Аккумулятор li ion разновидности

Литий-ионный аккумулятор — типы и характеристики, принцип работы

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.

Источник

Типы литий-ионных аккумуляторов

Статья обновлена: 2020-12-11

В последнее время можно заметить тенденцию того, как разновидности литиевых аккумуляторов стремительно пополняются новыми экземплярами, а их численность уже переваливает за десяток.

Каждый из представленных на рынке типоразмеров являет собой комбинацию лития и вспомогательных химических элементов, дающих название источникам питания. Основой таких изделий является литий, поэтому они имеют общие технические характеристики, хотя и отличий здесь немало, а зависят они от вспомогательных химических материалов, имеющих различные свойства, непосредственно влияющие на функциональные возможности накопителей.

Li-ion

Из материалов нашей статьи вы узнаете, какие типы современных аккумуляторов Li-ion существуют на рынке электроники, и где они используются чаще всего, но для начала стоит разобраться с устройством и принципом функционирования классических образцов литиевых элементов питания.

Итак, перезаряжаемые литий ионные аккумуляторы – это популярные накопители, в которых при разрядке происходит перемещение ионов лития от отрицательно заряженного электрода к положительному и в обратном направлении в момент их подзарядки.

Данный тип аккумуляторов часто встречается в быту и активно применяется для обеспечения работы портативных электронных устройств, и все благодаря отличной энергетической плотности и отсутствию эффекта памяти.

Li-ion характеризуется медленной разрядкой в режиме ожидания, так как демонстрирует низкий саморазряд. Данная серия аккумуляторов может выпускаться в форме цилиндра или призмы. Высокая плотность энергии в комбинации с малым весом и компактными габаритами, а также длительным функциональным циклом выводит литий-ионные элементы питания в настоящие лидеры.

В качестве примера предлагаем рассмотреть типы литиевых аккумуляторов 18650, которые с каждым днем становятся все более популярными. Они также сопровождаются маркировкой 168А, а по своей форме напоминают привычные пальчиковые АА батарейки, только большего размера.

Проблема быстрой потери номинальной емкости в процессе эксплуатации решается путем встраивания электросхемы, ограничивающей заряд, разряд и нагрузку на элемент. Подобные накопители применяются там, где требуется большая емкость для обеспечения питания мощных приборов. Из таких элементов обычно собирают АКБ для портативной компьютерной техники.

Литий-титановые аккумуляторы являются одной из новейших разработок в категории литий-ионных источников питания. Основное их преимущество заключается в длительном эксплуатационном периоде.

Данные образцы отличаются высокой степенью безопасности и устойчивостью перед негативными факторами. Их энергетическая плотность ниже, нежели у других типов литиевых накопителей, зато скорость зарядки здесь в десятки раз выше.

Такие аккумуляторы чаще всего устанавливают на электрический транспорт, а также ими комплектуют оборудование медицинского назначения.

Максимальная безопасность использования в данном случае объясняется применением особой технологии, основанной на использовании нанокристаллов на аноде. Из недостатков следует отметить сравнительно низкое среднее напряжение, нежели у других аккумуляторов.

Li-Pol

Li-Polymer аккумуляторы характеризуются большей энергетической емкостью, связующим при этом выступает полимер. Такие модели, имеющие форму призмы или цилиндра, демонстрируют стабильную работу в условиях высоких температур, к тому же они поддерживают высокие тока разряда.

К их преимуществам можно отнести широкий спектр размеров ячеек, что позволяет пользователям подбирать аккумулятор необходимой емкости для определенных целей. Чаще всего Li Pol моделями снабжаются всевозможные мобильные устройства, компьютерная техника, цифровое оборудование и прочие девайсы аналогичного назначения.

LiFePO4

Литий фосфатные аккумуляторы отлично зарекомендовали себя там, где наблюдаются высокие токи разрядки, и демонстрируют длительный срок службы, а также характеризуются высокой безопасностью. Поэтому ими комплектуют электротранспорт, строительный электроинструмент, компьютерную технику, источники бесперебойного питания и даже военную технику.

Особо хотелось бы отметить их низкое воздействие на окружающую среду, что очень актуально в настоящее время. По мнению специалистов, за такими батареями будущее, особенно в сегменте питания автономных электронных устройств.

Li-SO2

Такие типы литий ионных батарей имеют цилиндрическую форму и отличаются хорошей энергоемкостью. Они устойчивы к разряду на высокой мощности, поэтому данные элементы активно устанавливают на космическое и военное оборудование. Аккумуляторы на основе литий диоксида серы, снабженные литиевым анодом, имеют среднее напряжение в 2,9 В.

Li-MnO2

Литий-диоксид марганцевые батареи отличаются наличием твердого катода, погруженного в органический электролит, илегкого литиевого анода.

Большая емкость, высокая разрядка и длительный срок эксплуатации – вот основные преимущества данного типа источника питания. Данные элементы чаще всего устанавливают на ИБП, пожарные и охранные сигнализации, медицинское оборудование и цифровую технику.

Li-SOCL2

По аналогии с предыдущими образцами, хлорид тионил литиевые батареи комплектуются литиевым анодом и жидким катодом, включающим в свой состав пористый токосъемник, заполненный SOCl2.

Основная сфера использования данного типа накопителей – автомобилестроение, военная и космическая отрасль. Также их устанавливают на оборудование медицинского назначения, и все благодаря широкому диапазону рабочих температур (-60 — + 150С).Приведем самые распространенные размеры Li-ion аккумуляторов в таблице:

Таблица размеров Li-ion аккумуляторов

Тип

Обозначение

Типоразмеры

Схожие типоразмеры

XX – указание диаметра в мм,

YY – значение длины в мм,

0 – отражает исполнение в виде цилиндра

1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины)

Источник