Как устроены литий-ионные аккумуляторы. Из каких компонентов они состоят. Какие материалы используются в литий-ионных батареях. Как происходит процесс зарядки и разрядки. Какие бывают типы литий-ионных аккумуляторов.
Основные компоненты литий-ионного аккумулятора
Литий-ионный аккумулятор состоит из следующих ключевых компонентов:
- Катод (положительный электрод)
- Анод (отрицательный электрод)
- Электролит
- Сепаратор
- Токосъемники
- Корпус
Рассмотрим каждый из этих компонентов подробнее.
Катод
Катод представляет собой положительный электрод аккумулятора. Он обычно изготавливается из оксидов металлов, содержащих литий. Наиболее распространенные материалы для катода:
- Оксид лития-кобальта (LiCoO2)
- Оксид лития-марганца (LiMn2O4)
- Фосфат лития-железа (LiFePO4)
- Оксид лития-никеля-марганца-кобальта (LiNiMnCoO2 или NMC)
Выбор материала катода во многом определяет характеристики аккумулятора — его емкость, напряжение, срок службы и безопасность.
Анод
Анод — это отрицательный электрод аккумулятора. В большинстве современных литий-ионных батарей в качестве анода используется графит. Реже применяются следующие материалы:
- Аморфный углерод
- Литий-титанат (Li4Ti5O12)
- Кремний
Графитовый анод обеспечивает хорошую емкость и низкую стоимость аккумулятора. Однако ученые активно исследуют альтернативные материалы для повышения емкости и скорости зарядки.
Электролит
Электролит обеспечивает среду для перемещения ионов лития между катодом и анодом. Он обычно представляет собой раствор солей лития в органических растворителях. Типичный состав электролита:
- Соль лития (чаще всего LiPF6)
- Органические растворители (этиленкарбонат, диметилкарбонат и др.)
- Добавки для улучшения характеристик
Электролит должен обладать высокой ионной проводимостью и химической стабильностью в широком диапазоне температур.
Сепаратор
Сепаратор — это тонкая пористая мембрана, разделяющая катод и анод. Его основные функции:
- Предотвращение прямого контакта между электродами
- Пропускание ионов лития
- Блокирование электронов
Сепаратор обычно изготавливается из полиэтилена или полипропилена. Он играет важную роль в обеспечении безопасности аккумулятора.
Принцип работы литий-ионного аккумулятора
Работа литий-ионного аккумулятора основана на перемещении ионов лития между катодом и анодом. Рассмотрим процессы, происходящие при зарядке и разрядке:
Процесс зарядки
При зарядке аккумулятора происходят следующие процессы:
- Ионы лития высвобождаются из катода
- Ионы лития проходят через электролит и сепаратор к аноду
- Ионы лития внедряются между слоями графита в аноде
- Электроны движутся от катода к аноду по внешней цепи
В результате анод насыщается литием, а катод обедняется. Это создает разность потенциалов между электродами.
Процесс разрядки
При разрядке аккумулятора процессы идут в обратном направлении:
- Ионы лития высвобождаются из анода
- Ионы лития проходят через электролит и сепаратор к катоду
- Ионы лития внедряются в кристаллическую решетку катода
- Электроны движутся от анода к катоду по внешней цепи, совершая полезную работу
Таким образом, при разрядке происходит возврат лития в катод. Этот процесс может повторяться сотни и тысячи раз.
Основные типы литий-ионных аккумуляторов
Существует несколько основных типов литий-ионных аккумуляторов, различающихся используемыми материалами катода:
LiCoO2 (литий-кобальтовые)
Особенности:
- Высокая удельная емкость
- Хорошая стабильность
- Относительно высокая стоимость
- Ограниченный ресурс
Применение: мобильные телефоны, ноутбуки, планшеты.
LiFePO4 (литий-железо-фосфатные)
Особенности:
- Высокая безопасность
- Длительный срок службы
- Устойчивость к высоким температурам
- Меньшая удельная емкость
Применение: электромобили, системы накопления энергии.
LiMn2O4 (литий-марганцевые)
Особенности:
- Высокая мощность
- Хорошая термическая стабильность
- Низкая стоимость
- Меньший срок службы
Применение: электроинструменты, медицинские приборы.
