Аккумуляторы литий ионные gps

«Литий-ионный»: великая путаница в аккумуляторах

Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion Battery) — объединяющее название всех аккумуляторов литий-ионного типа с разными материалами анода, катода и составами электролита.

Всё будет просто до тех пор, пока вы не услышите литий-титанат и литий-железо-фосфат , а потом не начнёте сравнивать литий-ионный с литий-полимерным . Как развязать клубок путаницы в этих названиях?

Если вы слышите о литий-кобальтовом аккумуляторе , то знайте, что это самый обыкновенный и наиболее распространённый литий-ионный аккумулятор из наших с вами смартфонов. Почему он « кобальтовый »? Из-за кобальта на его катоде.

👍 По маркетинговому названию производители могут понимать особенности конкретной ячейки.

Или, например, зная о преимуществах кремниевых анодов аккумуляторов , в самых массовых литий-кобальтовых ячейках можно добиться лучшей ёмкости, чем с традиционным графитовым анодом. В проект смартфона инженером будет закладываться уже литий-кобальтовый аккумулятор с кремниевым анодом .

Теперь разберёмся подробнее.

Для чего литий-ионному аккумулятору разные аноды, катоды, электролит?

Для чего им разные материалы? У одной химии больше пользы в безопасности или ёмкости (увеличена плотность энергии), у другой лучше получится удерживать заряд в мороз или увеличить ток разряда (актуально в электроинструменте или электромобилях ).

💡 При выборе анода, катода, электролита многое зависит от назначения самого электронного устройства.

Например, в смартфонах нужны батареи:

• компактные (толстые и тяжёлые гаджеты не покупают — почему );
• максимально ёмкие (чтобы держал заряд весь день, а лучше два);
• максимально дешёвые (в масштабном производстве каждый рубль имеет значение).

Ради этого можно пожертвовать определёнными характеристиками:

• сроком службы (количества циклов достаточно для двух-трёх лет эксплуатации, ведь к тому моменту смартфон морально устаревает);
• предиктивной безопасностью (толстый прочный корпус не нужен — его заменяет корпус смартфона, да и выполнять контроль лучше более «умными» программно-аппаратными средствами).

К литий-ионной аккумуляторной ячейке в компактном размере, ёмкой с приемлемым сроком службы и базовой безопасностью как раз идеально подходит кобальтовый катод (LiCoO2, LCO) в тандеме с графитовым анодом. Недорогой в производстве, быстро изготавливается, массовый продукт.

💡 Но ведь есть устройства, где срок службы и безопасность куда важнее цены и ёмкости.

Например? Источники бесперебойного питания. Мы в подробностях рассказывали как раз о таких надёжных батареях — литий-железо-фосфатных (LiFePo4, LFP).

Служат больше 10 лет, высокий ток разряда, выдерживают термические потрясения, беспрецедентно для литий-ионной технологии стабильны даже при коротком замыкании. Но всё ещё слишком дорого стоят за ту же ёмкость, что и LCO .

О «гаджетовой» компактности LiFePo4 при этом можно забыть. Если только сравнивать их со свинцово-кислотными АКБ из наших с вами автомобилей. Потому они лучше подходят как раз для ИБП (безопаснее, работают более 10 лет, не нужно обслуживать).

Источник

Литий-ионные аккумуляторы: почему их не ставят на автомобили

Идея всемерного облегчения конструкции автомобиля преследовала конструкторов с самого появления машины. И за прошедшую сотню лет конструкция практически подошла к пределу совершенства. А вот другие элементы автомобиля, особенно те, что имеют отношение к бортовой электронике, пассивной безопасности и экологичности, растут не по дням, а по часам. На фоне появления в конструкциях автомобилей настоящего хай-тека присутствие в них тяжелого свинцового аккумулятора кажется настоящим расточительством. Ведь эта штуковина весит очень много, особенно если нужна емкость «за 60 Ач». Так почему же так мало машин, в которых эту деталь рискнули заменить на что-то новое?

Если постараться вспомнить, в каких автомобилях серийно применяют литий-ионные аккумуляторы, то список окажется до обидного коротким. В нем будет McLaren MP4-12C и Porsche GT3/GT2 , причем на последних спорткарах его использование опционально. Конечно, такой тип аккумулятора применяется еще и на электромобилях и подзаряжаемых гибридах, но там емкость батареи не позволит применять менее энергоемкий тип накопителя, и к тому же свинцовая батарея часто присутствует для питания вспомогательных систем. Как основной и единственный источник питания литиевые батареи более нигде не применяются. В чем же причина? Просто еще не пришло время или эти технологии на самом деле — тупиковый путь?

