Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) | Принцип работы
В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.
li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствахМожно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.
Принцип работы литий-ионного аккумулятора
Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.
состав литий-ионного аккумулятораВ основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.
электрохимический ряд элементов
Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.
Вольтов столб
В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.
первый литий-ионный аккумуляторВ литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».
атом литияИз-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.
оксид литияЭто свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.
Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.
положительный ионОднако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.
Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.
Строение литий-ионного аккумулятора
Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.
строение литий-ионного аккумулятораЭлектролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).
электролит пропускает ионы и не пропускает электроныПроцесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора
Итак, у нас есть разряженный аккумулятор
Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.
процесс зарядки литий-ионного аккумулятораПоскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.
и в конце концов достигают графита
где очень удобно располагаются в слоях графита.
В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.
Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.
Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.
Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.
Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.
генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.
Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.
разряженный литий-ионный аккумуляторПри этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.
Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе
Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.
Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.
разделитель в литий-ионном аккумулятореИз чего делают литий-ионный аккумулятор
В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.
Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.
ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом
Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.
цилиндрический аккумулятор строениеобразуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку
Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla
Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.
Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВСНо есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.
Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.
Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.
батарейный модуль ТеслаЛитий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.
радиатор для аккумуляторов ТеслаЕще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.
равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMSИ в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.
батарея Nissan Leaf и TeslaУ конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.
Защитный SEI-слой
Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.
защитный SEI-слойВот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.
Заключение
Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.
Материал подготовлен по статье
В течение длительного времени кислотный аккумулятор был единственным устройством, способным обеспечивать электрическим током автономные объекты и механизмы. Несмотря на большой максимальный ток и минимальное внутреннее сопротивление, такие батареи имели ряд недостатков, которые ограничивали их применения в устройствах потребляющих большое количество электроэнергии или в закрытых помещениях. В этом плане литий-ионные аккумуляторы лишены многих негативных качеств своих предшественников, хотя и недостатки у них имеются.
Что такое литий ионный аккумулятор
Первые литиевые аккумуляторы появились 50 лет назад. Такие изделия представляли собой обычную батарейку, в которой для повышения уровня отдачи электроэнергии был установлен литиевый анод. Такие изделия имели очень высокие эксплуатационные характеристики, но одним из самых серьёзных недостатков являлась высокая вероятность воспламенения лития при перегреве катода. Учитывая эту особенность, учёные со временем заменили чистый элемент ионами металла, вследствие чего значительно увеличилась безопасность.
Современные li-ion аккумуляторы очень надёжны и способны выдерживать большое количество циклов заряда — разряда. Они имеют минимальный эффект памяти и относительно небольшой вес. Благодаря таким свойствам, литиевая батарея нашла широкое применение во многих устройствах. Изделие может применяться в качестве АКБ, в виде батареек для бытовой техники, а также как высокоэффективный тяговый источник электроэнергии.
На сегодняшний день такие устройства обладают несколькими недостатками:
- высокая стоимостью;
- не любят глубокие разряды;
- могут умереть при низких температурах;
- теряют емкость при перегреве.
В качестве более совершенных аналогов можно найти или аккумуляторы, но они стоят заметно дороже.
Как осуществляется производство li-ion АКБ
Литий-ионные аккумуляторы производятся в несколько этапов:
- Изготовление электродов.
- Объединение электродов в батарею.
- Установка платы защиты.
- Установка батареи в корпус.
- Заливка электролита.
- Тестирование и заряд.
На всех этапах производства должна быть соблюдена технология и меры безопасности, что в итоге позволяет получить качественное изделие.
В качестве катода в литий-ионных батареях используется фольга, с нанесённым на её поверхности содержащий литий веществом.
В зависимости от назначения АКБ могут быть использованы следующие соединения лития:
- LiCoO2;
- ;
- LiNiO2;
- LiMn2О4.
При изготовлении цилиндрических источников электроэнергии типоразмера AA и AAA основной электрод скручивается в рулон, который отделяется от анода сепаратором. При большой площади катода, плёнка которого имеет минимальную толщину, удаётся добиться высокой энергоёмкости изделия.
Принцип работы и устройство li-ion аккумулятора
Литий ионный аккумулятор работает следующим образом:
- При подаче на контакты батареи постоянного электрического тока катионы лития перемещаются в материал анода.
- В процессе разрядки ионы лития покидают анод и проникают в диэлектрик на глубину до 50 нм.
В «жизни» литий-ионного аккумулятора таких циклов может быть до 3 000 при этом батарея может отдать практически весь электрический ток накопленный в процессе зарядки. Глубокий разряд не приводит к окислению пластин, что выгодно выделяет такие изделия по сравнению с кислотными АКБ.
Не все li-ion АКБ хорошо переносят глубокие разряды. Если подобная батарея установлена в телефоне или фотоаппарате (типа AAA), то при глубоком разряде контроллерная плата в целях безопасности блокирует возможность заряда батареи, поэтому без специального зарядного устройства зарядить ее не получится. Если это тяговая литиевая батарея для лодочного мотора, то ей глубокий разряд будет совсем не страшен.
В отличие от пальчиковых аккумуляторов сложные батареи состоят из нескольких отдельных источников электроэнергии соединённых параллельно или последовательно. Способ соединения зависит от того, какой показатель электричества необходимо увеличить.
Типоразмеры и виды li-ion батарей
Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение. Такие источники электрического тока используются в различных бытовых устройствах, гаджетах и даже автомобилях. Кроме этого, изготавливаются промышленные литий ионные аккумуляторы, имеющие большую ёмкость и высокое напряжение. Наиболее востребованными являются следующие типы литиевых аккумуляторов:
| Название | Диаметр, мм | Длинна, мм | Емкость, мАч |
|---|---|---|---|
| 10180 | 10 | 18 | 90 |
| 10280 | 10 | 28 | 180 |
| 10440 (AAA) | 10 | 44 | 250 |
| 14250 (AA/2) | 14 | 25 | 250 |
| 14500 | 14 | 50 | 700 |
| 15270 (CR2) | 15 | 27 | 750-850 |
| 16340 (CR123A) | 17 | 34.5 | 750-1500 |
| 17500 (A) | 17 | 50 | 1100 |
| 17670 | 17 | 67 | 1800 |
| 18500 | 18 | 50 | 1400 |
| 18650 (168A) | 18 | 65 | 2200-3400 |
| 22650 | 22 | 65 | 2500-4000 |
| 25500 (тип C) | 25 | 50 | 2500-5000 |
| 26650 | 26 | 50 | 2300-5000 |
| 32600 (тип D) | 34 | 61 | 3000-6000 |
Первые две цифры таких обозначений указывают на диаметр изделия, вторая пара – на длину. Последний «0» ставится, если батарейки имеют цилиндрическую форму.
Кроме аккумуляторов цилиндрической формы промышленностью выпускаются батареи типа «» напряжением 9v и мощные промышленные АКБ с напряжением 12v, 24v, 36v и 48v.
Батарея для штабелераВ зависимости от элементов, которые добавляется в изделие, на корпусе батареи может быть следующая маркировка:
- ICR – содержащие кобальт;
- IMR — — — — марганец;
- INR — — — — никель и марганец;
- NCR — — — — никель и кобальт.
Литиевые батареи отличаются не только размером и химическими добавками, но прежде всего по ёмкости и напряжению. Эти два параметра и определяют возможность их использования в тех или иных видах электрических приборов.
