Литиевые аккумуляторы как устроены

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

Сложно представить себе жизнь современного человека без мобильного телефона, планшета, ноутбука, mp3 плеера, колонки и прочих переносных портативных гаджетов. Но вряд ли можно было бы представить себе их работу без качественного источника питания. Одним из наиболее распространенных вариантов для электроснабжения переносных устройств является литий-ионный аккумулятор. Как устроен и чем примечателен такой аккумулятор, мы рассмотрим в этой статье.

Устройство и принцип работы

Литий, как химический элемент давно известен способностью легко отдавать заряд за счет одного электрона расположенного на внешней орбите. Однако в соединениях литий стабилизируется, и его соли плохо вступают в реакцию. В Li-Ion аккумуляторах задача применения свойств этого химического элемента для питания электрических потребителей решается за счет конструктивных особенностей.

Рис. 1. Устройство литий-ионного аккумулятора

Конструктивно литий-ионный аккумулятор состоит из следующих частей:

• Положительно заряженный электрод – выполняется из алюминиевой фольги. Как правило, он выполняется из трех слоев, первый из которых представляет собой алюминий, а другие два – это порошковые или гелиевые напыления. В состав покрытия включаются проводящие основы и углеродистые структуры.
• Отрицательно заряженный электрод – композитный элемент изготавливаемый на основе медной фольги, которая покрывается наноструктурированными солями лития. Которые представлены соединениями лития с железом или кобальтом, их наносятся на медную поверхность посредством проводящего клея.
• Электролит – предназначен для наполнения пространства между анодом и катодом. В ходе эксплуатации литий-ионного аккумулятора электролит пропускает положительные ионы лития, но являются непроходимым препятствием для отрицательно заряженных электронов. Как правило, жидкий электролит выполняется на основе литиевых солей.
• Сепаратор или разделитель – применяется для отделения анода от катода, позволяет избежать необратимой химической реакции в случае внутреннего короткого замыкания пластин или при прорастании дендритов. Чаще всего выполняется из пористого листового полиэтилена, находящегося в слое электролита.

В соответствии с п.3.6 ГОСТ Р МЭК 62660-1-2014 под литий-ионным аккумулятором следует понимать такой аккумулятор, у которого при заряде от катода ионы лития переходят в анод, а в случае разряда через нагрузку перемещаются обратно. На этапе изготовления источника питания система положительного и отрицательного электрода находится в стабильном состоянии.

Рис. 2. Изначально система литий-ионного аккумулятора в стабильном состоянии

Как только к обкладкам будет приложено зарядное напряжение, под его воздействием начнется процесс выделения электронов из атомов лития, с образованием положительно заряженных ионов.

Рис. 3. Под воздействием зарядного напряжения из атомов выделятся электроны

Электроны начнут притягиваться к медному электроду, но не смогут проникнуть через толщу электролита. Поэтому элементарные заряженные частицы начнут перемещаться по замкнутой цепи.

Рис. 4. Электроны по замкнутой цепи перейдут от катода к аноду

В то время как положительно заряженные ионы лития смогут беспрепятственно проникнуть через электролит и перейдут в пористый графитовый слой. Таким образом, происходит накопление заряда в литий-ионном аккумуляторе, процесс продолжается до насыщения катодной зоны.

Рис. 5. Ионы лития переместятся через электролит

В итоге получается такое состояние литий-ионного аккумулятора, при котором отрицательный электрод обладает определенным зарядом, но его состояние крайне нестабильно. Скопившиеся под воздействием постороннего источника питания ионы лития и электроны уравновешивают друг друга.

Рис. 6. Заряженное состояние литий-ионного аккумулятора

Такой баланс заряда в литий-ионном аккумуляторе сохраняется до тех пор, пока к его выводам не подключат какую-либо нагрузку.

При подключении любого электрического прибора для электронов, расположенных в отрицательно заряженном электроде, появиться путь для перемещения в направлении катода.

Рис. 7. При подключении нагрузки электроны переместятся обратно к катоду

Электроны будут перемещаться по внешней электрической цепи, а положительно заряженные ионы лития пройдут сквозь электролит литий-ионного аккумулятора. Направленное движение отрицательно заряженных ионов и создает электрический ток. По мере перемещения заряженных частиц от отрицательного электрода к положительному, аккумулятор будет разряжаться, а для восстановления энергии, его потребуется подзарядить снова.

