Характеристики литий ионных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы: характеристики, принцип работы и применение

Что такое литий-ионные аккумуляторы. Как они работают. Какие типы литий-ионных батарей существуют. Чем отличаются от свинцово-кислотных аккумуляторов. Где применяются литий-ионные батареи. Насколько они безопасны.

Что представляют собой литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы — это современный тип перезаряжаемых батарей, которые широко используются в портативной электронике и электротранспорте. Их ключевые особенности:

• Высокая энергетическая плотность
• Малый вес
• Отсутствие эффекта памяти
• Низкий саморазряд
• Большое количество циклов заряда-разряда

Впервые литий-ионные аккумуляторы были представлены в начале 1990-х годов и быстро завоевали популярность благодаря своим преимуществам.

Как работают литий-ионные аккумуляторы?

Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на перемещении ионов лития между катодом и анодом:

1. При зарядке ионы лития движутся от катода к аноду
2. При разрядке ионы лития движутся обратно от анода к катоду
3. Электроны при этом перемещаются по внешней цепи, создавая электрический ток

В качестве катода обычно используются оксиды металлов (кобальта, марганца, никеля), а в качестве анода — графит. Электролитом служит литиевая соль в органическом растворителе.

Какие бывают типы литий-ионных аккумуляторов?

Основные типы литий-ионных аккумуляторов различаются материалом катода:

• Литий-кобальтовые (LiCoO2) — высокая удельная энергия, но дорогие
• Литий-марганцевые (LiMn2O4) — безопасные, быстрая зарядка
• Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) — долговечные, недорогие
• Литий-никель-марганец-кобальтовые (NMC) — баланс характеристик

Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбор зависит от конкретного применения.

Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы от свинцово-кислотных?

Основные отличия литий-ионных аккумуляторов от свинцово-кислотных:

• Меньший вес и размеры при той же емкости
• Более высокое напряжение (3.6-3.7 В против 2 В)
• Отсутствие эффекта памяти
• Больший срок службы (до 1000-2000 циклов)
• Более высокая стоимость

Однако свинцово-кислотные аккумуляторы по-прежнему широко применяются там, где важна низкая цена, например, в автомобилях.

Где применяются литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы нашли применение во многих областях:

• Мобильные телефоны и смартфоны
• Ноутбуки и планшеты
• Цифровые фотоаппараты и видеокамеры
• Электромобили и гибридные автомобили
• Электровелосипеды и электросамокаты
• Портативные медицинские устройства
• Бытовая электроника

С развитием технологий сфера применения литий-ионных аккумуляторов постоянно расширяется.

Насколько безопасны литий-ионные аккумуляторы?

При правильном использовании литий-ионные аккумуляторы достаточно безопасны. Однако существуют определенные риски:

• Перегрев и возгорание при повреждении или неправильной эксплуатации
• Взрывоопасность при внутреннем коротком замыкании
• Выделение токсичных веществ при разрушении

Для обеспечения безопасности в литий-ионные аккумуляторы встраивают защитные механизмы:

• Защитные электронные схемы
• Предохранительные клапаны
• Термочувствительные сепараторы

При соблюдении правил эксплуатации риски минимальны. Однако необходимо избегать механических повреждений и перегрева аккумуляторов.

Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы?

Для продления срока службы литий-ионных аккумуляторов рекомендуется:

• Не допускать полного разряда
• Избегать перезаряда (выше 4.2 В на элемент)
• Заряжать при комнатной температуре
• Использовать оригинальные зарядные устройства
• Не оставлять надолго полностью заряженным

Оптимальный уровень заряда для хранения — 40-60%. Это позволит замедлить процессы старения аккумулятора.

Каковы перспективы развития литий-ионных аккумуляторов?

Основные направления совершенствования литий-ионных аккумуляторов:

• Повышение удельной энергоемкости
• Увеличение срока службы
• Снижение стоимости производства
• Улучшение безопасности
• Сокращение времени зарядки

Перспективными считаются твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые могут обеспечить более высокую плотность энергии и безопасность.

Как утилизировать литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы содержат ценные материалы и не должны выбрасываться вместе с бытовыми отходами. Правильная утилизация включает:

• Сдачу в специализированные пункты приема
• Отправку производителю на переработку
• Утилизацию через магазины электроники

При переработке из аккумуляторов извлекают литий, кобальт и другие ценные металлы, которые можно повторно использовать в производстве новых батарей.

Особенности литий ионных аккумуляторов Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

Li-Ion аккумуляторы успешно используются в различных портативных устройствах. Востребованы они и при оснащении электроприводом транспортных средств. Аккумуляторные батареи этой группы не терпят превышения напряжения при заряде. Поэтому в целях безопасности они используются совместно с системой контроля и управления – BMS. Такие системы используются для ограничения тока заряда на границе 95% и степени разряда на значении 15–20%. Это важно для продления срока эксплуатации источников питания, поскольку при глубоком разряде литиевая АКБ теряет способность заряжаться.