Где применяются li-ion АКБ
Литий-ионные батареи не имеют альтернативы там, где необходим аккумулятор способный отдавать электричество практически в полном объёме, и совершать большое количество циклов заряд/разряд без снижения ёмкости. Преимуществом таких устройств является относительно малый вес, ведь использовать свинцовые решётки в таких устройствах нет никакой необходимости.
Учитывая высокие эксплуатационные характеристики, такие изделия могут использоваться:
- В качестве стартерных батарей. Литиевые аккумуляторы для автомобилей с каждым годом дешевеют, благодаря новым разработкам, которые позволяют снизить издержки производства. К сожалению цена таких батарей может быть очень высокой, поэтому многим владельцам машин такой аккумулятор оказывается не по карману. К недостаткам литий-ионных батарей можно отнести существенное падение мощности при температуре ниже минус 20 градусов, поэтому в северных районах эксплуатация таких изделий будет непрактичной.
- В качестве тяговых устройств. Благодаря тому, что литий-ионные аккумуляторы легко переносят глубокий разряд их нередко используют как тяговые для лодочных электромоторов. Если мощности двигателя не слишком велика, то одного заряда хватает на 5 – 6 часов непрерывной работы, что вполне достаточно для рыбалки или совершения водной прогулки. Тяговый литий-ионный аккумуляторы устанавливают и на различную погрузочную технику (электроштабелеры, электропогрузчики), работающую в закрытых помещениях.
- В бытовой технике. Литий-ионные аккумуляторы применяются в различных бытовых устройствах вместо стандартных батареек. У таких изделий напряжение 3,6v — 3,7v, но существуют модели, которые способны заменить обычную солевую или щелочную батарейку на 1,5 Вольта. Также можно встретить батареи напряжением 3v (15270, ), которые можно установить вместо 2 стандартных батареек.
Используются такие изделия в основном в мощных приборах, в которых обычные солевые батарейки очень быстро разряжаются.
Тяговой АКБПравила эксплуатации li ion аккумуляторов
На срок службы литиевого аккумулятора влияют многие факторы, знание которых позволит существенно увеличить ресурс. При использовании этого вида батарей необходимо:
- Стараться не допускать полного разряда батареи. Несмотря на высокую устойчивость батареи к такому воздействию, желательно не выжимать из него все «соки». Особенно следует соблюдать осторожность при эксплуатации таких батарей с ИБП и электрическими двигателями высокой мощности. Если полный разряд батареи произошёл необходимо её незамедлительно оживить, то есть подключить к специальному зарядному устройству. Раскачать аккумулятор можно и после длительного пребывания в состоянии глубокого разряда, для чего необходимо произвести качественную зарядку в течение 12 часов, затем разрядить батарею.
- Не допускать перезаряда. Перезаряд негативно влияет на характеристики изделия. Встроенный контроллёр не всегда способен вовремя отключить батарею, особенно в том случае, когда зарядка осуществляется в холодном помещении.
Кроме перезаряда и чрезмерного разряда батарею следует оберегать от чрезмерных механических воздействий, которые могут вызвать разгерметизацию корпуса и возгоранию внутренних компонентов аккумулятора. По этой причине существует запрет пересылки почтой батарей, в которых содержание чистого лития превышает 1 г.
Применяется в качестве АКБ для шуруповертов, ноутбуков и телефоновКак хранить литий ионные аккумуляторы
Если возникает необходимость в длительном хранении литий-ионных аккумуляторов, то для минимизации негативного воздействия на изделия, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:
- Хранить изделие только в сухом, прохладном помещении.
- Аккумулятор обязательно извлекается из электрического прибора.
- Батарею необходимо зарядить перед консервацией. Минимальное напряжение, при котором не будут образовываться внутренние коррозионные процессы равно 2,5 Вольт на 1 элемент.
Учитывая малый саморазряд таких батарей, хранить таким образом аккумулятор можно в течение нескольких лет, но в течение этого срока всё равно неминуемо произойдёт уменьшение ёмкости элемента.
Утилизация литий ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы содержат опасные для здоровья вещества, поэтому ни в коем случае не следует их разбирать в домашних условиях. После того как батарея выработает свой ресурс её необходимо сдать для дальнейшей переработки. В специализированных приёмных пунктах можно получить денежную компенсацию за старый литиевый аккумулятор, ведь такие изделия содержат дорогостоящие элементы, которые могут быть использованы повторно.
Автор Aluarius На чтение 8 мин. Просмотров 473 Опубликовано
Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания
Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.
Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.
Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.
Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».
СПРАВКА: Разработчик коммерческой версии аккумулятора Акиро Ёсино, а также Уиттенгем и Гуденаф в 2019 году получили Нобелевскую премию в области химии за равноценный вклад в создание литиево ионных аккумуляторов.
Принцип действия
Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.
Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.
Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.
ВНИМАНИЕ: даже находясь в режиме ожидания, аккумуляторы теряют часть заряда. При этом они обладают такой характеристикой как старение – постепенно приходящая неспособность удерживать первоначальное количество заряда.
Устройство li-ion аккумулятора
В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.
В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.
Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.
По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.
Характеристики литиевых аккумуляторов
ИНТЕРЕСНО: собственные удельные характеристики обеспечили описываемым батареям лидирующие позиции среди всех выпускаемых химических источников тока.
Рабочее напряжение
Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.
Ёмкость
На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.
СПРАВКА: 14500 аккумулятор, размеры которого сопоставимы с пальчиковой батарейкой (АА), также популярен среди пользователей и обладает номинальной ёмкостью 900 микроампер-час.
В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.
Рабочая температура
Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.
ВНИМАНИЕ: если температура упадёт до +4°С объём вырабатываемой батареей энергии уменьшится на 5-7% в соответствии с максимальным значением. Более низкие значения приведут к потери 40-50% ёмкости и преждевременному исчерпанию ресурса.
Саморазряд
Данная характеристика варьируется от 6% до 10% в год.
Количество циклов заряд-разряд
Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.
| Процент оставшегося заряда, % | Количество циклов зарядки |
| 500 | |
| 50 | 1500 |
| 75 | 2500 |
| 90 | 4700 |
Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.
Разновидности аккумуляторов
Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:
- Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
- Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
- Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
- Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
- Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
- Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.
Особенности хранения и утилизации
Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:
- Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
- Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
- Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.
После окончания срока годности использованный аккумулятор нужно сдать на переработку или утилизацию, причём этими вопросами занимаются специализированные службы, занимающиеся приёмом батарей.
Обычно процедура переработки включает в себя несколько этапов:
- Разбор корпуса.
- Избавление от электролита путём слива.
- Очищение электродов.
- Переработка корпуса и переплавление металлов.
ВАЖНО: литиевые батареи нельзя выбрасывать, как обычный мусор! Для их утилизации необходимо обращаться в специальные пункты сдачи.
Существует несколько способов для определения мест сбора использованных источников тока:
- Проект RecycleMap от «Гринпис», позволяющий после выбора и объекта утилизации города найти пункты приёма.
- Городской сайт администрации. На случай, если регион тщательно следит за подобным процессом.
- Сайты с объявлениями. Частные организации и подрядчики выкладывают в интернет информацию о сборе батарей.
- Магазины бытовой техники или крупные гипермаркеты. В последнее время в подобных местах стали появляться специальные контейнеры, куда можно выбросить неработающие батарейки.
Отличие аккумуляторов Li-ion от Ni-Cd аккумуляторов
Ёмкость литий-ионных источников тока значительно выше, чем тот же показатель у никель-кадмиевых аккумуляторов, вследствие чего требуется много меньшая по весу и габаритам батарея, чтобы обеспечить одно и то же время работы.