NMC (литий-никель-марганец-кобальтовые)
Особенности:
- Высокая удельная емкость
- Хороший баланс характеристик
- Возможность оптимизации состава
- Относительно высокая стоимость
Применение: электромобили, портативная электроника.
Преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом преимуществ, но также имеют некоторые недостатки.
Преимущества:
- Высокая удельная энергоемкость
- Низкий саморазряд
- Отсутствие эффекта памяти
- Широкий диапазон рабочих температур
- Возможность быстрой зарядки
Недостатки:
- Высокая стоимость производства
- Риск возгорания при повреждении
- Деградация при высоких температурах
- Необходимость защитной электроники
- Ограниченный ресурс (300-500 циклов)
Несмотря на недостатки, преимущества литий-ионных аккумуляторов обеспечивают их широкое применение в современной технике.
Перспективы развития литий-ионных аккумуляторов
Исследования в области литий-ионных аккумуляторов продолжаются. Основные направления развития:
- Увеличение удельной емкости
- Повышение безопасности
- Увеличение срока службы
- Снижение стоимости производства
- Разработка твердотельных электролитов
- Использование новых материалов (например, графена)
Прогресс в этих областях позволит создать еще более эффективные и безопасные аккумуляторы для различных применений.
Заключение
Литий-ионные аккумуляторы представляют собой сложные электрохимические устройства, состоящие из множества компонентов. Их конструкция и состав определяют ключевые характеристики — емкость, мощность, безопасность и срок службы. Понимание внутреннего устройства и принципов работы литий-ионных аккумуляторов важно для их правильного использования и дальнейшего совершенствования. Несмотря на имеющиеся недостатки, литий-ионные технологии остаются наиболее перспективными для широкого спектра применений — от мобильных устройств до электромобилей и систем накопления энергии.
Литий-ионный аккумулятор и его химический состав. Почему это важно?
Основным компонентом аккумуляторных батарей, обеспечивающих питание всего, от бытовой электроники до электромобилей, является литий-ионный элемент.
Литий-ионные элементы, как правило, не являются отдельными частями. Они соединены последовательно и параллельно, образуя окончательную сборку, называемую аккумуляторной батареей. Но для каждой аккумуляторной батареи выбранная ячейка элементов определяет срок службы и производительность всей батареи. Рабочие характеристики элемента определяют размер, вес, напряжение, ток, мощность и экологические характеристики «финальной версии» аккумуляторной батареи.
Литий-ионные элементы бывают трех основных форм: цилиндрической, призматической (или кирпичной) и плоской прямоугольной формы литий-полимерных элементов. Стандартные форматы цилиндрических ячеек в металлическом корпусе: 18650 (диаметр 18 мм × высота 65 мм), 21700 (21 × 70 мм) или 26650 (26 × 65 мм). Внутри цилиндрических и призматических ячеек слои материала батареи свернуты внутрь, как рулон желе.
Призматические элементы или элементы в форме кирпича часто бывают более экономичны и доступны в бесчисленных размерах. Одна из основных особенностей призматической ячейки — это сброс давления с выводами наверху металлической банки. Положительный и отрицательный выводы на призматической ячейке — это выступы из ячейки. В многоэлементных аккумуляторных батареях с ограниченным пространством рекомендуется использовать призматические элементы, поскольку их прямоугольная форма приводит к минимальным зазорам между элементами.
Литий-полимерные элементы, иногда называемые «ламинатными», доступны в специальных посадочных местах. Они могут быть очень тонкими или громоздкими в зависимости от требуемого формата. Основным преимуществом литий-полимерных батарей является широкий диапазон доступных форм-факторов. Эти типы ячеек заключены в негибкие пакеты из ламината и алюминиевой фольги, которые имеют толщину всего 0,1 мм по сравнению с толщиной 0,25–0,40 мм у алюминиевых или стальных банок, используемых для заключения цилиндрических или призматических ячеек.
Крупные производители смартфонов и других портативных устройств отдают предпочтение литий-полимерным элементам, поскольку они занимают более гибкую позицию. За последнее десятилетие многие персональные компьютеры перешли от цилиндрических к литий-полимерным элементам, что открывает путь к более тонким и легким ноутбукам и планшетам.