Особенности литий ионных аккумуляторов зависят от содержащегося в них материала катода. По этому критерию семейство Li-Ion батарей подразделяется на 3 основных класса:

1. LiCoO2 – имеют высокую удельную энергию, выдерживают средние нагрузки и отличаются небольшим сроком эксплуатации.
2. LiMn2O4 – выдерживают высокие токи заряда и разряда, но служат относительно недолго и имеют большую удельную энергию.
3. LiFePO4 – обладают увеличенным сроком службы, и низкую скорость саморазряда.

В таблице приведены характеристики и особенности литиевых аккумуляторов, с указанием усредненных значений параметров.

Тип Li-Ion батареи	Удельная плотность энергии, Втч/кг	Количество циклов разряда-заряда (до 80% разряда)	Время быстрой зарядки, ч	Номинальное напряжение в элементе, В	Напряжение отсечки при зарядке, В/эл., 1С	Напряжение отсечки при разряде, В/эл., 1С
LiCoO2	150–190	500–1000	2–4	3,6	4,2	2,7–3
LiMn2O4	100–135	500–1000	<1	3,7	4,2	2,7–3
LiFePO4	90–120	1000–2000	<1	3,2	3,6	2,5

Особенности Li-Ion аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют:

• низкую терпимость к перезарядке и глубокому разряду;
• малое значение саморазряда – при комнатной температуре меньше 10% в месяц, обычно в 1-й месяц 46%, затем меньше;
• незначительную потерю емкости за год – 5–10%;
• температуру зарядки – от 0 до +45 С;
• температуру разрядки (эксплуатации) от -20 до +60 °С;
• рабочее напряжение – от 2,8 до 4,2 В;
• требование к наличию защитного контура – у большинства Li-Ion аккумуляторов (кроме LiFePO4) нижняя граница 2,8 и верхняя 4,2 В.

Особенности зарядки литий ионных аккумуляторов

Основные особенности зарядки Li-ion аккумуляторов заключаются в следующем:

1. Такие АКБ необходимо заряжать в комбинированном режиме CC/CV. Вначале – при стабильном токе (значением от 0,2С до 1С) до напряжения, зависящего от производителя батареи (обычно 4,2 В). Дальнейшая зарядка осуществляется при стабильном значении напряжения.
2. Зарядка Li-Ion аккумуляторов током 1С длится 1,5 часа, а после достижения напряжения отсечки происходит плавное снижение зарядного тока примерно до 3% от начального значения.
3. Нельзя заряжать литиевые АКБ при морозе.

Хранить Li-Ion батареи рекомендуется с уровнем заряда 40 75%, при температуре около 5 С. Хранение в прохладном месте (но не ниже 0 °С) значительно уменьшает саморазряд. Длительность хранения таких устройств колеблется от 2 до 5 лет. Стоит учесть, что литиевые АКБ подвержены старению – даже если они не эксплуатируются, а просто хранятся на полке, со временем их свойства ухудшаются.

Подробнее о том, как работают литий-ионные аккумуляторные батареи, читайте здесь.

Li-ion

14.12.2021

Какой аккумулятор лучше, литиевый или свинцовый

Свинцовые и литиевые аккумуляторы включают в себя несколько подвидов. Каждый из них отличается от аналогов технологией производства и техническими характеристиками. В этой статье рассмотрим основные типы АКБ их особенности…

22.10.2020

Лучшие литий-ионные аккумуляторы

Чтобы определить лучшие литиевые аккумуляторы, нужно сравнить их по основным параметрам: емкости, напряжению, величине разрядных токов, химическому составу, диапазону рабочих температур…

15.10.2020

Разница литий ионного и литий полимерного аккумулятора

Из материалов статьи вы узнаете, в чем состоят основные отличия литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, а также ознакомитесь с преимуществами и недостатками двух типов современных источников питания.

..

04.09.2020

Основные свойства литий-ионных аккумуляторов

По соотношению емкости, веса, мощности и остальных характеристик Li-ion аккумуляторы не имеют равных. Их ресурс составляет более 1000 циклов, а у элементов с типом химии LiFePO4 –свыше 2000, до снижения исходного значения номинальной емкост..

10.08.2020

Как измерить емкость аккумулятора 18650?

Бывают случаи, когда производитель указал мощность аккумулятора по номиналу в одном размере, а по факту оказывается, что величина завышена. Если вы хотите определить, емкость аккумулятора 18650 по маркировке совпадает или не совпадает с реа..

05.08.2020

Выбор платы BMS

BMS расшифровывается как battery management system — в переводе “система управления батареи”. Без этого устройства практически нельзя обойтись в эксплуатации литиевых аккумуляторов, так как оно защищает батарею и продлевает её срок службы. В этой ста..

