Деградация литий ионного аккумулятора

Аккумулятор в смартфоне: почему он стареет?

Константин Иванов

Каждый из нас замечал, как велика разница между тем, как держит заряд новенький смартфон и как – аппарат, проживший год или больше. И если ваше устройство служит вам уже довольно долго, оно может не жить от одной зарядки и полного дня. Почему так происходит?

Аккумулятор: как это работает?

Никакой магии здесь нет, только электричество. Для того, чтобы понять, почему теперь вам чаще требуется заряжать смартфон, вначале надо в самых общих чертах разобраться, как вообще работает аккумулятор.

Электричество, как и любая энергия – это не то, что можно просто взять и создать. То, что мы называем «производить электричество», это всего лишь перевод одного вида энергии в другой. В аккумуляторе используется химическая реакция, чтобы создать электрический заряд, который со временем может быть измерен. Для создания этого заряда могут использоваться различные материалы, и они дадут различный результат. В наших смартфонах используются аккумуляторы на основе лития, поскольку они производят достаточно энергии при приемлемой стоимости.

Внутри аккумулятора смартфона вы найдете три важных для нашего разговора компонента. Это отрицательный электрод (называется анодом и обычно делается из графита), положительный электрод (называется катодом и сделан из сплава лития и других металлов) и раствор электролита. Реакция, которая происходит с участием этих трех компонентов, проста в своей основе и позволяет использовать их для накопления энергии. Когда вы заряжаете электроды (в процессе использования зарядного устройства), ионы лития получают положительный заряд и притягиваются к отрицательно заряженному электроду. Когда вы снимаете смартфон с заряда, эти ионы лития начинают терять свой положительный заряд и перестают притягиваться к отрицательно заряженному электроду. Чем дольше вы тратите энергию заряженной батареи, тем больше увеличивается количество ионов лития, которые лишены заряда. Так происходит до момента, когда заряженных ионов не остается в количестве, достаточном для того, чтобы аккумулятор выдавал хоть какую-то энергию, и тогда он оказывается разряженным. Затем мы снова ставим смартфон на зарядку, и цикл повторяется.

«Цикл» здесь является очень важным понятием. Аккумуляторы создаются для того, чтобы сохранять энергию, и измерить срок их службы в единицах времени очень сложно. Например, у вас батарея прослужит два года, а у кого-то – всего полгода, потому что она будет по-разному использоваться. Так что мы можем только предполагать, сколько проживет аккумулятор, а срок этот будет измеряться в циклах заряда. Обычный аккумулятор в смартфоне разработан так, чтобы выдержать около 500 – 600 циклов (цикл определяется как заряд полностью разряженного аккумулятора до 100% и затем разряд его до нуля). Заряд наполовину рязряженного аккумулятора, а потом разряд его до 50% — это неполный цикл, вот почему вам рекомендуют заряжать смартфон до того, как он разрядится в ноль, а также не советуют пытаться одурачить систему таким образом и отодвинуть наступление того самого, 500-го цикла. Конечно, это так не работает, поскольку ваш аккумулятор не ведет подсчет циклов заряда. Пять сотен – это приблизительная оценка.

Однако срок службы может измеряться в циклах, принимая во внимание то, что происходит, когда вы заряжаете батарею, и то, как это влияет на последующие циклы заряда, количество энергии, которое аккумулятор может накопить, и возможное напряжение.

Заклятые враги – окисление и энергоэффективность

Электромобили – уже реальность, а аккумуляторы, которые в них используются, безумно дороги. Поэтому проводилось множество исследований на тему того, почему литий-ионные батареи деградируют со временем. Результаты применимы и к менее дорогим (но все же недешевым!) батареям наших смартфонов. И виной всему химические изменения, которые происходят во время зарядки.

