формы состоит из четырех основных компонентов:

  • Катод: Это положительный электрод, который обычно изготавливается из оксида металла на основе лития той или иной формы.Существует несколько различных технологий литий-ионных аккумуляторов, поэтому точный формат будет меняться от одного типа к другому.

  • Анод: Это отрицательный электрод ионно-литиевой батареи, обычно он сделан из углерода, обычно в форме графита.

  • Электролит: Электролит расположен между двумя электродами внутри ячейки. Часто это смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат, диэтилкарбонат и т. Д.

  • Разделитель: Чтобы два электрода не касались друг друга, между анодом и катодом помещается разделитель. Это поглощает электролит и обеспечивает прохождение ионов, но предотвращает прямой контакт двух электродов внутри литиевой ячейки.

Базовая структура элемента литиево-ионной батареи

В течение всего цикла происходят два процесса, связанных с перемещением ионов лития:

  • Интеркаляция: Процесс, при котором ионы лития в литий-ионной батарее вставляются в электрод, называется интеркаляцией.
  • Деинтеркаляция: Это обратный процесс, который происходит, когда ионы лития извлекаются из электрода, то есть они возвращаются обратно.

Чтобы дать более подробное объяснение, во время разряда литий-ионного элемента, когда он подает ток во внешнюю цепь, на аноде происходит реакция окисления. Это производит ионы лития и свободные электроны, и ионы лития проходят через электролит к катоду - электроны проходят через внешнюю цепь.Затем они рекомбинируют на катоде в противоположность реакции окисления, то есть реакции восстановления.

Таким образом, химическая энергия, хранящаяся в литий-ионном элементе, преобразуется в электрическую энергию, которую можно использовать в электрических и электронных схемах.

Во время цикла зарядки реакции происходят в обратном направлении, когда ионы лития проходят от катода через электролит к аноду. Электроны, поступающие из внешней цепи, затем объединяются с ионами лития, чтобы обеспечить накопленную электрическую энергию.

Следует помнить, что процесс зарядки не совсем эффективен - некоторая энергия теряется в виде тепла, хотя обычно уровень эффективности составляет около 95% или немного меньше.

Управление литий-ионным аккумулятором

Литий-ионные батареи

должны эксплуатироваться в относительно строгих пределах. Им не нравится, когда они чрезмерно заряжены, полностью разряжены, подвергаются коротким замыканиям и т.п.

Литиевые батареи

неизменно сопряжены с системой управления батареями.Он отслеживает уровень заряда, температуру, напряжение и ряд других факторов.

Система управления литиевой батареей управляет зарядкой и разрядкой, отмечая уровень заряда, отсекая аккумулятор от подачи большего количества заряда, когда он почти разряжен (они не любят полностью разряжаться), управляет циклом зарядки и применяет требуемый формат для заряжать во время зарядки, так как обычно используются два или более режима. Он также прекращает заряд, когда батарея или элемент полностью заряжены.Функция управления также обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрева.

Соответственно, система управления батареями является неотъемлемой частью любой системы литий-ионных батарей.

Варианты литий-ионного аккумулятора

Хотя литий-ионные аккумуляторы обычно называют их общим названием, на самом деле существует несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов.

Типичный ионно-литиевый аккумулятор, используемый для питания электроинструмента

Различные типы ионно-литиевых аккумуляторов имеют очень схожие характеристики, но каждый со своими уникальными характеристиками. Соответственно, разные типы используются в разных приложениях.


Обзор технологий литий-ионных батарей
Имя Составляющие Сокращение Основные характеристики Приложения
Литий-кобальт LiCoO2 LCO Высокая производительность Мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты
Литий оксид марганца LiMn2O4 LMO Нижняя вместимость Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий-фосфат железа LiFePO4 LFP Нижняя вместимость Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий, никель, марганец, кобальт, оксид LiNiMnCoO2 NMC Нижняя вместимость Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий Никель Кобальт Оксид алюминия LiNiCoAlO2 NCA Электромобили и сетевое хранилище
Титанат лития Li4Ti5O12 LTO Электромобили и сетевое хранилище

Литий-полимерные батареи

Новая и интересная разработка литиевых батарей - это литий-полимерный вариант. Хотя это не другая технология аккумуляторов, чем те, которые используют другие материалы анода и катода, в ней действительно используется другая форма электролита.

Используя этот другой электролит, батареи могут быть изготовлены в гораздо большем количестве форматов, даже если они гибкие.

В литий-полимерной батарее могут использоваться те же материалы анода и катода, что и в других батареях, дающих аналогичные характеристики, но ее гораздо легче изготавливать в различных формах. Это делает его идеальным вариантом для производителей оборудования, которым требуются особые формы, соответствующие малым форм-факторам их конструкций электронного оборудования.


Форматы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные элементы

могут быть изготовлены в различных формах, и, как и следовало ожидать, принят ряд стандартных форматов. Это позволяет настраивать оборудование для работы с большими партиями элементов и батарей одинакового размера, что снижает затраты.