03.08.2020

Плюсы и минусы Li-ion аккумуляторов

Среди современных литиевых источников питания Li-ion — пожалуй, распространеннее всех за счет их универсальности, небольшого веса, несущественного процента саморазряда  и неприхотливости в обслуживании…

20.07.2020

Что лучше – LiFePO4 или Li-ion аккумулятор?

Сравнение литиевых аккумуляторов поможет разобраться в разнице между ними, сопоставить характеристики, оценить плюсы и минусы. В этой статье мы возьмем два основных современных типа АКБ и выясним, какой лучше — Li-ion или LiFePO4…

15.07.2020

Пожароопасность литиевых аккумуляторов

Эта статья будет посвящена не преимуществам литиевых АКБ, а их существенному слабому месту — пожароопасности. Проблему риска возгорания невозможно недооценить, потому что оно подвергает опасности не только само устройство, внутри которого находится б. .

08.07.2020

Обзор LI-ION аккумуляторов: популярные модели 18650

Чем отличаются между собой Li-ion аккумуляторы типоразмера 18650 разных популярных производителей? Для какой цели подойдут те или иные конкретные модели? В этой статье мы рассмотрим аккумуляторы известных брендов…

15.05.2020

Самодельное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Все аккумуляторы, в отличие от батареек, используются в циклическом режиме – отдают накопленную энергию приборам, а затем восполняют ее в процессе подзарядки от электросети. Поэтому при покупке Li-ion аккумуляторов необходимо приобрести подходящее дл..

11.04.2020

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы. Преимущества, недостатки, использование.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы (используемые аббревиатуры Li-NMC, LNMC, NMC или NCM), состоят из оксидов лития, никеля, марганца и кобальта, и имеют следующую химическую формулу: LiNixMnyCozO2. Наиболее распространённые модели ак..

22.03.2020

Аккумуляторы 32650 | Какой лучше выбрать?

Статья о нюансах выбора Li-ion аккумуляторов размера 32650, технических характеристиках и сферах применения таких элементов питания…

19.03.2020

Аккумуляторы 3.7 вольт | Какой лучше выбрать?

Материал о литий-ионных аккумуляторах напряжением 3,7 В. Размеры, технические характеристики и особенности зарядки Li-ion аккумуляторов 3,7 V…

25.02.2020

Обзор АКБ для гироскутера

Статья об особенностях выбора АКБ для гироскутера. Сравниваем, какая аккумуляторная батарея для гироскутера лучше. Простой способ, как проверить аккумулятор…

21.02.2020

Обслуживание АКБ погрузчиков

Статья о правильном обслуживании тяговых аккумуляторных батарей погрузчиков и других видов складской техники. Правила эксплуатации и особенности замены АКБ на погрузчике…

06.01.2020

Как правильно хранить аккумулятор зимой

Статья о том, как правильно хранить аккумуляторы от персонального электротранспорта зимой. Правила хранения литиевых АКБ…

21.11.2019

Энергоемкость Li-ion можно увеличить почти в 1,5 раза

Статья об энергоемкости литий-ионных аккумуляторов и возможности ее увеличения в 1,5 раза. Кратко о новаторских идеях в производстве Li-ion батарей…

19.11.2019

Причина поломок литиевых батарей

В статье рассмотрены причины деградации литий-ионных аккумуляторов, особенности их строения и меры, позволяющие продлить срок службы таких элементов питания…

Часть 1: Что такое литий-ионные аккумуляторы? Эксперт описывает их механизм и характеристики.

От смартфонов и ноутбуков до велосипедов и автомобилей, различные инструменты, которые мы используем ежедневно, работают на электричестве в качестве энергии. Для повышения удобства использования таких инструментов большое значение имеет повышение производительности аккумуляторов.

В этом контексте в последние годы внимание привлекают литий-ионные аккумуляторы. Под руководством Рёдзи Канно, профессора Токийского технологического института, который более 30 лет занимается улучшением характеристик аккумуляторов, в этой серии статей рассматриваются литий-ионные аккумуляторы, от того, что они собой представляют, до статуса исследований. в твердотельные батареи, называемые литий-ионными батареями следующего поколения. Это пятисерийный сериал. В части 1 обсуждаются характеристики литий-ионных аккумуляторов, как они вырабатывают электричество и чем они отличаются от свинцово-кислотных аккумуляторов.

Супервайзер: Рёдзи Канно
Профессор института (почетный профессор), Институт инновационных исследований, Токийский технологический институт

В 1980 году он получил степень магистра неорганической и физической химии в Высшей школе наук Осакского университета. В 1985 году он стал доктором наук. После работы адъюнкт-профессором на факультете естественных наук Университета Кобе в 2001 году он стал профессором Междисциплинарной высшей школы науки и техники Токийского технологического института. В 2016 году он стал профессором Школы Токийского технологического института. Материалы и химическая технология. В 2018 году он стал профессором Института инновационных исследований Токийского технологического института и руководителем подразделения полностью твердотельных аккумуляторов. В 2021 году он стал профессором Института инновационных исследований Токийского технологического института и директором Исследовательского центра твердотельных аккумуляторов.