Что такое литий-ионный аккумулятор? К таковым относят аккумуляторы, катод которых изготовлен из оксидов лития. В большинстве случаев это кобальтат (LiCoO2) или никелат лития (LiNiO2), но получают распространение также аккумуляторы с катодом из феррофосфата лития (iFePO4) и литий-марганцевой шпинели (LiMn2O4). Анод обычно сделан из графита или углеродных композиций, например графена. Электролит состоит из органических растворителей с солями лития.

Чем так хороши литий-ионные аккумуляторы и какова плата за высокие характеристики? С момента появления в 1983 году успешной идеи использования кобальтита лития в качестве катода в аккумуляторе прошло немало времени, в течение которого технологию непрерывно совершенствовали. Число рабочих циклов увеличили примерно с 300 в первых моделях до 1500 и даже 7000 в новейших образцах. Удельную емкость — со 100 до 240+ Втч/кг, а стоимость снизилась почти на два порядка.

Основные преимущества технологии заключаются именно в очень высокой энергоемкости и скорости заряда/разряда. Дополнительным преимуществом являются небольшие значения саморазряда, высокая плотность энергии, небольшие габариты аккумуляторов и полное отсутствие обслуживания на протяжении жизненного цикла.

Минусов тоже более чем достаточно. Высокая зависимость характеристик и ресурса от температуры, быстрое падение характеристик при перегреве и глубоком разряде, высокие требования к соблюдению режима зарядки, опасность применения высокого тока разряда. Наличие «нормального» падения характеристик на 3–6% в год также к числу положительных качеств не отнести. А еще кобальт крайне опасен для человека и окружающей среды, так что «классические» литий-ионные аккумуляторы после выработки ресурса обязательно должны утилизироваться.

Значительное улучшение параметров принесла технология литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Очень важно, что в этом случае аккумулятор экологически безвреден, хотя утилизация все равно очень рекомендуется, но, как минимум, это не опасно. Возрастают токи заряда и разряда, а также число их циклов вплоть до фантастических 7000, аккумулятор лучше работает при отрицательных температурах. К тому же у такого аккумулятора за счет регулирования внутреннего сопротивления есть встроенная «защита от чрезмерного разряда» и он куда стабильнее держит напряжение в процессе работы. А еще рабочее напряжение в 3,2 В заметно удобнее для применения в цепях питания, рассчитанных на 12 В.

К сожалению, удельная емкость у этого типа аккумуляторов на 15–20% ниже, чем у «кобальтовых», так что там, где идет сражение за каждый грамм веса, их не применяют. Но по сравнению со свинцово-кислотными и никель-металлгидридными они все равно фантастически легкие и емкие.

Зачем нужен литий-ионный аккумулятор в машине, понятно: для снижения веса. Так, типичный аккумулятор в машине на 60 Ач весит порядка 16 кг, а на 90 Ач — уже 24 кг. Масса литий-ионного составила бы порядка 3–5 кг для моделей с той же емкостью и напряжением. А разница в 12–20 кг уже существенна. Во всяком случае, ради 5–10 кг производители модернизируют моторы, облегчая блоки цилиндров и коленчатые валы, применяя пластиковые картеры и алюминиевые болты. Так не проще ли заменить аккумулятор?

К сожалению, просто поставить на машину новую «батарейку» вместо старой не получится. Причин тому довольно много. Даже если аккумулятор достаточно хладоустойчивый и мощный для работы стартера и у вас хватает денег на его покупку, возникнет много дополнительных проблем.

Для начала нужно тщательно следить за током потребления мощных потребителей. Просто надеяться на высокое внутреннее сопротивление источника уже нельзя. Литий-ионный аккумулятор может банально загореться при повышении тока сверх лимита или превышении времени нагрузки. Значит, стартер должен иметь схему регулирования и все остальные достаточно мощные потребители, вроде лебедок и вентиляторов охлаждения, — тоже.

Во-вторых, зарядка аккумулятора из последовательно соединенных литий-ионных элементов потребует специального контроллера и обязательного применения балансировки заряда по каждому элементу. Иначе ресурс аккумулятора быстро упадет, а степень заряда не будет подниматься даже до двух третей максимума. Ресурс аккумулятора в условиях вибраций и сильного изменения температур зависит и от коррозии соединительных элементов, а для литий-ионного аккумулятора это достаточно рискованные точки.

Соединения катода и анода с проводниками остаются потенциально проблемными местами, особенно если токи большие. И наконец, вам придется поставить аккумулятор в утепленное, но прохладное место. С падением температуры сильно падает и емкость аккумуляторов с гелевым электролитом. Правда, если электролит твердый, а материал катода морозостойкий, то все не так страшно, машина заведется.