Литий-ионные элементы и батареи обычно не соответствуют форматам AAA, AA, C и D, используемым для многих первичных элементов, а также для никель-кадмиевых, Ni-Cd или никель-металлогидридных, NiMH элементов.Вместо этого они используют разные форматы.

Очевидно, что для разных приложений существуют разные форматы, но в основном используются одни и те же принципы.

  • Малые цилиндрические элементы: Цилиндрический формат используется во множестве приложений, и часто батареи состоят из серии этих элементов. Типичные размеры 18 × 65 мм, 21 × 50 мм и 26 × 65 мм.

  • Цилиндрический с большой мощностью: Во многих отношениях это большая версия цилиндрического типа меньшего размера, но обычно с большими винтовыми клеммами для обеспечения эффективной передачи тока с низким сопротивлением.

  • Формат пакета: Тип аккумулятора, известный как «пакет», представляет собой плоский пакет из фольги, который можно сравнить с упаковкой жевательной резинки. Этот формат обычно используется для литий-полимерных элементов и аккумуляторов, так как их легко изготовить для определенных форм, что позволяет производителям электронных устройств и оборудования иметь аккумуляторы определенной формы для заполнения доступного пространства.

  • Призматический: Этот формат обычно представляет собой батарею плоской или прямоугольной формы, часто используемую для питания электронных устройств и тому подобного.Типичные размеры - 5 × 34 × 50 мм и 10 × 34 × 50 мм, хотя, как и в других стилях, также доступны размеры, специфичные для поставщика, и другие, которые изготавливаются на заказ.

  • Большой жесткий пластиковый футляр: Эти большие жесткие футляры обычно используются для более крупного электрического оборудования и транспортных средств.

Руководство по использованию литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи или литий-ионные батареи могут быть относительно дорогими. Поэтому стоит следовать простым рекомендациям, которые помогут обеспечить максимальный срок службы.

  • Не разряжать полностью: Литий-ионные аккумуляторы необходимо зарядить до полной разрядки. Это, вероятно, самый важный фактор в общем использовании. Оставление их полностью разряженным значительно сокращает их жизнь. Например, часто рекомендуется заряжать смартфоны (в которых используются литий-ионные аккумуляторы), когда они достигают 10-20% заряда. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы никогда не должны разряжаться ниже минимального уровня 2.От 4 В до 3,0 В на элемент.
  • Уход при неиспользовании: Если литий-ионный аккумулятор не будет использоваться в течение длительного периода времени, в идеале его следует довести до уровня заряда примерно от 40% до 60% от полного заряда. В идеале его следует периодически заряжать, чтобы преодолеть последствия саморазряда (около 2% в месяц).
  • Хранить в прохладном месте: Литий-ионные аккумуляторы следует хранить в прохладном месте. Если держать их в прохладном месте, возможно, в холодильнике, процесс старения замедляется.По этой причине литий-ионные аккумуляторы не следует хранить в автомобилях в солнечные дни, так как температура значительно повышается.
  • Не замораживать: Литий-ионные аккумуляторы не должны подвергаться очень низким температурам - большинство электролитов литий-ионных аккумуляторов замерзают примерно при -40 ° C. Это может помешать им работать в некоторых приложениях, где оборудование требует питания при экстремальных температурах.
  • Покупайте новые аккумуляторы только при необходимости: Литий-ионные аккумуляторы следует покупать только при необходимости, поскольку процесс старения начинается сразу после производства аккумулятора.

Принятие некоторых мер предосторожности при их использовании позволяет продлить срок службы литий-ионной батареи. Несмотря на то, что существует максимальный срок службы, неправильное использование и уход значительно сократят его.

Литий-ионные батареи и элементы

в настоящее время являются одной из доминирующих используемых технологий, которые пришли на смену более старым никель-кадмиевым батареям и никель-металлогидридным батареям NiMH.

Литий-ионные аккумуляторы

используются для питания множества различных устройств, от небольших наушников и наушников до мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков и множества других электронных устройств и предметов.В аккумуляторных электроинструментах широко используются литий-ионные батареи, как и другие электрические устройства. Многие автомобили в настоящее время питаются от батарей, а литий-ионная технология обеспечивает гораздо лучшее соотношение мощности и веса, и, соответственно, они также широко используются в этой области.

В связи с тем, что в технологию литий-ионных аккумуляторов вкладывается огромное количество средств, уровни производительности будут расти, а вместе с этим - и их использование.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». . .

Классификация тройных литиевых батарей - Grepow Blog

Существует много видов анодов материалов для литий-ионных батарей. В зависимости от материала катода их можно разделить на кобальтат лития, манганат лития, тройные материалы, фосфат лития-железа и титанат лития.

Трехкомпонентная литиевая батарея - это литиевая батарея, в которой в качестве анодного материала используются три оксида металлов: никель, кобальт и марганец.Поскольку он сочетает в себе преимущества кобальтата лития, никелата лития и манганата лития, производительность превосходит любой из вышеупомянутых материалов для одиночного анода. Экспериментальный анализ показывает, что три различных валентных элемента образуют структуру сверхрешетки, и между тремя компонентами есть очевидные синергетические эффекты, что делает материал более стабильным, а разрядная платформа достигает 3,6 В, поэтому считается самый многообещающий.