Также в процессе хранения ввиду низкой скорости саморазряда li-ion аккумуляторы разряжаются меньше, чем другие типы, и они более терпимы к постоянной зарядке, даже если заряд батареи не обнулён.
В плане экологичности рассматриваемые батарейки меньше вредят окружающей среде, чем никель-кадмиевые, как при изготовлении, так и в использовании материалов.
Однако по отношению к Ni-Cd аккумуляторами в литий-ионных используют более дорогостоящие технологии.
Не допускайте полного разряда. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов. Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100.
Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:
Разряжайте раз в 3 месяца. Полный заряд на протяжении длительного времени также же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до нуля.
Из-за крайне нестабильного процесса заряда (мы часто заряжаем телефон как придется, и где получится, от USB, от розетки, от внешнего аккумулятора и тд.) специалисты рекомендуют раз в 3 месяца полностью разряжать аккумулятор и после этот заряжать до 100% и подержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает сбросить так называемый верхний и нижний флаги заряда аккумулятора. Более подробно об этом можно прочитать здесь.
Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.
В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.
Используйте оригинальное зарядное устройство. Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые гаджеты, например цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи.
Не допускайте перегрева. Ну а злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура – перегрева они напрочь не переносят. Поэтому не допускайте попадания на мобильные устройства прямых солнечных лучей, а также не оставляйте их в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов: от –40°C до +50°C
Также, вы можете посмотреть Часто Задаваемые Вопросы по аккумуляторам на нашем сайте.
Перед тем как перейти к чтению, посчитайте, сколько устройств с аккумуляторами находится рядом с вами в радиусе нескольких метров. Наверняка, вы увидите смартфон, планшет, «умные» часы, фитнес-трекер, ноутбук, беспроводную мышь? Во всех этих устройствах установлены литий-ионные аккумуляторы — их изобретение можно считать одним из самых важных событий в области энергетики.
Легкие, ёмкие и компактные литий-ионные аккумуляторы способствовали буму портативной электроники, существование которой ранее было невозможным. Вот только гаджеты за последние 30 лет совершили фантастический технологический скачок, а современные литий-ионные аккумуляторы почти не отличаются от первых серийных образцов начала 1990-х годов. Кто и как изобрел литий-ионные перезаряжаемые батареи, какие составы в них используются и существует ли мировой заговор против «вечных» аккумуляторов? Рассказываем.
Легенда о первой батарейке
Между первой попыткой добыть электричество химическим способом и созданием литий-ионных аккумуляторов прошло, возможно, два тысячелетия. Существует неподтверждённая догадка, что первым рукотворным гальваническим элементом в истории человечества была «багдадская батарейка», найденная в 1936 году близ Багдада археологом Вильгельмом Кёнигом. Находка, датируемая II-IV веком до н. э., представляет собой глиняный сосуд, в котором находятся медный цилиндр и железный стержень, пространство между которыми могло заполняться «электролитом» — кислотой или щелочью. Современная реконструкция находки показала, что при заполнении сосуда лимонным соком можно добиться напряжения до 0,4 вольт.
«Багдадская батарейка» вполне похожа на портативный аккумулятор. Или чехол для папирусов? Источник: Ironie / Wikimedia
Для чего могла использоваться «багдадская батарейка», если до открытия электричества оставалась пара тысяч лет? Возможно, ее использовали для аккуратного нанесения золота на статуэтки методом гальванизации — тока и напряжения с «батарейки» для этого вполне хватает. Впрочем, это только теория, ибо никаких свидетельств об использовании электричества и этой самой «батарейки» древними народами до нас не дошло: позолоту в то время наносили методом амальгамирования, а сам необычный сосуд с тем же успехом мог быть всего лишь защищенным контейнером для свитков.
Теория небольшого взрыва
Русская поговорка «Не было бы счастья, да несчастье помогло» как нельзя лучше иллюстрирует ход работ над литий-ионными батареями. Без одного неожиданного и неприятного происшествия создание новых аккумуляторов могло бы задержаться на несколько лет.
Еще в 1970-х годах британец Стэнли Уиттингэм (Stanley Whittingham), работавший в топливно-энергетической компании Exxon, при создании перезаряжаемой литиевой батареи использовал анод из сульфида титана и литиевый катод. Первая перезаряжаемая литиевая батарея демонстрировала сносные показатели по току и напряжению, только периодически взрывалась и травила окружающих газом: дисульфид титана при контакте с воздухом выделял сероводород, дышать которым как минимум неприятно, как максимум — опасно. Помимо этого, титан во все времена был очень дорогим, а в 1970-е цена дисульфида титана составляла порядка $1000 за килограмм (эквивалент $5000 в наше время). Не говоря уже о том, что металлический литий на воздухе горит. Так что Exxon свернули проект Уиттингэма от греха подальше.
В 1978 году Коити Мидзусима (Koichi Mizushima), защитивший докторскую по физике, занимался исследовательской работой в Токийском университете, когда из Оксфорда ему пришло приглашение присоединиться к группе Джона Гуденафа (John Goodenough), занимавшейся поиском новых материалов для батарейных анодов. Это был очень многообещающий проект, так как потенциал литиевых источников питания уже был известен, но укротить капризный металл толком никак не удавалось — недавние эксперименты Уиттингэма показывали, что до начала серийного производства желанных литий-ионных батарей еще далеко.
В экспериментальных аккумуляторах использовались литиевый катод и сульфидный анод. Превосходство сульфидов над другими материалами в анодах задало Мидзусиме и его коллегам направление для поисков. Ученые заказали в свою лабораторию печь для производства сульфидов прямо на месте, чтобы быстрее экспериментировать с различными соединениями. Работа с печью закончилась не очень хорошо: в один день она взорвалась и вызвала пожар. Инцидент заставил команду исследователей пересмотреть свои планы: возможно, сульфиды, несмотря на их эффективность, были не лучшим выбором. Ученые сместили свое внимание в сторону оксидов, синтезировать которые было гораздо безопасней.
После множества тестов с различными металлами, в том числе железом и марганцем, Мидзусима обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует наилучшие результаты. Вот только использовать его надо не так, как до этого предполагала команда Гуденафа, — искать не материал, поглощающий ионы лития, а материал, который охотнее всего отдает ионы лития. Кобальт подходил лучше прочих ещё и потому, что отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.
Применение кобальта стало важнейшим, но не последним шагом в деле создания литий-ионных аккумуляторов. Справившись с одной проблемой, ученые столкнулись с другой: плотность тока оказалась слишком мала, чтобы использование литий-ионных элементов было экономически оправданным. И команда, совершившая один прорыв, совершила и второй: при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удалось повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом с удвоенным напряжением и емкостью.
Первые коммерческие шаги
На этом история изобретения литий-ионных батарей не заканчивается. Несмотря на открытие Мидзусимы, у команды Гуденафа ещё не было образца, готового к серийному производству. Из-за использования металлического лития в катоде во время заряда аккумулятора ионы лития возвращались на анод не ровным слоем, а дендритами — рельефными цепочками, которые, вырастая, вызывали короткое замыкание и фейерверк.
В 1980 году марокканский ученый Рашид Язами (Rachid Yazami) обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен. Вот только существующие в то время органические электролиты быстро разлагались при соприкосновении с графитом, поэтому Язами заменил их твердым электролитом. Графитовый катод Язами был вдохновлен открытием проводимости полимеров профессором Хидэки Сиракавой (Hideki Shirakawa), за что тот получил Нобелевскую премию по химии. А графитовый катод Язами до сих пор используется в большинстве литий-ионных аккумуляторов.
