Литий-ионные аккумуляторы: устройство, принцип работы, виды и применение

Принцип работы любого электрического аккумулятора заключается в накоплении электрической энергии в процессе химической реакции, происходящей при протекании через аккумулятор зарядного электрического тока, и генерации электрической энергии при протекании разрядного тока в процессе обратной химической реакции.

Обратимость химической реакции в аккумуляторе позволяет многократно разряжать и заряжать аккумулятор. В этом и заключается преимущество аккумуляторов перед одноразовыми источниками тока, обычными батарейками, в которых возможен лишь разрядный ток.

В качестве среды для переноса заряда с одного электрода аккумулятора на другой, используется электролит – специальный раствор, благодаря химической реакции которого с материалом на электродах становятся возможными как прямая, так и обратная химические реакции в аккумуляторе, что и делает возможным как заряд аккумулятора, так и его разряд.

Сегодня одним из наиболее перспективных типов аккумуляторов является литий-ионный аккумулятор. В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) выступает алюминий, а в качестве положительного электрода (анода) – медь. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

Полимерные электролиты, способные внедрять в свой состав соли лития, в силу своей пластичности делают возможным изготовление литий-ионных аккумуляторов с большой внутренней поверхностью и почти любой формы, а это значительно повышает как технологичность производства, так и массогабаритные характеристики.

В процессе заряда такого аккумулятора, ионы лития перемещаются через электролит, и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде, образуя соединение графитит лития LiC6. При разряде происходит обратный процесс – от анода ионы лития движутся к катоду (окислителю), а во внешней цепи к катоду движутся электроны, в результате процесс приобретает электрическую нейтральность.

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 вольта, однако разность потенциалов при зарядке может достигать 4,23 вольта. В связи с этим фактом, заряд производится при максимально допустимом напряжении не более 4,2 вольта.

Некоторые соединения лития могут легко возгораться, если напряжение превышено, поэтому в литий-ионные аккумуляторы, традиционно, встраиваются контроллеры уровня заряда, не допускающие превышения критического напряжения. Еще одним способом обеспечения безопасности является встроенный клапан для сбрасывания избыточного давления внутри пакета.

Литий-ионные элементы всегда закрыты воздухонепроницаемой оболочкой, так как воздействие воды и кислорода в атмосфере может быстро повредить компоненты элемента.

В случае перезарядки или другого события, вызывающего повышение давления газа, устройство отключения тока изнутри отключает элемент от внешних подключений.

В призматических ячейках для этой цели часто используется диск, который выталкивается наружу из-за чрезмерного давления газа. К диску прикреплен положительно заряженный язычок, который в такой ситуации разрывает соединение. В цилиндрических звеньях сужение по окружности стенки звена позволяет ему удлиняться, что приводит к разрыву внутреннего соединения.

Ячейка иногда также включает в себя резистивный датчик температуры, сопротивление которого увеличивается с повышением температуры. Этот элемент имеет очень низкое (почти незначительное) сопротивление при комнатной температуре, а выше определенной температуры его сопротивление быстро увеличивается. Такие защиты могут быть встроены в ячейку, чтобы снизить риск термической нестабильности из-за внешних причин.

Литий-ионные аккумуляторы уже заняли свое достойное место на рынке портативной бытовой техники. Это элементы питания сотовых телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, планшетов, плееров, и т.д.

Моя статья на Яндекс Дзен:

Литий-феррофосфат LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. Кобальтат лития LiCoO2, в свою очередь, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения, ведь если из него извлечь литий полностью, то структура станет нестабильной, кобальт перейдет в степень окисления +4 и сможет окислить кислород, а выделяющийся атомарный кислород станет окислять электролит, и произойдет взрыв. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.

Литий-феррофосфат LiFePO4 был предложен в качестве катодного материала аккумуляторов для более мощных устройств в 1997 году Джоном Гуденафом.

Литий-феррофосфат есть в земной коре, и не создаст никаких экологических проблем в будущем. Из него не может выделяться кислород, так как он весь очень прочно связан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона. Однако, для возможности применения этого материала, его нужно было раздробить на мелкие частички, иначе он остался бы изолятором в силу очень малой проводимости. Частички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направления движения ионов лития, затем покрыли нанометровым слоем углерода.

Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.

С точки зрения современной науки, разработка и выпуск даже портативного наноаккумулятора не заставит себя долго ждать, и слово лишь за широким технологическим внедрением разработок. Что касается перспектив электромобилей, то сейчас уже можно считать, что именно они станут основным видом транспорта в городах ближайшего будущего.

Источник

Литий-ионные (Li-ION) аккумуляторы: виды, типоразмеры, сфера применения

На протяжении не одного десятка лет устройствами, которые обеспечивали работу разного рода механизмов и автономных объектов, считались кислотные аккумуляторы.

Несмотря на многие превосходства такие батареи имели и недочеты: в аппаратах с большим потреблением электроэнергии их нельзя было использовать. Также не допускалось использование в закрытых, непроветриваемых помещениях.