ИНДЕКС

1. Что такое литий-ионные аккумуляторы?

2. Как литий-ионные батареи производят электричество?

3. Существуют ли разные типы литий-ионных аккумуляторов?

4. В чем разница между свинцово-кислотными батареями и литий-ионными батареями?

5. В каких областях используются литий-ионные аккумуляторы?

6. Насколько безопасны литий-ионные аккумуляторы?

1. Что такое литий-ионные аккумуляторы?

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторыЛаминированные литий-ионные аккумуляторы Литий-ионные аккумуляторы

— это перезаряжаемые аккумуляторы, встроенные в смартфоны и ноутбуки, которыми мы пользуемся каждый день. Прототип батареи был изобретен примерно в конце 18 века, и с тех пор батареи развивались более 200 лет. Литий-ионные аккумуляторы — один из новейших типов аккумуляторов, созданных в ходе этой эволюции.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов

Аккумуляторы делятся на первичные аккумуляторы, которые можно использовать только один раз, например сухие аккумуляторы, и вторичные аккумуляторы, которые можно перезаряжать и использовать много раз. Литий-ионные батареи представляют собой перезаряжаемые вторичные батареи. По сравнению с другими типами батарей их можно сделать меньше и легче, кроме того, они могут хранить большое количество электроэнергии.

2. Как литий-ионные батареи производят электричество?

Помимо литий-ионных аккумуляторов существуют различные типы аккумуляторов, но на самом деле основной механизм, с помощью которого они производят электричество, одинаков во всех них.

Аккумуляторы имеют положительный электрод (катод) и отрицательный электрод (анод), изготовленные из металла, между которыми они заполнены веществом (электролитом), проводящим электричество, переносимое ионами. Металлические электроды растворяются электролитом, разделяясь на ионы и электроны. Когда электроны движутся от анода к катоду, генерируется электрический поток (ток), создающий электричество. Во вторичных элементах электроны накапливаются на аноде путем зарядки перед началом использования батареи, а электричество вырабатывается накопленными электронами, движущимися к катоду при использовании батареи.

В литий-ионных батареях

в качестве катода используется металлическое соединение, в которое заранее встроен литий. Углерод, который может хранить этот литий, используется в качестве анода. Эта структура вырабатывает электричество, не растворяя электроды в электролите, как обычные батареи. В дополнение к подавлению износа самой батареи и сохранению большего количества электроэнергии, это также позволяет заряжать и разряжать батарею больше раз. Более того, поскольку литий — это очень маленькое и легкое вещество, он дает различные преимущества, такие как создание меньших по размеру и более легких батарей.

Как литий-ионные батареи генерируют ток

3. Существуют ли разные типы литий-ионных батарей?

Литий-ионные аккумуляторы

можно разделить на несколько типов в зависимости от металла, используемого для катода. Первым металлом, использованным для катода литий-ионных аккумуляторов, был кобальт. Однако кобальт — это редкий металл с низким выходом, как у лития, поэтому стоимость его производства высока. Теперь марганец, никель, железо и т. д. стали использоваться в качестве недорогих материалов, оказывающих незначительное воздействие на окружающую среду. Поскольку каждый используемый материал создает литий-ионный аккумулятор другого типа, давайте рассмотрим характеристики каждого из них по очереди.

Тип литий-ионного аккумулятора	Напряжение	Количество разрядов	Плюсы и минусы
Кобальтовые литий-ионные батареи	3,7 В	от 500 до 1000	Широко используются в качестве стандартных литий-ионных аккумуляторов Не используется в автомобилях из-за высокой стоимости
Марганцевые литий-ионные батареи	3,7 В	от 300 до 700	Высокая безопасность Возможна быстрая зарядка и разрядка
Литий-железо-фосфатные батареи	3,2 В	от 1000 до 2000	Недорогой с длительным сроком службы (износ из-за зарядки/разрядки) и календарным сроком службы (износ из-за неактивного хранения) Более низкое напряжение, чем у других литий-ионных аккумуляторов
Тройные литий-ионные батареи	3,6 В	от 1000 до 2000	Умеренно высокое напряжение и длительный срок службы

Типы и характеристики литий-ионных аккумуляторов

Кобальтовые литий-ионные батареи

Оксид лития-кобальта

используется для катода. Кобальтовые литий-ионные батареи были первыми литий-ионными батареями массового производства, потому что оксид лития-кобальта относительно легко синтезировать и с ним легко обращаться. Однако, поскольку кобальт — редкий и дорогой металл, он редко используется в автомобильных деталях.