Итак, мы знаем, что при заряде аккумулятора ионы лития получают положительный заряд и притягиваются к отрицательному электроду. По мере того, как притягивается все больше и больше заряженных ионов, увеличивается разность потенциала между положительным и отрицательным электродом, известная как напряжение. Когда она достигает определенного значения, аккумулятор считается полностью заряженным. Когда аккумулятор разряжается, происходит противоположный процесс: разность потенциала уменьшается, пока не достигнет нуля, поскольку на отрицательном электроде больше не остается положительно заряженных ионов. Но это не означает, что отрицательный электрод остается таким же, каким был до начала процесса.

Электроды окисляются. Точно так же вода и воздух заставляют железо ржаветь. Литий, графит и соли электролита заставляют электрод окисляться. Когда каждый положительно заряженный ион отделяется от анода, он оставляет после себя микроскопический слой частиц, который химически соединен с графитовым анодом. Это частички, состоящие из атомов оксида лития и карбоната лития, ни у одного из этих веществ нет таких же химических или электрических свойств, что у графита. Этот слой мешает во время цикла заряда/разряда, меняя разность потенциала (напряжение) и количество заряженных ионов, которые способен привлечь электрод. Очевидно, изменения будут заметными. Если вы продолжите использовать аккумулятор и заряжать его, как вы обычно это делаете, наступит момент, когда он не сможет накопить достаточно энергии, чтобы включить ваш смартфон.

Различные виды сплавов лития, как и различные соли, которые используются в растворе электролита, оказывают влияние на то, насколько много таких частичек остается на электроде, но материалы, которые обеспечивают более чистый цикл, необязательно являются самыми лучшими, поскольку они не могут обеспечить достаточного накопления энергии. В смартфонах нам требуются аккумуляторы с большой емкостью и малым расходом энергии, поскольку они безопаснее, чем более мощные батареи, и стоят меньше, а нам требуется, чтобы они обеспечивали энергией наши устройства как можно дольше. В электрическом транспорте можно использовать очень емкие и очень мощные аккумуляторы, поскольку они защищены прочным корпусом, с меньшей вероятностью будут повреждены, а машине между зарядками потребуется проехать большое расстояние. Однако стоимость замены аккумулятора для автомобиля Tesla модели S – $12 000. Частично причина такой цены кроется в стоимости материалов, которые требуются для изготовления литий-никель-кобальт-алюминий-оксидного аккумулятора, в отличие от обычного литий-кобальтового аккумулятора в смартфоне, который не рассчитан на такое же количество циклов.

Напряжение имеет значение

Один из важнейших факторов, влияющих на количество циклов, которые может проработать литий-ионный аккумулятор, это его напряжение. Телефоны и автомобили – не единственная область применения литиевых батарей, в США в 2015 Департамент энергетики потратил много времени и средств, чтобы разобраться, чем связаны проблемы и как их решить – ведь в спутниках используются аккумуляторы на основе лития и солнечные элементы. И помимо конструкции аккумулятора, негативным фактором, влияющим на срок службы, оказалось номинальное напряжение заряда и номинальное напряжение самого аккумулятора.

Химический процесс, благодаря которому работает литиевый аккумулятор, приводит к деградации анода, как говорилось выше. Но если вы заряжаете аккумулятор под напряжением более 3.9 В, похожая деградация происходит и с катодом, что наполовину сокращает срок службы аккумулятора. Напряжение заряда и напряжение аккумулятора по сути являются одним и тем же, поскольку возбуждаются все компоненты батареи, а кроме того, зарядка вызывает нагревание, и чем больше напряжение заряда, тем больше будет нагрев. Нагревание, которое происходит, когда возбуждающее аккумулятор напряжение превышает 3.9 В, усиливает деградацию катода.