Но время не стоит на месте, и на смену старого всегда приходит что-то новое. Так мало-помалу возникли литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Они стали качественнее своих предшественников, а значит, и надежнее.

Имея некоторые дефекты, им присущи минимум негативных качеств. Подробности ниже.

Все (+) и (-) литий-ионных аккумуляторов

В 70-ом году прошлого века о Li-ion АКБ стали известны. Чтобы повысить уровень электроэнергии, в такую батарею устанавливался анод лития.

Благодаря ему эксплуатация изделия увеличивалась, но возникала другая проблема: при перегревании катода могло произойти воспламенение аккумулятора.

Спустя определенный период времени этот дефект был заменен ионами металла, существенно снизив опасность возгорания батареи.

Литий-ионные аккумуляторы и ныне пользуются немалой популярностью у покупателей. Они испытаны временем, число зарядов/разрядов по циклу у них многочисленно.

Обладая слабым «эффектом памяти» и легким весом, аккумуляторы li-Ion обретают свою нужность во многих портативных и автономных устройствах. К примеру, li-ion-ные батарейки для техники быту, источники для тяги электроэнергии с высокой эффективностью.

Присутствуют у литий-ионных батареек и свои изъяны, которые в принципе могут легко компенсироваться умением накапливать энергию, благодаря высокой плотности.

Перечислим некоторые из них:

• относительно дорогие;
• продолжительные разряды губительны для них;
• работают хуже в жару;
• при температурах со знаком «минус»могут сойти на нет («погибнуть»);
• при нарушении герметичности становятся взрывоопасными;
• теряют емкость как при перегреве, так и при использовании на морозе.

Производство литий-ионных аккумуляторов

Принцип изготовления Li-Ion АКБ происходит поэтапно:

• сначала изготавливаются электроды;
• затем они объединяются в батарею;
• далее устанавливается плата и защита;
• потом ставится батарея в корпус;
• заливается электролит;
• тестируется АКБ и отправляется на зарядку.

Для того чтобы изделие стало невероятно высокого качества и не подводило впоследствии своей работы, необходимо строго соблюдать все этапы технологии производства, а также не забывать о мерах предосторожности в процессе работы.

В качестве электрода (-) в li-ION-ном аккумуляторе выступает фольга, поверхность которой покрыта веществом из Li.

В зависимости от того, для каких целей предназначена Li-ионная аккумуляторная батарея, в нее будут входить следующие Li-Ion соединения:

В «пальчиковых(АА)» и «мизинчиковых(ААА)» АКБ катод (-) находится в форме рулона и отделен от анода (+) с помощью сепаратора.

При большой площади отрицательного электрода, покрытого тоненькой пленкой, энергоемкость батареи становится значительно выше.

Как работают и что находится внутри литий-ионных аккумуляторов

Рабочая деятельность аккумулятора Li-ion заключается в следующем:

• электроток подается на контакты АКБ? и катионы лития начинают двигаться в сторону электрода (+);
• когда батарея начинает разряжаться, ионы лития покидают электрод (+) и переходят в диэлектрик на глубину до пятидесяти нанометров.

Количество таких циклов у батареек данного типа может быть до трех тысяч. И в каждом из них аккумуляторная батарейка может спустить почти весь электроток, который был накоплен во время заряда.

Если батарею разрядить практически до конца? это не приведет к окислению пластинок АКБ (что определяет выгодность данного изделия — в отличие батарей с кислотным содержимым).

Интересный факт! Не все литий-ионные аккумуляторы выдерживают продолжительные по времени разрядки. К примеру, для телефонных или фотоаппаратных устройств такое действие не желательно. В них сработает схема «контроллер» и просто заблокирует заряд батареи. И только с помощью специального ЗУ ее возможно потом будет зарядить. Если же, это касается, например, устройства аппарата для лодки, то глубокий разряд на нем никак не отразится.

В отличие от «пальчиковых» АКБ более сложные элементы питания имеют в себе множество отдельных источников электрического тока с последовательным либо параллельным соединением.

Такое соединение будет зависеть от того, какой показатель электричества будет увеличен.

Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные АКБ находят широкое применение в разного рода бытовых устройствах, в электромобилях, планшетах и других видах современных гаджетов.

Также существуют промышленные Li-Ion АКБ, обладающие большой емкостью и высоким напряжением. Ниже в таблице приведем примеры более востребованных на рынке аккумуляторных батарей:

Помимо АКБ в форме цилиндра, существуют и другие формы изделий. К таковым относятся: «Крона» с U=9 Вольт и более мощные промышленные аккумуляторы с U=12 V , U=24 V , U=36 V , U=48 V.

Маркировка на корпусе аккумуляторов гласит об элементах, которые добавлены в данную батарею.

• если стоит ICR, значит, аккумулятор содержит кобальт;
• маркировка IMR означает добавление марганца в состав;
• INR — говорит о никеле с марганцем в АКБ;
• NCR — оповещает о «порции» никеля и кобальта в батарее.