Марганцевые литий-ионные батареи

Оксид лития-марганца

используется для катода. Марганцевые литий-ионные батареи могут производить то же напряжение, что и кобальтовые литий-ионные батареи, и имеют то преимущество, что их можно производить по низкой цене. Недостатком является то, что марганец может растворяться в электролите во время зарядки и разрядки, сокращая срок службы батареи.

Литий-железо-фосфатные батареи

В качестве катода используется фосфат лития-железа

. Преимущества литий-железо-фосфатных аккумуляторов заключаются в том, что их структура не разрушается легко, даже когда внутри выделяется тепло, они очень безопасны и их производство дешевле, чем марганцевых литий-ионных аккумуляторов, поскольку в качестве сырья для них используется железо. Однако их напряжение ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов.

Тройные литий-ионные батареи

Чтобы уменьшить количество используемого кобальта, эти батареи изготавливаются из трех материалов: кобальта, никеля и марганца. Сегодня многие батареи этого типа имеют более высокий процент никеля. Хотя их напряжение немного ниже, чем у кобальтовых и марганцевых литий-ионных аккумуляторов, стоимость их производства ниже. Однако по-прежнему существуют проблемы с использованием кобальта, никеля и марганца в качестве практических материалов, такие как сложность синтеза каждого материала и низкая стабильность.

4. В чем разница между свинцово-кислотными батареями и литий-ионными батареями?

Помимо литий-ионных аккумуляторов существуют и другие типы аккумуляторов, которые можно перезаряжать. Среди них свинцово-кислотные аккумуляторы имеют долгую историю использования в течение более 100 лет, и даже сейчас, когда были разработаны новые аккумуляторы, такие как литий-ионные аккумуляторы, они продолжают использоваться в качестве автомобильных аккумуляторов.

Различия между свинцово-кислотными и литий-ионными батареями

В свинцово-кислотных батареях в качестве материала для катода и анода используется свинец, что делает их производство очень дешевым по сравнению с литий-ионными батареями. Однако, поскольку свинец тяжелее других металлов, сами батареи тяжелые. Есть и другие минусы, такие как то, что напряжение можно поднять только до 2 В, да и саморазряд большой.

Почему свинцово-кислотные аккумуляторы все еще используются

Несмотря на это, причины, по которым автомобильные аккумуляторы не заменяются высокопроизводительными вторичными аккумуляторами, такими как литий-ионные аккумуляторы, заключаются в том, что они просто недороги и являются высоконадежными аккумуляторами, основанными на технологии, которая в значительной степени полностью отработана на данный момент. В автомобилях используются преимущества этих характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов, и была создана система их переработки. Попытка заменить их новым типом батареи означала бы необходимость переосмысления всего, начиная с конструкции схемы, и производители не хотят тратить дополнительные деньги, когда свинцово-кислотные батареи в данный момент работают достаточно хорошо.

Однако литий-ионные батареи уже были приняты в качестве вторичных батарей, используемых для привода двигателей в электромобилях и гибридных транспортных средствах. Так что, возможно, в будущем свинцово-кислотные аккумуляторы перестанут использоваться даже в обычных автомобилях.

Сравнение свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов

5. В каких областях используются литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы

, впервые выпущенные в продажу для потребительских товаров в начале 1990-х годов, использовались для того, чтобы сделать видеокамеры меньше и легче. После этого один производитель за другим применяли их для мобильных телефонов, популярность которых в то время росла, что привело к быстрому росту спроса. Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время используются в различных сферах нашей повседневной жизни, включая смартфоны и ноутбуки, а также электромобили и электрические велосипеды.

6. Насколько безопасны литий-ионные аккумуляторы?

Вся идея батарей заключается в том, что они, одним словом, представляют собой консервированную энергию. Литий-ионные батареи, которые хранят энергию с высокой плотностью на единицу объема, требуют большего внимания к безопасности, чем батареи других типов. Более того, поскольку в них используется легковоспламеняющийся органический растворитель, с ними нужно обращаться более осторожно, чем с другими батареями, в которых используется водный раствор.

Важнее всего избегать внутреннего короткого замыкания. Внутреннее короткое замыкание — это состояние, которое возникает, когда сила, приложенная извне, деформирует батарею, в результате чего катод и анод соединяются напрямую. Когда ток концентрируется на этом соединении, температура повышается, а сама батарея воспламеняется, что может привести к крупной аварии. Даже самые мелкие примеси могут вызвать внутреннее короткое замыкание, загрязняя внутреннюю часть батареи. Поэтому очень важно иметь функцию предотвращения несчастных случаев, такую ​​как обеспечение защитной цепи, чтобы в аккумуляторе не протекал чрезмерный ток.