Запускаем в производство? И снова нет! Прошло еще 11 лет, исследователи повышали безопасность батарей, повышали напряжение, экспериментировали с разными материалами катода, прежде чем в продажу поступил первый литий-ионный аккумулятор.
Коммерческий образец был разработан Sony и японским химическим гигантом Asahi Kasei. Им стала батарея для пленочной любительской видеокамеры Sony CCD-TR1. Она выдерживала 1000 циклов зарядки, а остаточная емкость после такого износа была вчетверо выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора аналогичного типа.
Кобальтовый камень преткновения
До открытия Коити Мидзусимой литий-кобальтового оксида кобальт не был особо востребованным металлом. Его основные залежи были обнаружены на территории Африки в государстве, сейчас известном как Демократическая Республика Конго. Конго является крупнейшим поставщиком кобальта — 54% этого металла добывается здесь. Из-за политических потрясений в стране в 1970-х цена на кобальт взлетала на 2000%, но позже вернулась к прежним значениям.
Высокий спрос рождает высокие цены. Ни в 1990-х, ни в 2000-х годах кобальт не был одним из главных металлов на планете. Но что началось с популяризацией смартфонов в 2010-е! В 2000 году спрос на металл составлял примерно 2700 тонн в год. К 2010-му, когда по планете победно шагали iPhone и Android-смартфоны, спрос подскочил до 25000 тонн и продолжил расти год от года. Сейчас количество заказов превышает объем продаваемого кобальта в 5 раз. Для справки: более половины добываемого в мире кобальта идет на производство батарей.
График цен на кобальт за последние 4 года. Комментарии излишни. Источник: Elec.ru
Если в 2017 году цена за тонну кобальта составляла в среднем $24000, то с 2017 года она пошла круто вверх, в 2018 году достигнув пика на отметке $95500. Хоть в смартфонах используется всего 5-10 грамм кобальта, рост цен на металл отразился на стоимости устройств.
И это же одна из причин, почему производители электрокаров озаботились уменьшением доли кобальта в аккумуляторах автомобилей. Например, Tesla снизила массу дефицитного металла с 11 до 4,5 кг на одну машину, а в будущем планирует найти эффективные составы без кобальта вообще. Поднявшаяся аномально высоко цена на кобальт к 2019 году опустилась до значений 2015 года, но разработчики батарей активизировали работу по отказу или снижению доли кобальта.
В традиционных литий-ионных батареях кобальт составляет порядка 60% от всей массы. Используемый в автомобилях литий-никель-марганцевый состав включает от 10% до 30% кобальта в зависимости от желаемых характеристик батареи. Литий-никель-алюминиевый состав — всего 9%. Однако эти смеси не являются полноценной заменой оксиду литий-кобальта.
Проблемы Li-Ion
На сегодняшний день литий-ионные батареи различных типов — это лучшие аккумуляторы для большинства потребителей. Ёмкие, мощные, компактные и недорогие, они всё же имеют серьёзные недостатки, ограничивающие область использования.
Пожароопасность. Для нормальной работы литий-ионному аккумулятору обязательно нужен контроллер питания, предотвращающий перезаряд и перегрев. В противном случае батарея превращается в очень пожароопасную вещь, норовящую раздуться и взорваться на жаре или при заряде от некачественного адаптера. Взрывоопасность — пожалуй, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов. Для повышения ёмкости внутри батарей уплотняется компоновка, из-за чего даже незначительное повреждение оболочки моментально приводит к пожару. Все помнят нашумевшую историю с Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты внутри корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь проникал кислород и смартфон внезапно вспыхивал. С тех пор некоторые авиакомпании требуют перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади, а на грузовых рейсах на упаковки с батареями лепят большую предупреждающую наклейку.
Разгерметизация — взрыв. Перезаряд — взрыв. За энергетический потенциал лития приходится платить мерами предосторожности
Старение. Литий-ионные батареи подвержены старению, даже если их не использовать. Поэтому купленный в качестве коллекционного нераспакованный смартфон 10-летней давности, например, самый первый iPhone, будет держать заряд значительно меньше из-за того самого старения батареи. Кстати, рекомендации хранить аккумуляторы заряженными до половины емкости имеют под собой основания — при полном заряде во время долгого хранения батарея гораздо быстрее теряет свою максимальную ёмкость.
Саморазряд. Накапливать в литий-ионных батареях энергию и хранить ее долгие годы — плохая идея. В принципе, все аккумуляторы теряют заряд, но литий-ионные делают этого особенно быстро. Если NiMH-ячейки теряют 0,08–0,33% за месяц, то Li-Ion-ячейки — по 2-3% в месяц. Таким образом, за год литий-ионных аккумулятор потеряет треть заряда, а через три года «сядет» до нуля. Справедливости ради скажем, что у никель-кадмиевых батарей всё ещё хуже — 10% в месяц. Но это совсем другая история.
Чувствительность к температуре. Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры такого аккумулятора: +20 °C градусов считаются идеальной температурой окружающей среды для литий-ионных батарей, если её уменьшить до +5 °C, то батарея отдаст устройству на 10% энергии меньше. Охлаждение ниже нуля забирает от емкости десятки процентов и к тому же влияет на здоровье аккумулятора: если пытаться его зарядить, например, от пауэр-банка — проявится «эффект памяти», а батарея безвозвратно потеряет емкость из-за образования на аноде металлического лития. При средних зимних российских температурах литий-ионная ячейка нефункциональна — оставьте телефон в январе на улице на полчаса, чтобы убедиться в этом.
Чтобы справиться с описанными проблемами, ученые экспериментируют с материалами анодов и катодов. При замене состава электродов одна большая проблема заменяется проблемами поменьше — пожаробезопасность влечет снижение жизненного цикла, а высокий ток разряда понижает удельную энергоемкость. Поэтому состав для электродов выбирается в зависимости от области применения аккумулятора.
Кто украл революцию?
Каждый год на новостных лентах появляются сообщения об очередном прорыве в деле создания чрезвычайно ёмких и выносливых аккумуляторов — вроде как, смартфоны будут работать по году без подзарядки, а заряжаться — за десять секунд. И где же та аккумуляторная революция, которую всем обещают учёные?
Часто в таких сообщениях журналисты передергивают факты, опуская какие-нибудь очень важные подробности. Например, у батареи с мгновенной зарядкой может оказаться очень низкая ёмкость, годная только для питания прикроватного будильника. Или напряжение не дотягивает и до одного вольта, хотя для смартфонов нужно 3,6 В. А ещё для получения путевки в жизнь аккумулятору нужно иметь низкую себестоимость и высокую пожаробезопасность. К сожалению, подавляющее большинство разработок уступало хотя бы по одному параметру, из-за чего «революционные» аккумуляторы так и не выходили за пределы лабораторий.
В конце 00-х Toshiba экспериментировала с перезаряжаемыми топливными ячейками на метаноле (на фото заправка батареи метанолом), но литий-ионные аккумуляторы всё равно оказались удобней. Источник: Toshiba
И, конечно, оставим в стороне теорию заговоров «производителям не выгодны бесконечные аккумуляторы». В наше время аккумуляторы в потребительских устройствах незаменяемые (вернее, поменять их можно, но сложно). 10-15 лет назад заменить испорченную батарею в мобильном телефоне было просто, но тогда источники питания и правда сильно теряли ёмкость за год-два активного использования. Современные литий-ионные аккумуляторы работают дольше, чем составляет средний жизненный цикл устройства. В смартфонах о замене батареи можно задумываться не ранее, чем через 500 циклов зарядки, когда она потеряет 10-15% емкости. И скорее сам телефон утратит актуальность, прежде чем аккумулятор окончательно выйдет из строя. То есть производители аккумуляторов зарабатывают не на замене, а на продаже батарей для новых устройств. Так что «вечная» батарейка в десятилетнем телефоне не нанесёт ущерба бизнесу.