Но вот повышение температур выше 60 градусов, скорее всего, сильно понизит ресурс и характеристики аккумулятора. Проблема в твердом электролитном интерфейсе (ТЭИ) на графитовом аноде — слое, который образуется при реакции электролита и графита электрода. Для этой операции поглощается часть лития из электролита (и катода, разумеется). В нормальных условиях работы аккумулятора слой ТЭИ сохраняется, защищая анод от агрессивного электролита. Но при повышении температуры или глубоком разряде аккумулятора слой разрушается, загрязняя электролит продуктами разложения. При восстановлении рабочей температуры или напряжения слой снова восстановится, но часть лития и графита пойдет на его построение. Сделать же слой ТЭИ слишком толстым — тоже плохая идея: это создает барьер на пути электронов и уменьшает мощность аккумулятора.

Не в последнюю очередь покупателя будет волновать цена аккумулятора. Даже самые недорогие по технологии батареи (LiFePO4), очень относительно приспособленные к работе в автомобиле, обойдутся по 500 рублей за 1 Ач при напряжении 3,2 В. Переводя это в привычные автомобилистам величины, получим 2000 рублей за 1 Ач при напряжении 12 В. Таким образом, 60-амперный аккумулятор будет стоить порядка 120 тыс. рублей (!). И это только за элементы питания, без зарядного устройства и дополнительной проводки.

Еще одним минусом литий-ионного аккумулятора является его взрывоопасность. Разгерметизация, короткое замыкание или другие неприятности грозят не просто пожаром, а взрывом. Машины, взрывающиеся при малейшем столкновении, вряд ли кому-то интересны. А защитить аккумулятор от такого исхода очень сложно.

Получается, что даже если не обращать внимания на цену, то минусов не много, а очень много. Придется серьезно переделывать электросистему машины, вводить новый контроллер заряда батареи, ограничивать рабочие токи стартера, заняться поддержанием нужной температуры для аккумулятора и обеспечить намного более безопасные условия его размещения.

Так что всеми привычные компактные литий-ионные аккумуляторы, которые используются в любом мобильном гаджете, для установки на автомобиль пока просто не приспособлены.

Источник

Литиевый аккумулятор для автомобиля. Есть ли такие на 12В, какие есть плюсы и минусы?

Как мы все с вами знаем, на автомобилях используются различные вариации свинцово-кислотных батарей. Они могут быть с различными добавками в пластины (Кальций, Сурьма, даже Серебро и т.д.), а также могут иметь различную форму электролита, скажем запечатанного в специальные маты (AGM) или в специальный гель (GEL). НО вот интересный вопрос – почему не ставят литиевые аккумуляторы? Или их нет мощных, которые скажем дают 12 – 14Вольт и обладают высокими токами пуска? Давайте разбираться, как обычно будет видео версия в конце …

Касательно литиевых аккумуляторов для автомобиля все очень не просто, с одной стороны есть очень много мифов, с другой стороны есть действительно несколько факторов, которые пока делают установку не желательной для большой массы автомобилистов. НУ что же не будем тянуть.

Li- ion, Li- Pol

Стоит отметить, что обе аббревиатуры в заголовке, относят эти аккумуляторы к «литиевым», но различающимся по наполнению (как материалов катода, так и электролита внутри).

НА заре таких батарей, как обычно внутрь помещали катодный материал (располагавшийся на алюминиевой фольге), а также анодный (на медной фольге). Между ними помещался специальный сепаратор, пропитанный жидким электролитом (он их разделял и был пористый).

Вся эта система помещается в герметичный корпус (зачастую это обязательно) нередко с клапаном сброса внутреннего давления, катод и анод подсоединены к клемма токосъемникам, которых выходят наружу.

Стоит отметить, что в литий-ионных аккумуляторах переносчиками заряда являются положительно заряженные ионы лития, которые прекрасно могут взаимодействовать (внедряться) в кристаллические решетки других материалов (например графита, окислы и соли металлов) с образованием с ними прочной химической связи

Изначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем его заменили на каменноугольный кокс, и сейчас все больше распространен графит. После применения оксида кобальта батареи стали работать при значительно более низких температурах, причем повысилось количество разрядов/зарядов.

Литиевые батареи обязательно должны идти вместе с платами защиты типа BMS (Battery Management System), сейчас есть более продвинутые.

Li- ion аккумуляторы различаются по катодному материалу, есть два более распрастраненных, можно назвать классических:

• LiCoO2 (кобальт лития) + в качестве электролита твердые растворы на основе никелата лития
• LiMn2O4 (литий-марганцевая шпинель)

LiPol (литий полимерный, еще названия Li-polymer, LIP, Li-poly и т.д.). Отличие от Li-ion только в том, что у него полимерный электролит, в отличие от жидкого. Он имеет немного усовершенствованные характеристики, например — низкий саморазряд, большая плотность энергии на единицу массы, толщина элементов уже от 1мм, отсутствие эффекта памяти, можно производитель практически различные формы (в отличии от Li-ion). Могут работать до -20 градусов.