Тенденции химической составляющей ячеек
В случае литий-ионных элементов химический состав, лежащий в их основе, определяет рабочие характеристики элементов. За последнее десятилетие было введено множество химических составов аккумуляторных ячеек, и каждая из этих формул выявила четкие тенденции. Наиболее распространенными химическими составами элементов являются оксид
лития-кобальта (LCO), литий-никель-кобальт-оксид алюминия (NCA), литий-никель-марганцевый оксид-кобальт (NMC) и фосфат лития-железа (LFP).
Десять лет назад LCO был самым распространенным химическим веществом для цилиндрических и призматических ячеек. Тем не менее, NMC вышла вперед с лучшими рабочими характеристиками из всех химических составов ячеек. Она также более экономична, поскольку в ней используется меньше кобальта, а его запасы ограничены и он стоит дорого.
Никель и марганец усиливают характеристики друг друга, а вариации основной формулы приводят к более совершенным элементам с большей мощностью. По оценкам отраслевых аналитиков, к 2025 году на NMC будет приходиться 20% всех литий-ионных аккумуляторных элементов на рынке. Кроме того, производители электромобилей отдают предпочтение NMC. Ведущие производители ячеек NMC включают BYD, LG, Murata, Panasonic / Sanyo и Samsung.
Химический состав LFP также предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким импедансом, поскольку в нем используется фосфатный материал для катода. Ключевые преимущества — высокая сила тока и исключительный срок службы, хорошая термическая стабильность и превосходная безопасность в неблагоприятных условиях.
Эти типы элементов имеют более безопасный катодный материал, чем батареи NMC, и не разлагаются при более высоких температурах. Литий-ионные элементы обычно содержат легковоспламеняющиеся вещества; если они повреждены или перезаряжены, они могут неконтролируемо перегреться при тепловом разгоне. Перегрев может привести к задымлению, пожару или даже взрывам.
Аккумуляторы LFP обеспечивают лучшую термическую и химическую стабильность. Кроме того, поскольку LFP имеет меньшую удельную энергию (как по объему, так и по весу) и более высокую стоимость ватт-часа, чем батареи LCO, NCA, NMC или LFP, он идеально подходит для приложений, требующих высокой мощности и длительного срока службы, или повышенные рабочие температуры. Традиционно LCO / NCA / NMC и LFP практически не пересекались в их конкретных приложениях. Ведущие производители ячеек LFP включают BAK, BYD, CALB и CATL.
Батарейные элементы NMC вытесняют ячейки LFP в некоторых приложениях из-за увеличения номинальной мощности, высокой плотности энергии и
более низкой стоимости ватт-часа.
Они также начинают заменять элементы LFP в мощных системах, таких как электроинструменты, аккумуляторы для погрузочно-разгрузочного оборудования и трансмиссии для электрических автобусов.
Для каждого химического состава ячейки существует сегментация внутри каждой категории, поскольку производители аккумуляторов продвигают свою продукцию в сегменты рынка с большой емкостью или большой мощностью. Мы начинаем видеть большее совпадение между мощными NMC и высокоэнергетическими ячейками LFP. Во многих случаях уже не существует явно превосходного химического состава ячеек для определенного набора требований к производительности.
Green Cubes Technology производит аккумуляторные батареи для многих промышленных применений, и компания обычно использует элементы NMC или LFP. Разрыв в производительности между NMC и LFP сокращается.
Тенденции формата ячеек
Для обзора: литий-ионные элементы, упакованные в металлические корпуса, бывают двух форм — цилиндрической и призматической.
Цилиндрические элементы бывают разных форматов, но традиционно самым популярным форматом для аккумуляторных элементов LCO, NCA и NMC был 18650. И когда Panasonic в партнерстве с Tesla создала новую батарею для электромобилей, они разработали уникальный формат ячеек 21700.
Увеличение размеров ячейки 18650 на несколько миллиметров (рисунок ниже) приводит к увеличению объема активного материала батареи на 50%. Этот размер ячеек в настоящее время поддерживается большинством ведущих производителей ячеек NMC. В результате 18650 и 21700 являются двумя наиболее распространенными форматами для химии NMC. Если вы выберете элемент 18650 или 21700 для создания аккумуляторной батареи NMC, то с учетом стандартизации можно будет найти альтернативный элемент с аналогичной производительностью.