Кроме того, важно контролировать температуру самой батареи, например, с помощью охлаждающего устройства, чтобы температура окружающей среды при использовании батареи не превышала 60°C. Для повышения безопасности были разработаны различные методы, например, использование сепаратора, мембраны, которая отделяет катод от анода, полностью перекрывающего пространство между катодом и анодом, когда температура поднимается выше определенного уровня.

Как поясняется в этой статье, литий-ионные батареи, которые меньше, легче и имеют более высокую производительность, чем обычные аккумуляторные батареи, скорее всего, будут использоваться на протяжении всей нашей жизни. Часть 2 посвящена тому, как на самом деле используются литий-ионные батареи.

• Продолжить чтение:Часть 2. Каковы преимущества литий-ионных аккумуляторов и какие соображения следует учитывать при их зарядке? Узнайте, почему они используются по-разному, от смартфонов до автомобилей.

Сопутствующие товары

Батареи

Связанные статьи

• Часть 5: Как литий-ионные батареи способствуют созданию устойчивого общества? Взгляд на преимущества замены свинцово-кислотных аккумуляторов, методы переработки и возможности на будущее
• Часть 4. Что такое твердотельные батареи? Эксперт объясняет основы, чем они отличаются от обычных батарей, и возможности практического применения.
• Часть 3: Даже Нобелевская премия! История распространения литий-ионных аккумуляторов

Будь в курсе!

Получайте электронные письма от Murata с последними обновлениями на этом сайте.
Информационный бюллетень Murata (электронный информационный бюллетень) запуск

mail_outline

Электрические свойства литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы обладают хорошими эксплуатационными и экологически чистыми характеристиками, поэтому обладают большим потенциалом. Однако литий-ионные аккумуляторы в разной степени стареют во время использования, и этот процесс необратим. Существует множество механизмов старения литиевых аккумуляторов. Чтобы лучше проверить внутренние изменения литиевых батарей по мере их старения, был разработан посмертный анализ. Состояние работоспособности (SOH) литий-ионных аккумуляторов обычно оценивают по двум основным параметрам: потеря емкости и увеличение импеданса. Кроме того, различные виды литий-ионных элементов можно разделить на полные элементы и полуэлементы. Монетные ячейки представляют собой своего рода представленные полуячейки, которые можно исследовать с помощью тестера монетных ячеек, которые проводятся в климатической камере. Элементы-таблетки также могут быть построены из полных элементов для исследования электрических характеристик независимых электродов. Электроды из полных элементов можно было трижды тщательно промыть диэтилкарбонатом (ДЭК), чтобы удалить отложения электролита и соли лития, а затем поместить в специальную область для использования в качестве положительного электрода в качестве плоского элемента.

1. Введение

В связи с быстрым развитием экологически чистых энергетических решений, таких как электромобили (EV) и производство возобновляемой энергии, литий-ионные батареи (LIB) в наши дни вызывают большой интерес. Химия лития предлагает высокий электродный потенциал (-3,04 по сравнению со стандартным водородным электродом), низкую молекулярную массу и малые ионный и атомный радиусы, что обеспечивает быструю диффузию и возможность интеркаляции или интеграции в кристаллическую решетку различных материалов. Это помогло батареям на основе лития превзойти другие вторичные батареи как с точки зрения максимальной мощности и плотности энергии, так и с точки зрения значительного срока службы 9. 0208 [1] . Однако неопределенность, связанная со стоимостью, деградацией и низкой производительностью в экстремальных погодных условиях, замедляет широкомасштабное внедрение литий-ионных аккумуляторов. В частности, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к электромобилям (EV), литий-ионные аккумуляторы должны обладать большой емкостью, стабильными тепловыми свойствами и длительным сроком службы ^{[2] [3] [4] [5]. ] [6] [7]} . Таким образом, детальное понимание поведения и механизмов деградации литий-ионных аккумуляторов становится основным направлением текущих исследований аккумуляторов.

Процесс старения батареи можно контролировать, выполняя циклы заряда и разряда при измерении электрохимических характеристик, например импеданса и емкости 12] ^[13] .

В течение многих лет изучались внутренние физические и химические реакции литий-ионных аккумуляторов ^[14] . По мере изобретения точных и передовых устройств для электрохимического анализа люди стали лучше понимать процессы старения различных материалов и структур, из которых состоят батареи. Для количественной оценки состояния батареи наиболее распространенным индикатором или понятием, используемым в литературе, является состояние работоспособности (SOH). SOH указывает на конкретную производительность и состояние работоспособности батареи в определенный момент по сравнению с исходным состоянием той же батареи ^[15] . Хотя нет четкого определения SOH, для описания SOH можно использовать различные параметры батареи, такие как емкость и импеданс, соответствующие энергии и мощности батареи, соответственно ^[16] . Затем можно активировать диагностику и оценку SOH батареи для определения характеристических параметров батареи. Мониторинг дает меру SOH, которая уменьшается по мере старения батареи. Снижение SOH обычно нельзя отнести к конкретному физическому или химическому механизму, происходящему внутри батареи, а скорее к сложному взаимодействию различных механизмов ^{[7] [17] [18] [19] [20]} .

С развитием междисциплинарного подхода к старению аккумуляторов, в дополнение к традиционному методу, основанному на кривых электрических свойств, анализ после вскрытия вызвал широкий интерес для оценки и/или диагностики SOH аккумуляторов. С помощью этих методов срок службы батареи и SOH можно вывести из изменений морфологии и состава, наблюдаемых в разобранном элементе. Этот подход может обеспечить понимание процессов старения на основе наблюдаемых химических и физических изменений и связать их с изменениями электрических характеристик. В то время как несколько недавних исследований были посвящены методам электрической диагностики, подробное исследование методов патологоанатомического анализа отсутствует ^{[21] [22]} .

2. Анализ напряжения холостого хода (OCV) на основе кривой

Поскольку на напряжение литий-ионных аккумуляторов в основном влияют внутренние электрохимические реакции, а также изменения в различных условиях старения, многие люди пытаются использовать здоровье индикатор (HI) для описания SOH. Таким образом, многие исследования по оценке SOH сосредоточены на соответствующих HI. В общем, две модели конечного напряжения могут быть установлены с помощью OCV и напряжения поляризации, отражающих термодинамические и кинетические аспекты. Для OCV это означает измерение напряжения на клеммах, когда батарея находится в состоянии разомкнутой цепи, пока она не достигнет состояния термодинамического равновесия. Кроме того, поляризация относится к отклонению напряжения на клеммах от OCV. Методы на основе кривой OCV включали две основные части: геометрические характеристики и электрические характеристики. Необходимо использовать OCV для создания литий-ионных аккумуляторов модели 9 напряжения.0208 [21] ^{[23] [24] [25] [26]} . Метод, основанный на геометрических признаках, является распространенным методом диагностики, который можно использовать для обнаружения механизмов старения путем сосредоточения внимания на вариациях OCV для оценки SOH. Существует два основных метода идентификации механизма старения: анализ возрастающей емкости (ICA) и анализ дифференциального напряжения (DVA).

Согласно многим исследованиям, ICA используется для диагностики механизмов старения аккумуляторов 9. Кривая приращения емкости (IC) рассчитывается путем построения кривой напряжения, которая может отражать электрохимический процесс в процессе зарядки . Анализ механизма старения аккумулятора проводится по положению и форме пиков. Например, Ян и др. использовали кривые IC для представления механизмов старения.

Метод DVA также широко применяется для идентификации механизма старения ^{[6] [38] [39]} . Ира и др. обнаружили, что побочные реакции с потреблением литиевой емкости в основном происходили на анодах ^[23] .

Для монетных ячеек тест OCV аналогичен полной ячейке ^[34] . Александр и др. извлечены элементы типа «таблетка» из коммерческих литий-ионных элементов питания ^[39] . Поскольку влияние повторной сборки монетных элементов не было четко исследовано, они разработали метод сравнения различных параметров, таких как промывка электрода или изменение соотношения электролита, которые повлияли на производительность ^{[40] [41] [42] [43] [44]} . Они использовали систему ячеек BaSyTec, чтобы реализовать формирование и циклирование монетных ячеек. Метод циклирования элементов — постоянный ток-постоянное напряжение (CCCV) в разряде и постоянный ток (CC) в процессе разряда.

В другом исследовании той же группы была предпринята попытка связать интересующие характерные особенности (FOI) с эволюцией кривой IC и механизмом старения ^[45] . Результат также доказал, что принцип старения одинаков для полной ячейки и ячейки-таблетки, что связано с оригинальными ячейками и соответствующими ячейками-таблетками, демонстрирующими LLI при комнатной температуре, в то время как тенденция к увеличению потери активных материалов при высоких температурах. Три FOI изучаются для анализа IC в монетных ячейках. Общая тенденция FOI по отдельным механизмам старения также обсуждалась Berecibar et al. ^[46] . Они изучали все кривые по отдельности и рассматривали независимые параметры и комбинации разных параметров. По их результатам проявляются ЛЛИ и ЛАМ в отрицательном и положительном электродах соответственно.

3. Анализ спектра электрохимического импеданса (EIS)

Спектр электрохимического импеданса (EIS) — полезный метод измерения уровня деградации и состояния работоспособности без вскрытия батарей. EIS применяется к разомкнутой цепи, а также к стабильной электрохимической системе поляризации постоянного тока.

