Что внутри литий ионного аккумулятора

СмартПульс — держите руку на пульсе высоких технологий! То, что доктор прописал!
Характеристики, тесты, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций и компонентов

Главная -> Информация к размышлению -> В кабинете патологоанатома. Вскрытие литий-ионного аккумулятора

В кабинете патологоанатома. Вскрытие (разборка) литий-ионного аккумулятора.

Сегодня на приёме у нашего патологоанатома — литий-ионный аккумулятор Nokia BL-5B из одноименного смартфона Nokia. Аккумулятор несколько лет прослужил верой и правдой, но некоторое время назад вспучился и перестал держать заряд. Царствие ему небесное!

Воспользуемся этим несчастным случаем для пополнения копилки наших знаний об аккумуляторах. Многие интересуются, как устроен литий-ионный аккумулятор. Проведем разборку литий-ионного ( Li-ion) аккумулятора.

Так выглядит наш клиент спереди, сзади и со стороны контактов:

Сделано в Европе (Венгрия), голограмма, все дела.

Теперь — сдираем пластиковую обертку с маркировкой, и смотрим на голое тело клиента. Слабонервных, женщин и детей просим удалиться J .

Литий-ионный аккумулятор представляет собой герметичную металлическую «банку» с заводской маркировкой; сверху находится пластиковая «крышка» с контактами, а снизу — чисто декоративная тонкая черная «подставка».

Отдираем эти пластиковые детали, попутно разрывая контактные проводники. Они нам больше не пригодятся.

А так выглядит «банка» аккумулятора сверху:

В центре и справа банки — контакты; а слева, в виде овала с просечкой, — предохранительное «окно» (клапан). При повышении внутреннего давления оно должно лопнуть, тем самым предотвращая взрыв всего аккумулятора в целом.

Теперь обращаем внимание, что баланс по количеству контактов — не сходится. К аккумулятору подходят 3 контакта, а к «банке» — только два! Куда делся ещё один?!

А вот посмотрите на оторванную пластиковую «крышечку» аккумулятора:

Обратите внимание на красную деталь с золотистым прямоугольником, расположенную справа. Это ни что иное, как термопереключатель ( termoswitch). Вот к нему-то и идет третий (средний) контакт аккумулятора! Другим своим контактом термосвитч соединен с «минусом» аккумулятора.

Этот термосвитч — простое механическое устройство. Внутри находится биметаллическая мембрана, которая при нагреве изгибается и замыкает контакты, сообщая тем самым «наружу» о перегреве аккумулятора.
В нормальном положении контакты — разомкнуты. Поэтому при «прозвонке» контактов может показаться, что средний контакт аккумулятора ни с чем не соединён.

Выламываем термосвитч и смотрим на его маркировку, расположенную на обратной стороне:

Таким образом, установлен тип термосвитча — L82AY.

Надо к этому добавить, что не все литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы построены по такой же схеме термозащиты. Некоторые аккумуляторы имеют не термопереключатель, а полноценный термодатчик, позволяющий измерить температуру аккумулятора. А некоторые — не имеют вообще никакого элемента контроля температуры. Такие аккумуляторы легко отличить по наличию только двух контактов на аккумуляторе (или двух проводов, идущих от аккумулятора).

Далее — спиливаем верхнюю часть «банки», и смотрим, что там внутри:

На этом фото видно, что в результате вспучивания аккумулятора отдельные слои «начинки» аккумулятора разошлись между собой.

Теперь — окончательно раздираем «банку» и достаем её «начинку»:

«Начинка» аккумулятора представляет собой свернутые в рулон четыре ленты: алюминиевую фольгу со слоем пористого углерода (положительный электрод), медную фольгу (отрицательный электрод, тоже со слоем пористого углерода) и два слоя мембраны-разделителя, «прозрачного» для ионов лития. Эта конструкция очень сильно напоминает конструкцию «классического» электролитического конденсатора. Кто разбирал их — тот подтвердит, а кто не разбирал — лучше этого и не делайте: некоторые виды электролитов вредны для здоровья.

В некоторых местах межвиткового пространства заметны повреждения с вкраплениями мелких белых хлопьев:

Далее — полностью разматываем рулон аккумулятора:

Длина рулона оказалась чуть менее 50 см. Видимо, в «их» единицах измерения длина должна была составлять ровно 20 дюймов.

Итак, пора огласить итоги и выводы.

Наш покойный пациент всю жизнь проработал в одном и том же смартфоне, и потому никогда не имел возможности нарушить режим эксплуатации. Тем не менее, и его настиг неизбежный конец в виде выхода из строя.

Таким образом, констатируем, что устройства со съемными аккумуляторами имеют преимущество перед устройствами с несъемными аккумуляторами. У последних, чтобы решить проблему с аккумулятором, для замены придется обратиться в сервис-центр (или помучиться самому с риском полностью испортить устройство). А у первых — просто вытащить старый и вставить новый аккумулятор.

Дополнение: как подобрать аккумулятор по размерам

В большинстве случаев для подбора аккумулятора достаточно в поисковике (или на интернет-площадках: Яндекс.Маркет, Алиэкспресс и т.д.) наименование устройства, для которого Вам нужно подобрать аккумулятор, например: «Аккумулятор для смартфона Superpuper FSB-2020 Plus «.

Но в некоторых случаях такой поиск не помогает, поскольку в устройстве установлен не специфический аккумулятор, изготовленный специально для него, а просто подходящий серийно выпускаемый «универсальный» аккумулятор.

В этом случае задача сводится к банальному подбору нужного аккумулятора по размерам.

Обычно размер аккумулятора указывается на нём самом в виде группы цифр непонятного назначения:

Например, на этом аккумуляторе стоят цифры: 4052140. Вот в них и зашифрованы размеры аккумулятора, но только не так, как у нас принято (Длина — Ширина — Высота), а в обратном порядке (Высота — Ширина — Длина).

Причём высота зашифрована в десятых долях миллиметра, а все остальные размеры — в миллиметрах.

Таким образом, размеры этого аккумулятора составляют 4 мм (высота) x 52 мм (ширина) x 140 мм (длина).

В поиске (например, на Алиэкспресс) можно сразу вводить эту последовательность цифр: «аккумулятор 4052140».

Если требуемого аккумулятора нет (например, уже снят с производства), то для его замены можно подобрать другой, чуть меньший по габаритам.

В редких случаях аккумулятор может быть совсем «голым» (без обозначений). В этом случае его надо просто замерить и от этого исходить в поисках.

В обозначениях размера аккумулятора есть «тонкость»: если обозначение размера начинается с нуля, то высота обозначена не в десятых долях миллиметра, а в миллиметрах. Кстати, обозначение высоты всегда занимает 2 знака. А величины ширины и длины могут быть как 2-значными, так и 3-значными (необходимо подходить творчески в соответствии с реально имеющимся аккумулятором).

Вскрытие проводил
Ваш Доктор.
03.12.2015

Другие статьи цикла «Как устроен смартфон» :

Источник

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Источник