Команда Гуденафа снова в деле
А что же стало с учеными группы Джона Гуденафа, совершившими открытие литий-кобальтового оксида и тем самым давшими жизнь эффективным литий-ионным аккумуляторам?
В 2017 году 94-летний Гуденаф заявил, что вместе с учеными Техасского университета разработал новый тип твердотельных аккумуляторов, которые могут хранить в 5-10 раз больше энергии, чем прежние литий-ионные батареи. Для этого электроды были сделаны из чистого лития и натрия. Обещана и низкая цена. Но конкретики и прогнозов о начале массового производства нет до сих пор. Учитывая долгий путь между открытием группы Гуденафа и началом серийного производства литий-ионных батарей, реальные образцы можно ждать лет через 8-10.
Коити Мидзусима продолжает исследовательскую работу в Toshiba Research Consulting Corporation. «Оглядываясь назад, я удивляюсь тому, что никто до нас не догадался использовать на аноде такой простой материал как оксид литий-кобальта. К тому моменту было испробовано множество других оксидов, поэтому, вероятно, если бы не мы, то в течение нескольких месяцев кто-нибудь другой совершил бы это открытие», — считает он.
Коити Мидзусима с наградой Королевского химического общества Великобритании, полученной за участие в создании литий-ионных аккумуляторов. Источник: Toshiba
История не терпит сослагательных наклонений, тем более что и сам господин Мидзусима признает, что прорыв в создании литий-ионных аккумуляторов был неизбежен. Но всё же интересно представить, каким был бы мир мобильной электроники без компактных и емких батарей: ноутбуки с толщиной в несколько сантиметров, огромные смартфоны, требующие зарядки два раза в день, и никаких умных часов, фитнес-браслетов, экшн-камер, квадрокоптеров и даже электромобилей. Каждый день ученые всего мира приближают новую энергетическую революцию, которая подарит нам более мощные и более компактные аккумуляторы, а вместе с ними — невероятную электронику, о которой мы пока можем только мечтать.
Этой статьей я бы хотел разъяснить некоторые моменты и провести своеобразный ликбез.
Литий-полимерные аккумуляторы
Сразу с главного — в свободном доступе на рынке не существует литий-полимерных аккумуляторов в техническом смысле этого слова. В англоязычном мире с этим уже разобрались, а вот на постсоветском пространстве существуют некоторые издержки в терминологии, которыми пользуются маркетологи. Маленькое отступление — не то, чтобы этим не пользовались в других регионах, но там хотя бы есть возможность проверки этой информации на родном языке.
Немного истории
Любой литий-ионный аккумулятор имеет 4 основных составляющих — два электрода (анод и катод), электролит и сепаратор. Все 4 элемента развивались и развиваются дальше. Для электролита на начало исследований (1970-ые) было предложено два варианта — жидкий или твердый электролит. В то время твердый электролит обещал больше перспектив в эксплуатации — электролит не вытекает при повреждении корпуса, сам элемент более прочный. Главным недостатком было и остается высокое сопротивление твердого электролита, оно сводит на нет физические характеристики.
Фактически снижение количества ресурсов, выделяемых компаниями на разработку твердых электролитов, произошло в начале 1990-х, когда Sony вывела на рынок аккумулятор с жидким электролитом. Сама компания Sony еще в 1988 году была уверена в будущем успехе твердого электролита.
Не смотря на ориентацию на жидкий электролит компании не перестали искать альтернативы. Одним из вариантов стали так называемые гибридные электролиты. Фактически для них используется сепаратор с мелкими отверстиями и тем же жидки электролитом. Хотя он на ощупь кажется сухим, на самом деле количество электролита в нем не отличается от подобного в обычном аккумуляторе. Как в принципе и конструкция:
Схематическая модель литий-ионного аккумулятора с катодом LiCoO2 и графитовым анодом из Википедии на немецком языке.
Подобные аккумуляторы довольно распространены, их коммерческое распространение началось еще в начале 2000-х, но физически и химически это те же самые литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом и их в общем не очень много.
Что же представлено на рынке?
Одним из способов классификации аккумуляторов является его корпус. На сегодня существуют три популярных способа упаковки:
- Цилиндрические ячейки
- Призматические ячейки
- «Мешочек» или pouch-bag ячейки
Первый тип аккумуляторов известен своим использованием в ноутбуках и автомобилях Тесла (там используется его самый распространенный размер 18650).
Второй тип является измененной формой цилиндрических. Алюминиевый корпус, прямоугольник или квадрат в поперечном сечении. Популярен для стационарного применения и в транспорте.
Третий тип имеет мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах.
Последние в списке и есть те самые «полимерные». Они так называются по нескольким причинам. Самый наглый способ маркетологов — корпус из полимеров, потому и «полимерные».
Второй вариант — использование полимерного мелкопористого сепаратора. Фактически ничем не отличается от обычного литий-ионного аккумулятора.
Третий вариант, который я не встречал — давать название «полимерный» на основании использования полимерных элементов в качестве основ катодов, анодов и прочих элементов. Как правило попадает в множество аккумуляторов в пластиковом корпусе.
Проблемы терминологии
При разработке концепции идея была такова, что под понятием «жидкий электролит» понимались жидкий или гелеобразный раствор соли лития, в то время как под понятием «твердый электролит» (solid electrolyte) — твердое состояние вещества. Так как возникло желание продать то, что обещалось но чего нет, то сегодня даже в среде исследователей гелевый электролит вносят в перечень «твердых» электролитов, хотя его характеристики все же скорее гибридные. Потому можно встретить описание в научных работах «твердый гелевый электролит», которое некоторыми учеными считается вводящим в заблуждение.
Будущее полимерных электролитов
Разработки ведутся и в перспективе возможно появление аккумуляторов с настоящим полимерным электролитом. Однако по состоянию на 2015 год лабораторные образцы полимерных электролитов на основе органической химии не показывали ощутимого прогресса, потому на дату публикации статьи в обозримом будущем не предвидится массового ухода от жидкого электролита.
Проблемы с наименованием типов аккумуляторов
На рынке представлено несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов. Они имеют различные наименования, которые позволяют описывать их характеристики в плане емкости или безопасности. В целом можно встретить следующие типы:
- Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2 — самые емкие модели имеют графитовый анод.
- Литий-марганцево-оксидные с катодом LiMn2O4, Li2MnO3 или LMnO, последние могут выступать как просто литий-марганцовые
- Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные или NMC с катодом LiNiMnCoO2
- Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePO4 (LFP)
- Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA) с катодом LiNiCoAlO2
- Литий-титанат-оксидные (LTO) с анодом Li4Ti5O12
Сразу можно заметить неравномерность наименований. Некоторые названы в честь катода, некоторые — в честь анода. И если в первом случае еще можно попытаться угадать с высокой степенью вероятности, что анод будет графитовый, то в случае названия по аноду остается только гадать. Также на сегодня ведутся разработки и в принципе можно найти на рынке аккумулятор с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12, т.е. литий-железо-фосфатные литий-титанатовые, которые в этой системе не имеют простого маркетингового наименования По ссылке — научная статья 2013 года с испытаниями такого аккумулятора.