Текущие исследования тройных материалов в основном сосредоточены на получении прекурсоров, синтезе материалов и взаимосвязи между электрохимическими свойствами и структурой. Большинство элементов переходных металлов Ni, Co, Mn существуют в +2, +3, +4. В процессе зарядки и разрядки единственными электрохимическими реакциями являются Ni2 + / Ni4 + и Co3 + / Co4 +. Участие в электрохимической реакции служит только для стабилизации структуры материала.

Обычно используемые в промышленности методы синтеза включают высокотемпературный твердофазный, соосаждение, золь-гель, гидротермальный синтез и сжигание. Изменяя молярное соотношение трех материалов в тройной литиевой батарее в определенном диапазоне и добавляя соответствующие добавки (связующее, проводник, коллектор жидкости и т. Д.), мы можем получить выдающуюся производительность и создать батареи, такие как тройные литиевые батареи со сверхнизкими температурами.

В этой статье мы рассмотрим три тройные литиевые батареи.

Тройная полимерная литиевая батарея Электролиты

Тернарная полимерная литиевая батарея относится к литиевой батарее, в которой используется материал тройного положительного электрода из металлического лития, кобальта, лития, манганата (Li (NiCoMn) O2) и гелевый полимерный электролит. В качестве среды передачи движения ионов электролит обычно состоит из растворителя и соли лития. Электролит литиевой вторичной батареи в основном состоит из жидкого электролита, ионно-жидкого электролита, твердого полимерного электролита и гелевого полимерного электролита.

Гелевый полимерный электролит состоит из полимера, органического растворителя и литиевой соли и получается путем смешивания органического электролита и твердой полимерной матрицы. Поскольку он существует в гелеобразном состоянии, он имеет преимущества как твердого электролита, так и жидкого электролита.Поскольку электролит заключен в полимерной цепи, он имеет высокую ионную проводимость в широком диапазоне температур. Самым большим преимуществом является то, что диафрагма является механически прочной, а пленка имеет большую площадь поверхности. Чем тоньше пленка, тем выше плотность энергии, поскольку в ячейку может быть включено больше активного материала. Кроме того, электролит обладает хорошей электрохимической стабильностью и жаростойкостью; Фактически, большинство высокотемпературных батарей на рынке используют полимерные электролиты.

Трехкомпонентная литиевая батарея

Литиевая батарея с тройной мощностью - это батарея, которая поддерживает высокую скорость, сильноточный разряд, высокую плотность мощности и большее количество энергии, выделяемое в единицу времени. Способность к быстрой разрядке относится к способности поддерживать емкость аккумулятора в случае, когда скорость заряда и разряда увеличивается. Скорость заряда и разряда выражается как C: 1C означает, что номинальная емкость аккумулятора может быть израсходована за 1 час, а разряд при 2C может использоваться в течение 30 минут.

Характеристики мощности / номинальной мощности аккумулятора тесно связаны с конструкцией аккумулятора и зависят от многих факторов, таких как электролит, диафрагма, тип активного материала, размер активных частиц и т. Д.

Среди этих факторов толщина электрода является основным фактором, влияющим на способность иметь большой ток разряда. Способность к быстрому разряду может быть значительно улучшена за счет утончения электрода, поскольку тонкие электроды имеют внутри небольшой электронный импеданс и ионный импеданс. Однако утонение электрода приводит к уменьшению активной массы электрода и, таким образом, к снижению емкости батареи. Таким образом, основная техническая задача тройной литиевой батареи состоит в том, чтобы увеличить способность к разрядке при большом токе без уменьшения емкости.

Тройной низкий - температура литиевая батарея

Температурные характеристики этой батареи являются показателем надежности батареи, а производительность батареи также можно оценить, изменив температуру окружающей среды.

Низкотемпературные характеристики литиевых батарей в основном состоят из характеристик низкотемпературного разряда и срока службы. Низкотемпературные батареи должны поддерживать низкотемпературные условия подвижности материала, чтобы ионы лития могли беспрепятственно проходить между положительным и отрицательным электродами для успешного заряда и разряда.

Например, использование электролита с низкой температурой плавления и уменьшение размера частиц активного материала улучшит низкотемпературные характеристики батареи. Это связано с повышенным каналированием ионов лития, что в некоторой степени компенсирует медленное движение ионов лития при низких температурах.

Трехкомпонентные литиевые батареи сейчас

В настоящее время производители тройных литиевых батарей в стране и за рубежом могут в основном достичь температуры разряда -20 ℃, разрядной емкости более 50% и срока службы около 400 циклов. Обычно они подходят для обычных электроприборов.

Однако в особых приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, военное оборудование или экстремально холодные условия, литиевые батареи должны обеспечивать более низкие рабочие температуры разряда для соответствия жестким условиям.GREPOW собрал большое количество электрохимических экспертов и инженеров в отрасли для успешной разработки низкотемпературного разряда -40 ℃ с разрядной емкостью 67%. Он в основном используется для сверхнизкотемпературных литиевых батарей для военных и специальных приложений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *