Литионная батарея. Литий-ионные аккумуляторы: принцип работы, характеристики и применение

Недавно мы рассказывали об истории изобретения литий-ионных аккумуляторов, которые дали мощнейший толчок развитию портативной электроники. Каждый год технологические СМИ сообщают нам о готовящейся энергетической революции — ещё чуть-чуть, еще год-другой, и мир увидит аккумуляторы с фантастическими характеристиками. Время идет, а революции не видно, в наших телефонах, ноутбуках, квадрокоптерах, электромобилях и смарт-часах по-прежнему установлены разные модификации литий-ионных батарей. Так куда делись все инновационные аккумуляторы и есть ли вообще какая-то альтернатива Li-Ion?

Когда ждать аккумуляторную революцию?

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).

Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.

Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.

Главная проблема «революционных» батарей

Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.

Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?

Неудачные эксперименты

В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.

Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.

Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.

Сравнение размеров литий-металлической и литий-ионной батарей равной емкости. Источник: SolidEnergy Systems

Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.

Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.

Выработка вместо накопления энергии

Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.

В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.

Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.

Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.

Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University

Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.

Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.

Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.

А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion

Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.

Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.

Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.

Новая NMC-батарея электрокара Nissan Leaf по расчетам производителя проживет 22 года. Прошлый LMO-аккумулятор имел меньшую емкость и изнашивался гораздо быстрее. Источник: Nissan

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.

Массив литий-фосфатных ячеек с общей емкостью 145,6 кВт⋅ч. Такие массивы используют для безопасного накопления энергии с солнечных батарей. Источник: Yo-Co-Man / Wikimedia

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.

SCiB-модуль производства Toshiba с емкостью 45 А·ч, номинальным напряжением 27,6 В и током разрядки 160 А (импульсно до 350 А). Весит 15 кг, а размером с коробку для обуви: 19х36х12 см. Источник: Toshiba

Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.

Энергетическая сингулярность

А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.

Долго ли ждать атомных батареек? Пожалуйста, City Labs P200 — 2,4 В, 20 лет службы, правда, мощность до 0,0001 Вт и цена около $8000. Источник: City Labs

С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.

Литиевая батарея — Википедия переиздано // WIKI 2

Литиевые батареи — это первичные батареи с металлическим литием в качестве анода. Эти типы батарей также называют литий-металлическими батареями.

Они отличаются от других батарей своей высокой плотностью заряда (длительным сроком службы) и высокой стоимостью за единицу.В зависимости от конструкции и используемых химических соединений литиевые элементы могут создавать напряжение от 1,5 В (сравнимое с цинк-углеродной или щелочной батареей) до примерно 3,7 В.

Одноразовые первичные литиевые батареи следует отличать от вторичных литий-ионных или литий-полимерных, ^[1] , которые являются перезаряжаемыми батареями. Литий особенно полезен, потому что его ионы могут перемещаться между анодом и катодом, используя интеркалированное соединение лития в качестве материала катода, но без использования металлического лития в качестве материала анода.Чистый литий мгновенно вступит в реакцию с водой или даже с влагой воздуха; литий в ионно-литиевых батареях находится в менее реакционноспособном соединении.

Литиевые батареи широко используются в портативных потребительских электронных устройствах и в электромобилях — от полноразмерных до радиоуправляемых игрушек. Термин «литиевая батарея» относится к семейству различных литий-металлических химикатов, включающих много типов катодов и электролитов, но все с металлическим литием в качестве анода. Аккумулятор требует от 0.От 15 до 0,3 кг лития на кВтч. Как и предполагалось, в этих первичных системах используется заряженный катод, который является электроактивным материалом с кристаллографическими вакансиями, которые постепенно заполняются во время разряда.

Схема литиевого батарейного элемента с MnO ₂ (диоксид марганца) на катоде.

Наиболее распространенный тип литиевых элементов, используемых в потребительских приложениях, использует металлический литий в качестве анода и диоксид марганца в качестве катода с солью лития, растворенной в органическом растворителе.

Энциклопедия YouTube

• 1/5

  Просмотров:

  1 080 256

  29 056

  1 344 464

  4 713

  8 188

• ✪ литиевые батареи упали в воду

• ✪ LightHarvest Solars Литиевая батарея для нашего городского автономного солнечного выставочного зала в Портленде.

• ✪ DIY Tesla Car — литий-ионный аккумулятор 18650 — VW Kombi

• ✪ Испытание литиевой батареи Herewin 12 В, 100 Ач в нашем выставочном зале вне электросети

• ✪ Распаковка Battle Born, 100 Ач, 12 В, литиевая батарея для нашего выставочного зала вне сети в Портленде.

Содержание

История

Химии

Калифорнийский университет в Сан-Диего разработал химию электролитов, которая позволяет литиевым батареям работать при температурах до -60 °.Электролиты также позволяют электрохимическим конденсаторам работать при -80 ° C. Предыдущий предел низких температур составляет -40 ° C. Высокая производительность при комнатной температуре сохраняется. Это может улучшить плотность энергии и безопасность литиевых батарей и электрохимических конденсаторов. ^[28]

приложений

находят применение во многих критически важных устройствах с длительным сроком службы, таких как кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства. В этих устройствах используются специализированные литий-йодные батареи, рассчитанные на 15 и более лет.Но для других, менее важных приложений, таких как игрушки, литиевая батарея может фактически пережить устройство. В таких случаях дорогая литиевая батарея может быть неэффективной.

Литиевые батареи можно использовать вместо обычных щелочных элементов во многих устройствах, таких как часы и камеры. Хотя они являются более дорогостоящими, литиевые элементы будут обеспечивать гораздо более длительный срок службы, тем самым сводя к минимуму замену батареи. Однако следует обратить внимание на более высокое напряжение, развиваемое литиевыми элементами, прежде чем использовать их в качестве замены для устройств, которые обычно используют обычные цинковые элементы.

также полезны в океанографии. Хотя литиевые аккумуляторы значительно дороже стандартных океанографических, они в три раза превышают емкость щелочных аккумуляторов. Высокая стоимость обслуживания удаленных океанографических приборов (обычно на судах) часто оправдывает эту более высокую стоимость.

Размеры и форматы

Маленькие литиевые батареи очень часто используются в небольших портативных электронных устройствах, таких как КПК, часы, видеокамеры, цифровые фотоаппараты, термометры, калькуляторы, BIOS (встроенное программное обеспечение) персонального компьютера, оборудование связи ^[29] и дистанционные автомобильные замки.Они доступны во многих формах и размерах, причем обычным вариантом является марганцевая разновидность типа «монета» 3 В, обычно диаметром 20 мм и толщиной 1,6–4 мм.

Тяжелые электрические требования многих из этих устройств делают литиевые батареи особенно привлекательным вариантом. В частности, литиевые батареи могут легко удовлетворить кратковременные, сильные требования к току таких устройств, как цифровые камеры, и они поддерживают более высокое напряжение в течение более длительного периода, чем щелочные элементы.

Популярность

Литиевые первичные батареи составляют 28% всех продаж первичных батарей в Японии, но только 1% всех продаж батарей в Швейцарии.В ЕС только 0,5% всех продаж аккумуляторов, включая вторичные типы, являются первичными литиевыми. ^{[30] [31] [32] [33] [ сомнительно — обсудить ]}

Вопросы безопасности и регулирование

Стремление компьютерной индустрии к увеличению емкости батареи может проверить пределы чувствительных компонентов, таких как мембранный сепаратор, полиэтиленовая или полипропиленовая пленка толщиной всего 20–25 мкм. Плотность энергии литиевых батарей увеличилась более чем в два раза с момента их введения в 1991 году.Когда аккумулятор сделан так, чтобы содержать больше материала, сепаратор может подвергаться нагрузке.

Проблемы быстрого разряда

могут создавать очень высокие токи и могут очень быстро разряжаться при коротком замыкании. Хотя это полезно в приложениях, где требуются большие токи, слишком быстрый разряд литиевой батареи — особенно если в конструкции элементов присутствует кобальт — может привести к перегреву батареи (что снижает электрическое сопротивление любого содержания кобальта внутри камеры), разрыв и даже взрыв.Литий-тионилхлоридные батареи особенно подвержены этому типу разряда. Потребительские батареи обычно имеют защиту от перегрузки по току или от перегрева или вентиляционные отверстия для предотвращения взрыва как часть системы управления батареями. ^[34]

Авиаперелет

С 1 января 2013 года ИАТА ввела гораздо более строгие правила в отношении перевозки литиевых батарей по воздуху. Они были приняты Международным почтовым союзом; Однако в некоторых странах, e.грамм. Великобритания решила, что они не будут принимать литиевые батареи, если они не включены в оборудование, которое они приводят в действие.

Из-за вышеуказанных рисков доставка и перевозка литиевых батарей в некоторых ситуациях ограничена, особенно перевозка литиевых батарей по воздуху.

Администрация транспортной безопасности США объявила, что с 1 января 2008 года введены ограничения на использование литиевых батарей в ручной клади и ручной клади. Правила запрещают литиевые батареи, не установленные в устройстве, регистрировать багаж и ограничивают их в ручной клади по общему содержанию лития. ^[35]

Австралийская почта запретила перевозку литиевых батарей воздушной почтой в течение 2010 года. ^[36]

Нормативные акты Великобритании по перевозке литиевых батарей были изменены Национальным центром химической чрезвычайной ситуации в 2009 году. ^[37]

В конце 2009 года, по крайней мере, некоторые почтовые администрации ограничивали доставку авиапочтой (включая службу экспресс-почты) литиевых батарей, литий-ионных батарей и продуктов, содержащих их (таких как ноутбуки и мобильные телефоны).Среди этих стран Гонконг, США и Япония. ^{[38] [39] [40]}

Лаборатории метамфетамина

Неиспользованные литиевые батареи обеспечивают удобный источник металлического лития для использования в качестве восстановителя в лабораториях метамфетамина. В некоторых юрисдикциях были приняты законы, ограничивающие продажи литиевых батарей, или компании просили добровольно ограничить попытки создания незаконных метаболитов. Сообщалось, что в 2004 году магазины Wal-Mart ограничили продажу одноразовых литиевых батарей тремя упаковками в Миссури и четырьмя упаковками в других штатах. ^[41]

Проблемы со здоровьем при приеме внутрь

Батарейки на кнопочных элементах привлекательны для маленьких детей и часто проглатываются. За последние 20 лет, хотя в течение года не увеличивалось общее количество батарей на кнопочных элементах, исследователи отметили 6,7-кратное увеличение риска того, что проглатывание приведет к умеренному или серьезному осложнению, и 12,5 увеличение смертности в сравнении с прошлым десятилетием. ^{[42] [43]}

Основным механизмом повреждения при попадании в батарею кнопки является образование ионов гидроксида, которые вызывают сильные химические ожоги на аноде. ^[44] Это электрохимический эффект от неповрежденной батареи, не требующий разрушения корпуса или освобождения содержимого. ^[44] Осложнения включают пищевод

Информация о литиевых батареях — Battery University

Узнайте, почему литий-ионный аккумулятор является превосходной системой батарей.

Новаторская работа литиевой батареи началась в 1912 году при Г.Н. Льюис, но только в начале 1970-х годов первые не перезаряжаемые литиевые батареи стали коммерчески доступными. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в 1980-х годах, но потерпели неудачу из-за нестабильности металлического лития, используемого в качестве материала анода.(Металлическая литиевая батарея использует литий в качестве анода; литий-ионный использует графит в качестве анода и активные материалы в катоде.)

Литий является самым легким из всех металлов, обладает наибольшим электрохимическим потенциалом и обеспечивает наибольшую удельную энергию на вес. Аккумуляторы с металлическим литием на аноде могут обеспечить чрезвычайно высокую плотность энергии; однако в середине 1980-х годов было обнаружено, что езда на велосипеде приводит к появлению на аноде нежелательных дендритов. Эти частицы роста проникают в сепаратор и вызывают короткое замыкание.Температура в камере быстро повышалась и приближалась к точке плавления лития, вызывая тепловое убегание, также известное как «вентиляция пламенем». Большое количество перезаряжаемых металлических литиевых батарей, отправленных в Японию, было отозвано в 1991 году после того, как батарея в мобильном телефоне испускала горючие газы и наносила ожоги лицу человека.

Нестабильность металлического лития, особенно во время зарядки, сместила исследования в неметаллический раствор с использованием ионов лития. В 1991 году Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор, и сегодня эта химия стала самой многообещающей и наиболее быстро растущей батареей на рынке.Несмотря на то, что удельная энергия ниже, чем у литий-металлического, ион Li безопасен при условии соблюдения ограничений по напряжению и току. (См. BU-304a: вопросы безопасности при использовании литий-ионных аккумуляторов.)

Кредит на изобретение литий-кобальт-оксидной батареи должен быть предоставлен Джону Б. Гудену (1922). Говорят, что во время разработки аспирант, работавший в Nippon Telephone & Telegraph (NTT), работал с Goodenough в США. Вскоре после прорыва студент отправился обратно в Японию, взяв с собой находку.Затем в 1991 году Sony объявила о международном патенте на литий-кобальт-оксидный катод. Последовали годы судебных разбирательств, но Sony смогла сохранить патент, а Гуденоф ничего не получил за свои усилия. В знак признания вклада, внесенного в разработки Li-ion, Национальная инженерная академия США в 2014 году наградила Гуденофа и других авторов премией имени Чарльза Старка Дрэйпера. В 2015 году Израиль наградил Гуденафа призом в 1 миллион долларов, который он пожертвует компании Texas Materials Институт помощи в исследованиях материалов.

Ключом к превосходной удельной энергии является высокое напряжение элемента 3,60 В. Усовершенствования в активных материалах и электролитах имеют потенциал для дальнейшего повышения плотности энергии. Характеристики нагрузки хорошие, а плоская кривая разряда обеспечивает эффективное использование накопленной энергии в желаемом и плоском спектре напряжения 3,70-2,80 В / элемент.

В 1994 году стоимость изготовления Li-ion в цилиндрической ячейке 18650 превысила 10 долларов США, а емкость — 1100 мАч. В 2001 году цена упала до уровня ниже 3 долларов, а емкость выросла до 1900 мАч.Сегодня 18650 ячеек с высокой энергоемкостью обеспечивают более 3000 мАч, а затраты снижаются. Снижение затрат, увеличение удельной энергии и отсутствие токсичных материалов проложили путь к тому, чтобы сделать литий-ионную батарею универсально приемлемой батареей для портативных применений, тяжелой промышленности, электрических силовых установок и спутников. 18650 имеет размеры 18 мм в диаметре и 65 мм в длину. (См. BU-301: взгляд на старую и новую упаковку батарей.)

Литий-ионная батарея — это батарея, не требующая особого обслуживания, — преимущество, на которое не может претендовать большинство других химикатов.Аккумуляторная батарея не имеет памяти и не нуждается в упражнениях (преднамеренная полная разрядка), чтобы поддерживать ее в хорошем состоянии. Саморазряд составляет менее половины от систем на основе никеля, и это помогает в применении топливомеров. Номинальное напряжение ячейки 3,60 В может напрямую питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, предлагая упрощения и снижение затрат по сравнению с конструкциями с несколькими ячейками. Недостатками являются необходимость схем защиты для предотвращения злоупотреблений, а также высокая цена.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный использует катод (положительный электрод), анод (отрицательный электрод) и электролит в качестве проводника.(Анод разрядной батареи отрицательный, а катод положительный (см. BU-104b: Строительные блоки батареи). Катод — оксид металла, а анод — пористый углерод. Во время разряда ионы текут от анода к катоду через электролит и сепаратор, заряд меняет направление, и ионы движутся от катода к аноду. Рисунок 1 иллюстрирует процесс.

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных видов, но у всех есть одна общая черта — «литий-ионный» лозунг. Хотя эти батареи поразительно похожи на первый взгляд, они отличаются по своим характеристикам, а выбор активных материалов дает им уникальные качества.(См. BU-205: Типы литий-ионных батарей.)

Оригинальная литий-ионная батарея Sony использовала кокс в качестве анода (угольный продукт). С 1997 года большинство производителей литий-ионных систем, включая Sony, перешли на графит для получения более плоской кривой разряда. Графит — это форма углерода, которая имеет длительную стабильность цикла и используется в свинцовых карандашах. Это наиболее распространенный углеродный материал, за которым следуют твердые и мягкие угли. Углеродные нанотрубки еще не нашли коммерческого использования в литий-ионных, так как они имеют тенденцию запутывать и влиять на производительность.Будущим материалом, который обещает повысить эффективность литий-ионных технологий, является графен.

На рисунке 2 показана кривая разрядки напряжения современного Li-иона с графитовым анодом и ранней версии кокса.