Причина существования такого большого числа катодов и анодов аккумуляторов в различных требованиях к аккумуляторам. Где-то нужна бóльшая безопасность, а где-то емкость или мощность. Получить представление о запасаемой энергии можно исходя из того, что каждый тип катода и анода имеет разный потенциал, как видно из изображений ниже (в качестве потенциала в 0 В выбирается потенциал металлического лития, больше разница напряжений — больше мощность, энергетическая плотность зависит от количества атомов лития):
Общая схема с потенциалами от университета г. Киль. Источник
Материал из статьи 2013 года авторов Jiantie Xu, Shixue Dou и др. Источник
Еще одна картинка от Purdue School of Engineering and Technology. Источник
Общее представление о причинах может давать следующее грубое изображение связи потенциалов элементов и возможности металлизация лития при очень низком разряде или термической нестабильности при перезаряде:
Изображения взято из курса лекций
Самые небезопасные в эксплуатации из представленных на рынке — литий-кобальтовые с графитовый анодом, самые безопасные — с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12. Естественно, наличие BMS (Battery Management System) уменьшает риски, но пренебрегать ими не стоит, тот же слишком сильный разряд эта система предотвратить не сможет, что критично для аккумуляторов с графитовым анодом.
Распространенные ошибки
Общие ошибки
Самая главная и часто встречаемая ошибка — противопоставление «обычному литий-ионному аккумулятору». Как видно выше, такого понятия, как «обычный» просто нет. И разница в напряжениях может быть самой разной для вроде бы одинаковых катодов и одинаковой для разных наборов катодов и анодов.
Вторая ошибка, не столь существенная, связанная с предыдущим пунктом, написание материала катода LiFePO4 следующим образом — LiFePo4. Здесь путаница довольно распространенная и сразу показывает, насколько можно доверять такому источнику.
Еще одна крупная ошибка — противопоставление LiPo-аккумулятора литий-ионному. Здесь несколько вариантов сравнения. Первое — это общее, связанное с заблуждением о существовании на рынке аккумуляторов с полимерным электролитом. Второе, имеющее более узкое применение, которое обычно озвучивается в следующем виде «литий-полимерный аккумулятор [речь о корпусе] лучше/хуже LFP/LTO/NCA (подставить нужное)».
Здесь идет смешение типа корпуса и начинки.
Например, по этой ссылке можно прочитать о LFP аккумуляторе в формате литий-полимерного (призматический корпус в данном случае).
Аккумулятор А долговечнее аккумулятора Б
Это еще одно своеобразное перекручивание фактов для аргументации при продаже. Такой метод применяется для разных типов аккумуляторов, но чаще всего сравнивается LFP вариант аккумулятора и литий-кобальтовый или NMC с графитовым катодом. В статьях в интернете, как рекламных так и просто популярных, можно найти соотношение полных эквивалентных циклов в 2000 к 500 в пользу LFP и как результат — рассказ о значительном превосходстве первого.
Здесь есть несколько неточностей. Во-первых, бóльшее число статей по литий-кобальтовым датировано 2005-2006 годами, в то время как для LFP — с 2012-2013. Данные по циклам основаны на этих статьях. Тем не менее разработки на останавливались и были одинаково активными для всех типов аккумуляторов и разрыв не настолько большой в один и тот же временной интервал. Во-вторых, не уточняется объем энергии, который передаст за свою жизнь аккумулятор, а ведь при равных размерах LFP имеет меньшую емкость.
Что же касается главного преимущества — бóльшего числа циклов, то если брать новые исследования и сравнивать в равных условиях серийные образцы, то разница не такая и драматическая. В общей сложности она составляет 20-30% (800 циклов против 1000 для 40°C, например), что не всегда оправдывает покупку того же LFP, так как будет передано меньше энергии за счет меньшей разницы напряжений за весь срок эксплуатации.
Источников с непосредственным сравнением нет, поскольку сам процесс тестирования длительный и дорогостоящий, осложненный договорами про не раскрывание названий участников, но сравнивая по ряду данных можно сделать вывод об аналогичных характеристиках на сегодня для всех литий-ионных аккумуляторов в плане срока эксплуатации во всех возможных сценариях, в т.ч. и простого хранения. Эти данные приведены, например, в источниках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Прочие источники
BU-206: Lithium-polymer: Substance or Hype?
Kazuo Murata, Shuichi Izuchi, Youetsu Yoshihisa «An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries»
A. Manuel Stephan, K.S. Nahm «Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer»
D. Golodnitskya, E. Straussc, E. Peleda and S. Greenbaum «Review — On Order and Disorder in Polymer Electrolytes»
Моя предыдущая статья про литий-ионные аккумуляторы — Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов
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?
Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной. Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.
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
Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.
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
Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.
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
Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.
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.
Видео с демонстрацией заправки и работы Toshiba DynarioДальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.
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
Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.
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.
Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.
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
Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.
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
Литий 9 вольт, AA и AAA размеров. Верхний объект представляет собой батарею из трех литиево-марганцевых ячеек, нижние два — литий-железо-дисульфидные и совместимы с 1,5-вольтовыми щелочными элементами.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
| Химия | катод | Электролит | Номинальное напряжение | Напряжение холостого хода | Вт / кг | Вт / л |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Li-MnO 2 (код МЭК: C), «CR» | Термообработанный диоксид марганца | перхлорат лития в органическом растворителе (пропиленкарбонат и диметоксиэтан во многих обычных ячейках [2] [3] [4] ) | 3 В | 3.3 В | 280 | 580 |
| «Ли-Мн». Наиболее распространенная потребительская литиевая батарея, около 80% рынка литиевых батарей. Использует недорогие материалы. Подходит для применения с низким расходом, длительным сроком службы и низкой стоимостью. Высокая плотность энергии по массе и объему. Рабочая температура колеблется от -30 ° C до 60 ° C. Может доставлять высокие импульсные токи. [5] При разряде внутренний импеданс увеличивается, а напряжение на клеммах уменьшается. Высокий саморазряд при высоких температурах.1,2-диметоксиэтан является веществом-кандидатом REACH, вызывающим серьезную обеспокоенность. | ||||||
| Li- (CF) x (код IEC: B), «BR» | монофторид углерода | тетрафторборат лития в пропиленкарбонате, диметоксиэтане или гамма-бутиролактоне | 3 В | 3,1 В | 360–500 | 1000 |
| Катодный материал, образованный высокотемпературным интеркалированием газообразного фтора в порошок графита.По сравнению с диоксидом марганца (CR), который имеет такое же номинальное напряжение, он обеспечивает большую надежность. [5] Используется для приложений с малым и средним током в аккумуляторах с резервной памятью и часами. Используется в аэрокосмических приложениях, пригодных для использования в космосе с 1976 года, в военных целях, как наземных, так и морских, в ракетных и искусственных кардиостимуляторах. [6] Работает при температуре до 80 ° C. Очень низкий саморазряд (<0,5% / год при 60 ° C, <1% / год при 85 ° C). Разработано в 1970-х годах Мацуситой. [7] | ||||||
| Li-FeS 2 (код МЭК: F), «FR» | дисульфид железа | пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан | 1,4–1,6 В | 1,8 В | 297 | |
| «Литий-железо», «Li / Fe». Называется «совместимым по напряжению» литием, поскольку может работать в качестве замены щелочных батарей с номинальным напряжением 1,5 В. Таким образом, литиевые элементы Energizer размера AA [8] и размера AAA используют эту химию.Срок службы в 2,5 раза выше для режима сильноточного разряда по сравнению с щелочными батареями, лучший срок хранения за счет более низкого саморазряда, срок хранения 10–20 лет. FeS 2 дешево. Катод часто выполнен в виде пасты из порошка сульфида железа, смешанного с порошкообразным графитом. Вариант — Li-CuFeS 2 . | ||||||
| Li-SOCl 2 (код IEC: E) | тионилхлорид | тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде | 3,5 В | 3.65 В | 500–700 | 1200 |
| Жидкий катод. Для применения при низких температурах. Может работать до -55 ° C, где он сохраняет более 50% своей номинальной емкости. Незначительное количество газа, получаемого при номинальном использовании, ограниченное количество при злоупотреблении. Имеет относительно высокий внутренний импеданс и ограниченный ток короткого замыкания. Высокая плотность энергии, около 500 Втч / кг. Toxic. Электролит реагирует с водой. Слаботочные ячейки используются для портативной электроники и резервного копирования памяти. Сильноточные ячейки, используемые в военных целях.При длительном хранении образует пассивирующий слой на аноде, что может привести к временной задержке напряжения при вводе в эксплуатацию. Проблемы высокой стоимости и безопасности ограничивают использование в гражданских целях. Может взорваться при коротком замыкании. Лаборатории андеррайтеров нуждаются в обученном специалисте для замены этих батарей. Опасные отходы, отгрузка 9 класса Хазмат. [9] Не используется для бытовых или универсальных батарей. | ||||||
| Li-SOCl 2 , BrCl, Li-BCX (код IEC: E) | Тионилхлорид с хлоридом брома | тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде | 3.7-3.8 V | 3,9 В | 350 | 770 |
| Жидкий катод. Вариант тионилхлоридной батареи с более высоким напряжением на 300 мВ. Более высокое напряжение падает до 3,5 В, как только хлорид брома расходуется в течение первых 10–20% разряда. Считается, что клетки с добавленным хлоридом брома безопаснее при злоупотреблении. | ||||||
| Li-SO 2 Cl 2 | Сульфурилхлорид | 3.7 В | 3,95 В | 330 | 720 | |
| Жидкий катод. Похож на тионилхлорид. Разряд не приводит к накоплению элементарной серы, которая, как считается, участвует в некоторых опасных реакциях, поэтому серно-хлоридные батареи могут быть более безопасными. Коммерческое развертывание сдерживается тенденцией электролита разъедать литиевые аноды, уменьшая срок годности. Хлор добавляется в некоторые клетки, чтобы сделать их более устойчивыми к злоупотреблениям. Сульфурилхлоридные ячейки дают меньший максимальный ток, чем тионилхлоридные, вследствие поляризации углеродного катода.Сульфурилхлорид бурно реагирует с водой, выделяя хлористый водород и серную кислоту. [10] | ||||||
| Li-SO 2 | Диоксид серы на углероде с тефлоновой связью | Бромид лития в диоксиде серы с небольшим количеством ацетонитрила | 2,85 В | 3,0 В | 250 | 400 |
| Жидкий катод. Может работать при температуре до −55 ° C и до +70 ° C. Содержит жидкий SO 2 при высоком давлении.Требуется предохранительный клапан, может взорваться при некоторых условиях. Высокая плотность энергии. Высокая стоимость. При низких температурах и больших токах работает лучше, чем Li-MnO 2 . Toxic. Ацетонитрил образует цианид лития и может образовывать цианистый водород при высоких температурах. [11] Используется в военных целях. Добавление монохлорида брома может повысить напряжение до 3,9 В и повысить плотность энергии. [12] | ||||||
| Li-I 2 | Йод, который был смешан и нагрет с поли-2-винилпиридином (P2VP) с образованием твердого органического комплекса с переносом заряда. | Твердый мономолекулярный слой кристаллического йодида лития, который проводит ионы лития от анода к катоду, но не проводит йод. [13] | 2,8 В | 3,1 В | ||
| Твердый электролит. Очень высокая надежность и низкая скорость саморазряда. Используется в медицинских целях, требующих долгой жизни, например кардиостимуляторы. Не генерирует газ даже при коротком замыкании. Твердотельная химия, ограниченный ток короткого замыкания, подходит только для слаботочных приложений.Напряжение на клеммах уменьшается со степенью разряда из-за выделения йодида лития. | ||||||
| Li-Ag 2 CrO 4 | Серебряный хромат | раствор перхлората лития | 3,1 / 2,6 В | 3,45 В | ||
| Очень высокая надежность. Имеет плато 2,6 В после достижения определенного процента разряда, обеспечивает раннее предупреждение о предстоящем разряде. Разработан специально для медицинских применений, например, для имплантированных кардиостимуляторов. | ||||||
| Li-Ag 2 V 4 O 11 , Li-SVO, Li-CSVO | Оксид серебра + пентоксид ванадия (SVO) | гексафторфосфат лития или гексафторарсенат лития в пропиленкарбонате с диметоксиэтаном | ||||
| Используется в медицинских целях, таких как имплантируемые дефибрилляторы, нейростимуляторы и системы инфузии лекарств. Также проектируется для использования в другой электронике, такой как аварийные передатчики.Высокая плотность энергии. Долгий срок годности. Способен к непрерывной работе при номинальной температуре 37 ° C. [14] Двухступенчатый разряд с плато. Выходное напряжение уменьшается пропорционально степени разряда. Устойчив к злоупотреблениям. | ||||||
| Li-CuO (код IEC: G), «GR» | Оксид меди (II) | Перхлорат лития растворяется в диоксолане | 1,5 В | 2,4 В | ||
| Может работать до 150 ° C.Разработан как замена цинк-углеродных и щелочных батарей. Проблема с повышением напряжения, большая разница между разомкнутой цепью и номинальным напряжением. Производится до середины 1990-х годов, заменяется литий-железным сульфидом. Текущее использование ограничено. | ||||||
| Li-Cu 4 O (PO 4 ) 2 | Оксифосфат меди | |||||
| См. Li-CuO | ||||||
| Li-CuS | Сульфид меди | Литий металлический | 1.5 В | литиевая соль или соль, такая как хлорид тетраалкиламмония, растворенный в LiClO 4 в органическом растворителе, который представляет собой смесь 1,2-диметоксиэтана, 1,3-диоксолана и 2,5-диметилоксазола в качестве стабилизатора [15] | ||
| Li-PbCuS | Сульфид свинца и сульфид меди | 1,5 В | 2,2 В | |||
| Li-FeS | Сульфид железа | пропиленкарбонат, диоксолан, диметоксиэтан | 1.5-1.2 V | |||
| «Литий-железо», «Li / Fe». используется в качестве замены щелочных батарей. См. Дисульфид лития-железа. | ||||||
| Li-Bi 2 Pb 2 O 5 | Висмутат свинца | 1,5 В | 1,8 В | |||
| Замена оксидно-серебряных батарей с более высокой плотностью энергии, меньшей склонностью к утечкам и лучшей производительностью при более высоких температурах. | ||||||
| Li-Bi 2 O 3 | Триоксид висмута | 1,5 В | 2,04 В | |||
| Li-V 2 O 5 | пентаоксид ванадия | 3,3 / 2,4 В | 3,4 В | 120/260 | 300/660 | |