Другими словами, напряжение, которое требуется для современного телефона, чтобы быстро зарядить его батарею, делает проблему нерешаемой. Это видно любому, кто использует дрель на батарейках. 12 или 14-вольтовые батарейки в инструменте даже близко не живут столько же, сколько те, что используются в наших телефонах. Они имеют большее напряжение, заряжаются под большим напряжением, они намного горячее и заметно портятся всего лишь через несколько циклов. Это те же самые простые аккумуляторы на основе лития, как и в телефоне, поскольку если использовать материалы, как в батареях Tesla S, это будет слишком дорого, и долго они не прослужат. К счастью, большая часть материалов идет в переработку, и мы не тонем в батареях от электроинструмента, в которых литий стоит дороже золота.

Хорошая новость: компании, которые производят литиевые аккумуляторы, стараются улучшить ситуацию. Тот, кому удастся создать батарею, которая сможет служить заметно дольше, заработает много денег. А нам остается только заряжать наши телефоны тогда, когда они в этом нуждаются, и понимать, что нет никакого заговора производителей аккумуляторов с целью заставить нас чаще покупать новые устройства.

Источник

Причина поломок литиевых батарей

Статья обновлена: 2020-12-17

Деградация литий-ионных аккумуляторов заключается в постепенной потере исходной емкости, в результате чего элементы быстро разряжаются и не справляются со своими задачами. Процесс деградации неизбежен, но протекает медленно – обычно Li-ion аккумуляторы перестают держать заряд после 1000 рабочих циклов перезарядки. Причина снижения рабочих характеристик литиевых элементов кроется в особенностях их структуры.

Многочисленные циклы заряд-разряд и воздействия высоких температур приводят к нарушениям в передвижении между электродами ионов лития. Активная часть катода в Li-ion аккумуляторе имеет определенную атомную структуру, которая обеспечивает необходимую стабильность и производительность элементов. Рассмотрим подробнее роль ионов лития в строении и работе Li-ion аккумуляторов.

Причины деградации Li-ion аккумуляторов

В процессе заряда и разряда аккумулятора ионы лития перемещаются между катодом и анодом. В идеале они должны при каждом последующем возвращении к катоду занимать свои прежние места – для сохранения стабильной кристаллической структуры. Но в реальности ионы лития сколько угодно меняют свое местоположение, далеко не всегда возвращаясь на свои места, и кристаллическая структура катода меняется с каждым циклом разряд-заряд.

В результате катод получает измененную кристаллическую структуру с другими электрохимическими характеристиками. Это происходит из-за изменения начального расположения атомов, которое обеспечивало необходимые параметры. Но деградация может затрагивать и другие части аккумулятора. В частности, эффективному движению электронов во внешнюю цепь препятствует разрушение поверхности коллектора тока.

Аккумулятор может коррозировать из-за взаимодействия электролита и электродов. Анод из графита легко отпускает электроны в электролит, из-за чего на его поверхности появляется нежелательное покрытие. Катод же легко принимает находящиеся в электролите электроны, что приводит к появлению на его частях покрытия и к разъеданию алюминия коллектора тока.

Из-за реакции графита с электролитом появляется пористый слой, на создание которого тратится часть лития. При нагреве или глубоком разряде аккумулятора этот слой частично растворяется в электролите, и на создание нового защитного слоя опять тратится литий. К тому же, толстый защитный слой препятствует свободному перемещению ионов Li, что негативно сказывается на характеристиках аккумулятора.

Как сохранить аккумулятор 18650

В вопросе, как сохранить литий-ионный аккумулятор 18650 или другого типоразмера от ускоренной деградации, используются разные методы:

1. Применение электролитических добавок, препятствующих негативным реакциям между электродами и электролитом.
2. Поиск более стабильных кристаллических структур для создания электродов.
3. Использование более стабильных электролитов и связующих материалов.
4. Усовершенствование корпусов и температурных систем управления – для сохранения аккумуляторов в безопасном температурном диапазоне.
5. Соблюдение правил эксплуатации, в т. ч. исключение перегрева аккумуляторов и их глубокого разряда.

Источник

Что именно убивает Li-ion (литий-ионный) аккумулятор?