По данным отраслевых аналитиков, в 2020 году было отгружено более 2 миллиардов ячеек формата 21700, что на 25% больше, чем в предыдущем году. По другим оценкам, на эти типы элементов также приходилось 24% всех цилиндрических батарей, поставленных в 2020 году.
Ячейка 26650 обычно не сочетается с химическим составом NMC. Меньшие призматические форматы NMC, такие как 103450 (10 × 34 × 50 мм), в последние годы потеряли позиции на рынке, поскольку литий-полимерные элементы стали более популярными.
Для ячеек LFP распространены форматы 18650 и 26650; оба обычно предлагаются ведущими производителями ячеек LFP (рисунок ниже). Это позволяет использовать два источника от конкурирующих производителей ячеек при выборе ячеек LFP для аккумуляторной батареи. Формат 26650 в значительной степени ограничен химическим составом клеток LFP. Большие призматические ячейки LFP в диапазоне от 50 до 100 Ач приобрели популярность за последние несколько лет.
Призматические форматы LFP большего размера обычно используются в электромобилях или промышленном оборудовании, таком как вилочные погрузчики (рисунок ниже). Эти батареи классифицируются как средне- и крупноформатные и требуют очень высокой мощности. К сожалению, стандарты для крупноформатных призматических ячеек LFP отсутствуют, поэтому любая ячейка, выбранная для аккумуляторной батареи, будет поставляться из одного источника от определенного производителя.
Вывод
При разработке мобильного или портативного устройства, в котором для питания используются литий-ионные батареи, важно помнить о различных форматах и химическом составе ячеек, представленных на рынке. Выбор элемента питания является наиболее важным решением на ранней стадии проектирования не только аккумуляторной батареи, но и конечного устройства. Выбор формата литий-ионного аккумулятора и его химического состава с учетом динамики рынка может помочь гарантировать длительный жизненный цикл элемента и предоставить план повышения производительности и затрат на протяжении всего срока службы вашего устройства.
Как создают аккумуляторные батареи / Хабр
Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.
Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки.
Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.
Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод).
Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
Li-po и технологии
Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.
Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.
Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.
Li-po vs Li-ion
Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки.
С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.
Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития.
В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае.
На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли.
Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
Другие химические элементы
Составляющие стоимости Li-ion батареи.
Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов.
Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.
Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.
Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.
Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.
В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.
Строение Li-po батареи
Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).
Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала.
Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.
Процесс производства батареи
Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.
Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.
Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.
В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.
Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/
Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки.
Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.
* * *
В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
Что внутри литий-ионной батареи?
Литий-ионные аккумуляторы сегодня повсюду. Они в вашем телефоне, вашем компьютере и, возможно, даже в вашей машине или доме на колесах. Но что такое – – литий-ионный аккумулятор? Кроме того, что такое внутри литий-ионной батареи, которая позволяет им питать вашу электронику? Давайте взглянем!
Что такое литий-ионный аккумулятор?
Литий-ионные батареи используют ионы лития для создания электрического потенциала между положительной и отрицательной сторонами батареи. Тонкий слой изоляционного материала, называемый «сепаратором», расположен между двумя сторонами батареи и позволяет ионам лития проходить, блокируя электроны.
Пока батарея заряжается, ионы лития проходят через сепаратор с положительной стороны на отрицательную. Пока аккумулятор разряжается, ионы движутся в противоположном направлении.
Движение ионов лития вызывает разность электрических потенциалов, называемую «напряжением». Когда вы подключаете свои электронные устройства к батарее, электроны (не литий-ионы) проходят через ваше устройство и питают его.
Литий-ионный аккумулятор по сравнению с. Литий-ионный элемент
Несколько литий-ионных элементов, соединенных внутри, образуют литий-ионный аккумулятор. Думайте о литий-ионных элементах как о строительных блоках, из которых состоит полноценная батарея.
Напряжение литий-ионного элемента зависит от конкретного типа химического состава. Номинальное выходное напряжение одного литий-железо-фосфатного элемента (тип, используемый в батареях Battle Born) находится в диапазоне от 3,2 до 3,8 вольт. Однако стандартные напряжения для многих литий-ионных аккумуляторов составляют 12, 24 и 48 вольт.
При последовательном соединении элементов их напряжения суммируются. Например, при последовательном соединении четырех элементов получится 12-вольтовая батарея. При последовательном соединении восьми элементов получится 24-вольтовая батарея и так далее.
Литий-ионные элементы также можно подключать параллельно. Когда вы соединяете элементы батареи (и батареи) параллельно, их емкости складываются. Это означает, что два элемента, подключенных параллельно, прослужат примерно в два раза дольше, чем одиночный элемент.
Что внутри литий-ионной батареи?
Внутри литиевая батарея содержит несколько литий-ионных элементов (соединенных последовательно и параллельно), провода, соединяющие элементы, и систему управления батареями, также известную как BMS.
Система управления батареями отслеживает состояние и температуру батареи. В верхней части каждой зарядки BMS также уравновешивает энергию во всех элементах и помогает обеспечить максимальный срок службы и производительность литий-ионного аккумулятора.
Что внутри литий-ионного элемента
Внутренняя часть отдельного литий-ионного элемента относительно проста. Есть четыре основных компонента: анод, катод, электролит и сепаратор.
Электроды: анод и катод
Отрицательный электрод в ячейке называется анодом. Положительная сторона называется катодом. Во время зарядки ионы лития перемещаются от катода через сепаратор к аноду. Во время разряда происходит обратное течение.
Наиболее популярным материалом для анода является графит. Обычными материалами для катода являются оксид лития-кобальта, фосфат лития-железа и оксид лития-марганца. Эти разные химические вещества обеспечивают разные преимущества и напряжения.
Что такое электролит для литий-ионных аккумуляторов?
Роль электролита внутри литий-ионной батареи заключается в том, чтобы способствовать переносу положительных ионов лития между анодом и катодом. Наиболее распространенным электролитом внутри литий-ионного аккумулятора является литиевая соль.
Что такое сепаратор?
Между анодом и катодом находится сепаратор. Сепаратор представляет собой тонкий лист материала, который пропускает ионы лития, но не проводит электричество. Он предотвращает электрическое замыкание анода и катода и заставляет электроны проходить через ваше электронное устройство, обеспечивая его питанием.
Сепаратор также играет важную роль в обеспечении безопасности. Если сепаратор становится слишком горячим, поры закрываются и препятствуют прохождению ионов лития. Прекращение переноса ионов отключает аккумуляторную ячейку, что может помочь предотвратить повреждение батареи или возгорание.
Как улучшить литий-ионные батареи
Легко увидеть, как литий-ионные батареи изменили наш мир, поскольку они используются повсеместно. Они служат намного дольше и сохраняют больше энергии, чем любой предыдущий тип батарей. Однако это не означает, что производители не могут улучшать эти аккумуляторы.
Здесь, в Dragonfly Energy, мы собираем литий-ионные аккумуляторы высочайшего качества с использованием обычных элементов.
Хотя эта современная технология меняет мир хранения энергии, мы не остановились на достигнутом. Мы активно работаем над следующим поколением литий-ионных технологий.
От работы над твердотельными батареями, которые служат дольше и содержат больше энергии, до революции в производственном процессе, наша команда исследователей и разработчиков смотрит в будущее хранения энергии.
Вы можете узнать больше о наших исследованиях на нашей странице технологии Dragonfly.
Простота снаружи, сложность внутри!
Литий-ионный аккумулятор снаружи выглядит довольно просто, но начав копаться, вы обнаружите множество различных компонентов. В конечном счете, ионно-литиевое накопление энергии — это химический процесс, основанный на одноименном ионно-литиевом аккумуляторе!
4 основных компонента литий-ионного аккумулятора — Блог
Тележка
- Нет товаров в корзине!
- Дом
- Блог
- 4 основных компонента литий-ионной батареи
Определение широкое, поскольку ионы, которые работают в электролите, являются «литием», его можно назвать «литий-ионным аккумулятором».
Каков принцип работы «литий-ионной батареи» и какие общие материалы внутри?
Ниже будут обсуждаться основанные на текущем применении материалов на рынке.
Принцип работы литий-ионного аккумулятора
Оглядываясь назад на разработку и применение литий-ионных аккумуляторов за последние 40 лет, от носимых устройств до электромобилей, от базовых станций связи до космических станций, все виды лития -ионные аккумуляторы разных размеров и веса связаны с нашей жизнью. Литий-ионный аккумулятор — это эпохальное изобретение, и его появление быстро способствует развитию цивилизации и технологий. А как получается «электричество» за счет внутренней реакции литий-ионных аккумуляторов?