Характеристики

В эксплуатации литий-ионного аккумулятора опираются на его технические параметры. К основным характеристикам батарей данного типа относят:

• Плотность энергии – измеряется в Вт*ч/кг, для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего, находится в пределах от 90 до 120.
• Удельная мощность – определяет количество энергии в единице веса, составляет порядка 1 – 1,8 кВт/кг.
• Процент саморазряда – определяет количество растрачиваемой аккумулятором энергии за период времени. Для литий-ионных моделей составляет 2 – 3% в месяц. При условии нахождения батареи в комнатной температуре саморазряд составляет только 7% в год.
• Допустимый диапазон температур – для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего составляет от — 30 до +50°С, но в некоторых моделях может варьировать в пределах от – 60 до +70°С.
• Число циклов – указывает количественное выражение для возможности разряда и последующего заряда до выхода литий-ионного аккумулятора со строя. В зависимости от модели и конструктивных особенностей составляет от 2 до 5тысяч циклов. А при 0,5 – 1 тысяче, как правило, теряется порядка 20% начальной емкости.
• Минимальное и максимальное напряжение – для литий-ионных аккумуляторов наименьшая величина составляет в пределах 2,2 – 2,5В, а наибольшая составляет 4,25 – 4,35В.
• Время заряда – при оптимальном режиме составляет около 2 – 4 часов.

Преимущества и недостатки

В последнее время литий-ионные аккумуляторы заняли свою весомую нишу в сфере независимых источников питания и продолжают вытеснять другие модели. Такой успех объясняется рядом весомых преимуществ:

• Обладают высокой энергетической плотностью, в сравнении с щелочными, кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными.
• В сравнении с другими видами, один элемент характеризуется куда большей величиной напряжения, которую тот способен выдать.
• Характеризуются довольно большим количеством циклов заряда и разряда, благодаря чему могут похвастаться более длительным сроком эксплуатации.
• Может функционировать в достаточно широком температурном диапазоне.
• В сравнении с другими типами аккумуляторов, не содержит веществ, представляющих угрозу экологии.

Однако, на ряду с преимуществами, литий-ионные аккумуляторы характеризуются и некоторыми недостатками. Так, в случае несоблюдения основных режимов заряда или эксплуатации батарея может не только выйти со строя, но и загореться. В случае понижения температуры менее допустимого предела, емкость аккумулятора может снизиться до 20%. При избыточном заряде литий-ионный быстро выходит со строя.

Особенности эксплуатации

В случае неправильной эксплуатации литий-ионные аккумулятор быстро выходят со строя. Как могли заметить некоторые владельцы мобильных телефонов, такая батарея часто вздувается, что мешает нормальному закрытию крышки.

Рис. 8. Вздутие литий-ионной батареи

Подобная ситуация является следствием выделения большого количества газов, которые и раздувают корпус Li-Ion батареи. В то же время, при правильной эксплуатации, источник питания прослужит в 10 раз дольше.

Одним из важнейших правил для литий-ионных источников питания является соблюдение умеренного температурного режима. Не допускается как чрезмерный перегрев, к примеру, оставлять моблиьный телефон на пляже под воздействием прямых солнечных лучей, возле обогревателей или в автомобиле на палящем солнце. В равной степени, как и резкие переохлаждения. В случае выявления чрезмерного нагрева в ходе заряда, необходимо прекратить процедуру и вынуть литий-ионную батарею для охлаждения.

В случае выявления испорченной и уже вздутой батареи, ни в коем случае не следует пытаться ее проколоть или отремонтировать. Лучше замените е на новую в целях собственной безопасности, но внимательно следите за соблюдением основных режимов и правильным зарядом.

Особенности зарядки

От правильного заряда зависит продолжительность работы литий-ионного аккумулятора и величина емкости, в сравнении с заводскими характеристиками. Так, следует отметить следующие особенности:

• Не стоит допускать полного разряда – хоть это и не однозначное утверждение, но постоянное использование накопленной в аккумуляторе электроэнергии на 100% очень быстро приведет к изнашиванию элементов. Но, здесь существует небольшая оговорка, один раз в три месяца, такую процедуру необходимо выполнять для сохранения верхнего и нижнего предела.
• Литий-ионные аккумуляторы обладают пусть и незначительным, но эффектом памяти. Поэтому заряжать их лучше полностью, так как постоянный недостаток заряда будет снижать емкость.
• Несмотря на наличие защиты от перезаряда практически во всех литий-ионных батареях, не стоит заряжать их более, чем предусмотрено заводом изготовителем.
• Для заряда обязательно используйте оригинальные блоки питания, так как применение нетиповых устройств может отрицательно сказаться на сроке службы литий-ионных аккумуляторов.

Источник

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