LiFEPO4

Еще один тип, про который я решил поговорить отдельно, считаю его самым перспективным из всех для установки под капот автомобиля.

LiFEPO4, LFP (литий-феррофосфат, либо литий-железо-фосфатный). Катод здесь другой, с применениями фосфатов и железа, основные плюсы:

• Длительный срок службы, медленнее теряет емкость (уже через пару лет он будет иметь большую емкость, чем Li-ion оппонент).
• Стабильное напряжение разряда, напряжение на ячейки 3,2-3,3В (если соединить 4 штуки, дает очень правильное напряжение 12,8В, как раз для автомобиля),
• Здесь нет применения «кобальта» (как в обычных Li-ion), а значит нет такой высокой токсичности и вреда окружающей среде
• Имеет более высокие пиковые токи (чем оппоненты)
• Меньшая скорость разряда
• Термическая стабильность, менее подвержен взрыву и возгоранию
• Переносит крайне низкие температуры, до -40,-50 градусов Цельсия

Есть конечно и минусы, например если сравнить новые элементы, но у него удельная плотность энергии будет ниже чем у обычного литиевого АКБ, примерно на 14-15%. Также для него обязательно нужно использовать платы защиты.

Свинцовые или литиевые батареи для авто

В самом начале мне хочется сказать — что по энергетической удельной плотности (Вт на килограмм), однозначно выигрывают литиевые аккумуляторы. Также у них лучше показатели по — жизненному циклу, сопротивлению, время заряда, саморазряду и прочему.

Но почему же сейчас нет на них ажиотажного спроса? Почему ставят по старинке свинцовые аккумуляторы? Для начала смотрим табличку.

Из этой таблицы становится понятно, что может быть сколько угодно плюсов у литиевых АКБ различных типов, они уступают кислотным в некоторых аспектах. Заряд при минусовой температуре (скажем при -15,-20 градусов). Постоянный заряд (скажем от генератора автомобиля). Безопасность, свинцово-кислотные АКБ не воспламеняются при перезарядах и повреждениях.

Что такое «С»

Многие заметили в табличке, такой показатель – «30С». Латинской буквой «С» обычно маркируется пиковый ток нагрузки . Чем больше цифра с этим показателем, тем лучше. Как все это дело высчитывается? Достаточно просто:

Для примера возьмем батарею в 6000 mA (6А) – 40С. Для того чтобы вычислить максимальный ток, нам нужно 6Х40=240А

Это очень хороший показатель, который зачастую достаточно для пуска двигателя автомобиля.

ПОДВОДИМ ИТОГ

Литиевые аккумуляторы не ставятся на автомобиль по многим причинам:

• Начнем с цены. Она действительно выше примерно в два-четыре раза, чем у рядовых (скажем кальциевых) свинцово-кислотных батарей одинаковой емкости
• Плохо переносят низкие температуры. Быстро теряют емкость, для нашей страны это очень актуально
• Плохо заряжаются на морозе. Точнее их вообще не рекомендуется заряжать уже при 0 градусов
• Плата балансировки (балансир). Литиевая батарея (если в нашем случае на 12В) состоит из нескольких банок (3-4 в зависимости от применяемой технологии). Если напряжение на элементах будет разное, то одна банка может сильнее разрядиться или зарядиться. Таким образом, вся батарея может выйти из строя, и даже воспламениться. Чтобы заряд или разряд проходил равномерно у каждой банки, нужен специальный балансир (чего свинцовой батареи практически не нужно).
• Не переносят постоянной зарядки, скажем от генератора. Нужно устанавливать специальные платы защиты (которые тоже не дешевые)
• Безопасность. При повреждении Li-ion или Li-Pol аккумуляторов, либо если откажет система защиты и будет идти постоянная зарядка, может произойти очень сильное возгорание, которое потушить, не так-то просто (все потому что они могут гореть с температурами под 3000 градусов, без кислорода). В этом отношении самый безопасный LiFEPO4 он не взрывается и не так сильно горит. К слову все авиаперевозчики стараются снизить количество литиевых батарей на борту.

Уже эти пять пунктов делают использование литиевых батарей невозможными, на этом фоне перспективнее смотрятся AGM варианты . Конечно, сейчас есть бустеры, которые могут запустить практически любой автомобиль, там зачастую стоят либо Li-ion или Li-pol аккумуляторы. Но вы их храните дома (не рекомендуется хранить в авто на морозе), заряжаете от розетки невысокими токами, там стоят различные платы защиты.

А что думаете вы, дорогие друзья? Делитесь своим мнением ниже в комментариях!

Источник