| Два разгрузочных плато. Низкое давление. Перезаряжаемый. Используется в резервных батареях. | ||||||
| Li-CuCl 2 | Хлорид меди | LiAlCl 4 или LiGaCl 4 в SO 2 , жидкий неорганический неводный электролит. | ||||
| аккумуляторная. Эта ячейка имеет три плато напряжения при разряде (3,3 В, 2,9 В и 2,5 В). [16] Разряд ниже первого плато сокращает срок службы ячейки. [16] Комплексная соль, растворенная в SO 2 , имеет более низкое давление пара при комнатной температуре, чем чистый диоксид серы, [17] , что делает конструкцию более простой и безопасной, чем батареи Li-SO 2 . | ||||||
| Li / Al-MnO 2 , «ML» | диоксид марганца | 3 В [18] | ||||
| аккумуляторная. Анод — литий-алюминиевый сплав. [18] [19] В основном продается Maxell. | ||||||
| Li / Al-V 2 O 5 , «VL» | пентаоксид ванадия | 3 В [20] | ||||
| аккумуляторная.Анод представляет собой литий-алюминиевый сплав. [21] | ||||||
| Ли-Се | селен | неводных карбонатных электролитов | 1,9 В [22] | |||
| Li-air (Литий-воздушный аккумулятор) | Пористый углерод | Органические, водные, стеклокерамические (полимерно-керамические композиты) | 1800–660 [23] | 1600–600 [23] | ||
| аккумуляторная.Начиная с 2012 года, коммерческая реализация недоступна из-за трудностей в достижении нескольких циклов разгрузки без потери производительности. [23] Существует множество возможных реализаций, каждая из которых имеет разные энергетические мощности, преимущества и недостатки. В ноябре 2015 года группа исследователей из Кембриджского университета продолжила работу над литиево-воздушными батареями, разработав процесс зарядки, способный продлить срок службы батареи и ее эффективность. Результатом их работы стала батарея с высокой плотностью энергии, эффективностью более 90%, которая может заряжаться до 2000 раз.Литий-воздушные батареи описываются как «совершенные» батареи, потому что они предлагают высокую теоретическую плотность энергии, в десять раз превышающую энергию, предлагаемую обычными литий-ионными батареями. Впервые они были разработаны в исследовательской среде Abraham & Jiang в 1996 году. [24] Технология, однако, по состоянию на ноябрь 2015 года, не будет сразу доступна в любой отрасли, и для литиево-воздушного может потребоваться до 10 лет батареи для оснащения устройств. [25] Непосредственная задача, стоящая перед учеными, занимающимися ее изобретением, заключается в том, что для батареи требуется специальный пористый графеновый электрод, помимо других химических компонентов, и узкий разрыв напряжения между зарядом и разрядом, чтобы значительно повысить эффективность. | ||||||
| Li-FePO 4 (литий-железо-фосфатная батарея) | литий железо фосфат | этиленкарбонат-диметилкарбонат (EC-DMC) 1–1 перхлорат лития (LiClO 4 ) 1M | 3,0 ~ 3,2 В | 3,2 В | 90-160 [26] [27] | 325 Вт / л (1200 кДж / л) [27] |
| Удельная емкость LiFePO 4 выше, чем у соответствующего химического состава оксида лития-кобальта (LiCoO 2 ), но его плотность энергии меньше из-за более низкого рабочего напряжения.Основным недостатком LiFePO 4 является его низкая электропроводность. Из-за низкой стоимости, низкой токсичности, четко определенных характеристик, долговременной стабильности и т. Д. LiFePO 4 находит ряд ролей в использовании транспортных средств, стационарных приложениях общего назначения и резервном питании. | ||||||
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
Литиевые батареинаходят 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.
Литиевые батареитакже 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
Литиевые батареимогут 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.
| Рисунок 1. Ионный поток в литий-ионной батарее. Когда элемент заряжается и разряжается, ионы перемещаются между катодом (положительный электрод) и анодом (отрицательный электрод). При разряде анод подвергается окислению или потере электронов, а катод видит уменьшение или усиление электронов. Заряд меняет направление движения. |
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.
| Рисунок 2: Кривая напряжения разряда литий-ионная. |
- Англия
- арабский
- Испания
Как работают литий-ионные аккумуляторы | HowStuffWorks
Литий-ионные аккумуляторы невероятно популярны в наши дни. Вы можете найти их в ноутбуках, КПК, мобильных телефонах и iPod. Они так распространены, потому что, фунт за фунт, они являются одними из самых энергичных доступных аккумуляторных батарей.
Литий-ионные батареи также были в новостях в последнее время. Это потому, что эти батареи могут иногда вспыхивать. Это не очень распространено — только два или три аккумулятора на миллион имеют проблемы — но когда это происходит, это экстремально.В некоторых ситуациях частота отказов может возрасти, и когда это произойдет, вы получите всемирный отзыв батареи, который может стоить производителям миллионы долларов.
Итак, вопрос в том, что делает эти батареи такими энергичными и такими популярными? Как они загораются? И есть ли что-нибудь, что вы можете сделать, чтобы предотвратить проблему или помочь вашим батареям работать дольше? В этой статье мы ответим на эти и другие вопросы.
Литий-ионные аккумуляторы популярны, потому что они имеют ряд важных преимуществ по сравнению с конкурирующими технологиями:
- Они, как правило, намного легче, чем другие типы аккумуляторов того же размера.Электроды литий-ионного аккумулятора изготовлены из легкого лития и углерода . Литий также является очень реактивным элементом, что означает, что в его атомных связях может храниться много энергии. Это приводит к очень высокой плотности энергии для литий-ионных аккумуляторов. Вот способ получить представление о плотности энергии. Типичная литий-ионная батарея может хранить 150 ватт-часов электроэнергии в 1 килограмме батареи. Батарея NiMH (никель-металлогидридная) аккумуляторная батарея может хранить около 100 ватт-часов на килограмм, хотя от 60 до 70 ватт-часов может быть более типичным.Свинцово-кислотный аккумулятор может хранить только 25 ватт-часов на килограмм. Используя свинцово-кислотную технологию, требуется 6 килограммов для хранения того же количества энергии, которое может выдержать 1 килограммовая литий-ионная батарея. Это огромная разница [источник: Everything2.com].
- Они держат свой заряд. Литий-ионная аккумуляторная батарея теряет всего около 5 процентов заряда в месяц по сравнению с 20 процентами потерь в месяц для NiMH аккумуляторов.
- У них нет эффекта памяти , что означает, что вам не нужно полностью разряжать их перед зарядкой, как в некоторых других химических батареях.
- Литий-ионные аккумуляторы способны выдерживать сотни циклов зарядки / разрядки.
Нельзя сказать, что литий-ионные батареи безупречны. У них есть несколько недостатков:
- Они начинают деградировать, как только покидают фабрику. Они будут действовать только два или три года с даты изготовления, используете ли вы их или нет.
- Они чрезвычайно чувствительны к высоким температурам. Из-за нагрева литий-ионные аккумуляторные батареи разлагаются гораздо быстрее, чем обычно.
- Если вы полностью разрядите литий-ионную батарею, она разрушится.
- Блок литий-ионных аккумуляторов должен иметь бортовой компьютер для управления аккумулятором. Это делает их еще дороже, чем они уже есть.
- Существует небольшая вероятность того, что в случае выхода из строя литий-ионного аккумулятора он может загореться.
Многие из этих характеристик можно понять, посмотрев на химию внутри литий-ионной ячейки. Мы посмотрим на это дальше.
,Похожие записи