Результат EIS обычно описывается графиком Найквиста, который включает мнимую часть (ось y) и действительную часть (ось x) импеданса клеток. Внутренний импеданс ячейки обычно определяется как точка поворота в низкочастотной области EIS в системе управления батареями 9.0208 [13] ^{[47] [48]} . Подгонка графика Найквиста к модели эквивалентной схемы LIB позволяет моделировать динамику батареи ^{[49] [50] [51] [52]} . R _ohm обозначает падение напряжения из-за падения проводимости во время старения, например токосъемника, связующего вещества, электрода и электронных частиц электролита. R _f расшифровывается как R _flim , что означает сопротивление пассивирующей пленки. Процесс переноса заряда и проводимости через пассивирующий слой следует рассматривать как две подсхемы, состоящие из чисто резисторных и чисто емкостных элементов, соединенных параллельно.

Даниэль и др. исследовали амплитудное сопротивление переменного тока, которое было измерено при напряжении 3,72 В. Они обнаружили, что и катод, и анод имеют емкостные хвостовые частоты, которые выше 10 кГц, средние частоты (от 1 кГц до 1 Гц) показывают полукруглую дугу. и диффузионный хвост на низких частотах ниже 1 Гц ^[33] . Согласно их исследованию, хвост в области высоких частот является результатом взаимодействия между анализатором импеданса и электрохимической ячейкой. Депрессия полукруга в среднечастотном диапазоне может быть связана с одновременными электрохимическими реакциями на активных частицах внутри клеток.

Для батарей типа «таблетка» EIS зарекомендовала себя как надежный метод анализа явлений в литий-ионных батареях. Спектроскопия ЭИС, в принципе, позволяет разделить и количественно оценить несколько достижений полного импеданса ячейки, таких как перенос заряда, диффузия и сопротивление электролита на границе твердое тело/электролит. Для разделения влияния от анода и катода соответственно в систему ячеек вводят электрод сравнения (ЭО) и измеряют импеданс между рабочим электродом (РЭ) и РЭ, а также между противоэлектродом (ЭЭ) и РЕ. Обнаружить RE непросто, потому что спектр EIS искажен для конкретной конфигурации трехэлектродной батареи, и полезный анализ данных затруднен ^{[53] [54]} . Две модели были разработаны для моделирования спектров EIS Делакуртом и др., 2D математическая модель и модель эквивалентной схемы кнопочной ячейки на основе метода конечных элементов (МКЭ) ^{[53] [55]} . Большинство симуляций было выполнено с использованием модели FEM, которую легче реализовать. Цель эквивалентной схемы состоит в том, чтобы просто выяснить происхождение эффекта искажения импеданса, сохранив при этом основные характеристики 2D-модели.

4. Методы, основанные на электрохимических параметрах

Электрохимические методы исследования литий-ионных аккумуляторов в основном подразделяются на следующие параметры: скорость интеркаляции литиевого электрода, коэффициент диффузии в твердой или жидкой фазе и изменение сопротивления. в процессе формирования твердоэлектролитных межфазных слоев (МТП) и так далее. ^{[21] [22] [27] [28] [56]} .

Rujian et al. заметил, что побочные реакции и отложения появляются не только на поверхности СЭИ, но и между анодом и сепаратором ^[28] . На основе своих исследований они предложили модель для представления деградации литий-ионных элементов с использованием следующих аспектов: объемная доля доступного активного анода; сопротивление слоев SEI и слоя осаждения; коэффициент диффузии электролита. На эти характерные параметры влияют реальные эксперименты. Они пришли к выводу, что деградация была в основном вызвана отложением побочных реакций на аноде с помощью различных методов, включая SEM, XRD и XPS.

5. Характеристика In Situ Operando

Ухудшение рабочих характеристик батареи вызвано как внешними факторами (такими как температура, нагрузка и метод зарядки-разрядки), так и внутренними факторами (такими как потеря литий-иона, потеря активных материалов). , и разложение электролита). Большинство современных методов оценки SOH рассматривают батареи как черный ящик для эмпирической подгонки, игнорируя фактическое электрохимическое значение параметров. Следовательно, точный алгоритм оценки старения, т. е. характеристика работы на месте, должен основываться на всестороннем понимании внутренних механизмов старения литий-ионных аккумуляторов.

Лайсуо и др. использовали в экспериментах энергодисперсионную рентгеновскую дифракцию (ED-XRD) для мониторинга эволюции кристаллической структуры LiCoO ₂ во время циклирования ^[57] . Проиллюстрирован процесс измерения. Первый цикл заряда-разряда исходного электрода LiCoO ₂ , покрытого поли (3,4-этилендиокситиофеном) (PEDOT), и более низкая интенсивность представлена ​​​​синим цветом, а более высокая интенсивность — красным. Показано, что структурные изменения двух электродов во время циклирования различны, что, в свою очередь, подтверждает, что ED-XRD является мощным методом исследования механического поведения и изменения структуры электродов батареи во время циклирования, и он может лучше объяснить емкость выцветание, вызванное изменением внутренней структуры при циклировании без деструктивных методов.