Им характерны значительные ограничения, они небезопасны, недолговечны. Главная проблема литий-ионных аккумуляторов — несовершенство.

Поскольку создать что-то получше пока не удаётся , производители стремятся нивелировать недостатки технологии . Например, прибегают к различного рода ухищрениям, инженерным новациям и новым материалам электродов, сепараторов, электролитов.

🔎 Кстати взгляните , что внутри аккумулятора телефона/смартфона.

Предположим, Вы как пользователь идеально эксплуатируете аккумулятор литий-ионного (Li-Ion) или литий-полимерного (Li-Polymer) типа. Так мы исключаем человеческий фактор. Тогда главным негативным фактором для него будет время .

Другими словами, износ происходит постоянно в любом режиме. Но что именно вызывает старение и сопутствующие проблемы с литий-ионным аккумулятором (и литий-полимерным, так как они эквивалентны)?

Главный источник износа (проблемы) литий-ионных аккумуляторов

Из-за низкой устойчивости к высокому напряжению на поверхности углеродной матрицы отрицательного электрода возможно осаждение металлического лития. Он обладает большой реакционной способностью к электролиту. На положительном электроде активно выделяется кислород.

1. Катод выделяет избыток кислорода.
2. Кислород вступает в реакцию с электролитом.
3. В процессе реакции образуется диэлектрическая оксидная плёнка.
4. Плёнка заполняет поверхность катода.
5. Присутствие плёнки на катоде препятствует передаче энергии между электродами [ инжекции ].
6. Уменьшение количества передаваемой энергии снижает производительность* всей батареи — падает ёмкость, увеличивается внутреннее сопротивление.

⭐- узнайте, что означает термин « производительность аккумулятора » в отношении технологии Li-Ion.

Любопытен факт, что дальнейшее движение электронов в плёнке под воздействием поля изучено недостаточно хорошо. Исследования проводятся по сей день.

Как решают проблему литий-ионных аккумуляторов?

С помощью нанесения на катод специальных покрытий . У всех производителей они разные, что влияет и на качество изделия, в общем-то. Сейчас в основном это токопроводящие полимеры [ источник ].

I. Какие задачи выполняет такой материал?

В основном он уменьшает скорость образования плёнки. В ряде проектов даже препятствует её образованию.

Повторимся, у разных производителей отличаются решения. Исследования в этой области не останавливаются уже 30 лет.

II. Универсального решения нет

К сожалению, универсального материала нет. Их присутствие на катоде неизбежно замедляет вход и выход ионов лития. Общая эффективность аккумулятора снижается.

🔥 Производитель вынужден выбирать — или долгий срок службы, или хорошие характеристики сразу после покупки?

Ухудшение характеристик всё еще может происходить. Катод аккумулятора покрывается не полностью и не всегда качественно. А если он работает ещё и при высокой температуре или на высоком напряжении, то полезный эффект такого материала может быть минимальным.

III. Увеличить срок службы или выделиться на фоне конкурентов?

Как вы думаете, с экономической точки зрения, что выгоднее?

• Долгий срок службы, но дорогой материал.
  То есть нанести дорогостоящий материал на катод и получить долгий срок службы (напомним, литий-ионные аккумуляторы служат в среднем два-три года).
• Сразу дать хорошие характеристики и сэкономить на материале.
  При острой конкуренции, как например, сейчас на смартфонном рынке, сразу выдать изделие с отменными характеристиками, а там, когда плёнка образуется на всём катоде, изделие уже будет устаревшим.

IV. Всё зависит от цели аккумулятора

В электроинструменте, электромобилях и другой электронике длительной эксплуатации, разумеется, играет значительную роль срок службы. Он нужен как раз для получения конкурентных преимуществ.

В смартфонах, мелкой бытовой электронике с жизненным циклом не более пяти лет аккумуляторы со сроком службы два-три года вполне вписываются в концепцию. Нет смысла применять покрытие, которое ещё и не покрывает всю поверхность катода.

Источник