Принцип работы литий-ионных аккумуляторов можно объяснить с точки зрения состояния заряда и состояния разрядки. Как следует из названия, литий-ионные батареи используют перенос ионов «лития» для замыкания цепи заряда/разряда.
В заряженном состоянии:
Для накопления энергии ионы лития будут высвобождаться из положительного электрода, содержащего литий.
В это время ионы лития используют электролит в качестве среды передачи для диффузии и прохождения через сепаратор, а затем внедряются в материал отрицательного электрода, который может принимать ионы лития.
*Рисунок 1: Принцип работы литий-ионного аккумулятора: Состояние заряда.
В состоянии разрядки:
Ионы лития высвобождаются из отрицательного электрода и используют электролит в качестве передающей среды для диффузии и прохождения через сепаратор, а затем возвращаются к положительному электроду.
*Рисунок 2: Принцип работы литий-ионного аккумулятора: Состояние разрядки.
Таким образом, мы можем руководствоваться действиями зарядки/разрядки в течение ограниченного срока службы различных типов устройств с литий-ионными батареями.
Дальнейшее чтение: будущая тенденция развития рынка литий-ионных аккумуляторов.
Содержит ли электролит литий, за исключением положительного электрода?
Четыре основных компонента литий-ионной батареи: катод, анод, сепаратор и электролит соответственно.
Материалы и характеристики каждого компонента, широко используемого на рынке, резюмируются следующим образом:
В качестве токосъемника обычно используется проводящая алюминиевая фольга, а затем покрывается оксид металла, содержащий «литий». с растворителем, связующим, проводящим агентом и добавить немного проводящего материала. Срок службы литий-ионных аккумуляторов тесно связан с материалом, из которого изготовлен положительный электрод. Исследования показали, что если в качестве основного материала положительного электрода используется фосфат лития-железа, срок службы батареи оценивается в 30 000 раз; Если вы решите использовать тройную систему (Ni-Mn-Co NMC/Ni-Mn-Al NCA), всего несколько тысяч раз. Есть много потенциалов развития и возможностей для процесса положительного электрода. Например, введение добавок, которые могут повысить безопасность батареи, в процесс положительного электрода. Это одно из направлений будущего развития индустрии литий-ионных аккумуляторов.
Дополнительная литература: Зачем использовать присадки для литий-ионных аккумуляторов?
Анод:В качестве преимуществ стабильной стоимости и высокой безопасности до 90% литий-ионных аккумуляторов на рынке используют графит в качестве материала анода. На рынке литий-ионных аккумуляторов (таких как смартфоны, Tesla, Gogoro и т. д.), постепенно следуя тенденции развития высокой емкости, многие исследовательские группы вложили средства в разработку анодных материалов на основе кремния на основе кремния или оксида кремния, чтобы для повышения плотности энергии батареи.
Сепаратор: Микропористая пленка из полипропилена (ПП)/полиэтилена (ПЭ) и других пластиков, помещаемая между положительной и отрицательной пластинами для блокировки положительного и отрицательного электродов во избежание саморазряда батареи и короткого замыкания. Проблема между двумя полюсами. Сепаратор наполнен плотными микропорами, чтобы ионы лития могли проходить через него, позволяя аккумулятору формировать полную цепь зарядки и разрядки.
В качестве среды для переноса ионов лития между положительным и отрицательным электродами общие основные компоненты электролитов литий-ионных аккумуляторов, включая EC, DMC, PC и т. д., играют чрезвычайно важную роль в производительности литий-ионные аккумуляторы. Если вы хотите улучшить срок службы батареи, безопасность и характеристики литий-ионной передачи, вы можете начать улучшать состав электролита и добавки к электролиту. Правильный электролит для литий-ионных аккумуляторов может максимизировать производительность литий-ионных аккумуляторов.
Почему стоит выбрать HOPAX
С 2008 года HOPAX, следуя рыночной тенденции «высокой емкости», успешно разработала серию добавок и электролитов для литий-ионных аккумуляторов. Компания получила ряд патентов на изобретения и особенно известна своими составы электролитов с высоким содержанием никеля и составы кремний-кислородных электролитов. HOPAX также предоставляет индивидуальные услуги, которые могут корректировать и оптимизировать формулы в соответствии с атрибутами продукта клиента, характеристиками материала и сценариями применения.