Не только размер и химические добавки отличают друг от друга литий-ионные аккумуляторы, но и емкость с напряжением. Именно они помогают определить для какого электрического прибора изготовлена батарея.

Применение аккумуляторов Li-ION

Литий-ионные элементы питания незаменимы там, где возникает потребность полной отдачи электричества батареей, при ее немалом количестве циклов (заряд/разряд), не снижая емкости изделия.

В преимуществе выступает значительно небольшой вес АКБ. А значит, и применение свинцовых решеток такому устройству не потребуется.

Тщательно изучив, все (+) и (-) стороны работы литий-ионных аккумуляторов, рассмотрим область их применения:

1. В стартерных батарейках. Аккумуляторы li-Ion с большой скоростью дешевеют. Все это происходит от того, что на рынке с каждым днем выпускаются более совершенные АКБ. Они-то и являются главным источником снижения в цене их предшественников. Стоимость новинок обычно высокая, ( что сильно бьет по карману любителей поездок с ветерком). Основным пробелом литий-ионных аккумуляторов является падение мощности при t˂20, в результате чего использование их в районах Крайнего Севера становится непрактичным.
2. Для аппаратов тяги. Литий-ионным аккумуляторам свойственно переносить разряд глубокого действия, поэтому эксплуатация их в качестве источника тяги для электромотора в лодке будет уместным. При небольшой мощности двигателя одного заряда такой АКБ хватит не менее чем на шесть часов рыбалки (либо простого лодочного путешествия). Li-ION-ные аккумуляторы применяют для погрузочной техники, которая используется в закрытом пространстве (например, для электроштабелеров, электропогрузчиков).
3. Для оборудования, используемого в быту. Многие бытовые устройства вместо традиционных батареек применяют литий-ионные. У таких АКБ U=3,6 Вольт (3,7 Вольт). Однако, встречаются и такие, которые могут с легкостью заменить даже солевую либо щелочную батарейку с U=1,5 Вольт.

А если рассмотреть модели с U=3 Вольт, например у «15270» или «CR2», то такой тип АКБ сможет заменить и две стандартные батарейки. Подобные аккумуляторы обычно используются в более мощных электроприборах, т.е там, где простая солевая батарейка их заменить не сможет (из-за быстрой разрядки).

Использование литий-ионных АКБ

Продолжительность жизни литий-ионного аккумулятора зависит от правильной эксплуатации изделия.

Есть две основные ошибки использования данного вида АКБ:

1. Не рекомендуется полностью разряжать литий-ионный аккумулятор. Хотя батареи такого типа и устойчивы к полному разряду, однако не стоит увлекаться этим действием чересчур. Особенно это губительно для аккумуляторов с источником бесперебойного питания и электродвигателями с большой мощностью. Если все же такая ситуация произошла, необходимо своевременно постараться подключить литий-ионную АКБ к ЗУ. «Завести» аккумулятор возможно и после продолжительного пребывания его в состоянии большого разряда. Для этого потребуется зарядить батарею не менее двенадцати часов, а затем разрядить по новой.
2. Перезарядка изделия портит его качество. При перезарядке литий-ионного аккумулятора нужно помнить, что это действие будет отражаться на свойствах изделия, причем не с положительной стороны. Если заряд батареи происходит в неотапливаемом помещении, то схема «контроллер» может не всегда сработать и обесточить батарею. Помимо этих двух ошибок, необходимо беречь литий-ионный аккумулятор от механических воздействий, разного рода ударов, в результате которых, может произойти разгерметизация корпуса изделия и произойти возгорание внутри него. Именно из-за этого такие изделия (в них чистого лития ˃ на 1 грамм) запрещено пересылать по почте.

Как уберечь Li-ионный аккумулятор, поставив его на хранение?

Перед тем как поставить на хранение литий-ионный аккумулятор, надо соблюсти некоторые последовательные правила-пункты:

1. Правило 1. Не влажное и не жаркое место – лучший метод хранения АКБ.
2. Правило 2. Извлеките элемент питания из электроприбора.
3. Правило 3. Обязательно зарядите изделие перед тем, как поставить его на консервацию. Чтобы не произошла коррозия элементов внутри, минимальное U=2,5 V на один элемент.

Саморазряд литий-ионных АКБ невысок, поэтому за его хранение можно не переживать в течение многих лет. Однако следует помнить при этом, что емкость изделия будет потихоньку тоже снижаться.

Переработка литий-ионных элементов питания

Li-Ion батареи содержат в себе вредные для жизни вещества, поэтому дома не стоит их даже пытаться разбирать. Когда срок службы АКБ закончился, ее необходимо утилизировать.

Для этого и существуют специальные приемные пункты по сбору, просрочившихся либо негодных батарей. За такую услугу можно получить вознаграждение в денежном эквиваленте.

И это не фантазии! Любое литий-ионное изделие содержит в себе не дешевый элемент, который после переработки оживет и будет числиться на рабочем посту дальше.

Источник