Литий ионные аккумуляторы содержание лития

Литий-ионная аккумуляторная батарея: особенности химической архитектуры

Главная страница » Литий-ионная аккумуляторная батарея: особенности химической архитектуры

Литий характеризуется лёгким веществом относительно других металлов. Этот химический элемент обладает выраженным электрохимическим потенциалом, способен генерировать максимум удельной энергии по отношению к весовым параметрам. Аккумуляторные батареи, оснащённые электродами на основе металлического лития, демонстрируют высокий уровень плотности энергии. Какой реально видится специалистами литий-ионная аккумуляторная батарея в идеальном исполнении? Рассмотрим тему.

Литий-ионная аккумуляторная батарея

Впервые литий-ионная батарея была изготовлена компанией «Sony» в 1991 году. На современном этапе этот вариант химии остаётся многообещающим, быстро набирающим рост на коммерческом рынке.

Тем не менее, исследования по разработке безопасных металлических литиевых батарей продолжаются. Учёные надеются создать эффективный продукт во всех отношениях.

Литий-металлические аккумуляторные батареи – один из вариантов изготовления низковольтных источников питания достаточно высокой ёмкости

Согласно отчётам 1994 года, производство литий-ионных батарей ёмкостью 1000 мА/ч оценивалось в размере $10. На момент 2001 года стоимость снизилась до $2, вместе с тем ёмкость изделий выросла до 1900 мА/ч.

Теперь выпускаемые литий-ионные АКБ обеспечивают уже не менее 3000 мА/ч ёмкости, при ещё большем снижении затрат. Очевидный момент:

• снижение финансовых издержек,
• повышение удельной энергии,
• исключение токсичных материалов,

это путь к производству универсальных литий-ионных батарей, применимых под портативное использование в лёгкой и тяжёлой промышленности. Отдельный сектор – автомобильные электро-силовые агрегаты.

Процесс цикла АКБ, однако, сопровождается образованием на электроде нежелательного компонента — дендритов. Проникающие в структуру сепаратора дендриты вызывают короткое замыкание.

Температура ячейки АКБ стремительно повышается до граничного значения плавления лития, что чревато возгоранием аккумулятора. Какой же должна быть литий-ионная аккумуляторная батарея в идеальном исполнении?

Характерная нестабильность металлического лития, отмечаемая в процессе зарядки АКБ, заставила перенести исследования на растворы неметаллического характера, насыщаемые ионами лития.

Удельная энергия при этом снижается, но литий-ионная аккумуляторная батарея характеризуется более безопасным процессом. Высокая степень безопасности литий-ионной АКБ обусловлена факторами напряжения и тока.

Типичное исполнение литий-ионных батарей

Подобного типа литий-ионный аккумулятор представляет энергетическую батарею, периодическое техническое обслуживание которой не предусматривается.

Преимущество в этом явное, учитывая, что многие другие химические продукты подобного класса не могут претендовать на такой подход. Литий-ионный аккумулятор исключает эффект «памяти», конструкция не критична к изменениям формы.

Продукты компании SONY. Каждый из таких аккумуляторов нашёл широкое распространение как миниатюрный источник питания бытовой и другой техники

Саморазряд литий-ионной АКБ составляет менее 50% по сравнению с продуктами на базе никеля. Этот фактор делает технологию «Li-ion» удачно подходящей под универсальное применение (например, в составе топливомеров). Номинальный параметр напряжения для литий-ионной ячейки (3,6В) позволяет напрямую питать:

• сотовые телефоны,
• цифровые видеокамеры,
• прочую аппаратуру,

предлагая упрощённый подход, а также снижение издержек производства относительно других БП.

Содержимое архитектуры классической Li-Ion

Подобно архитектуре на основе свинца и никеля, литий-ионная архитектура содержит:

• катод (электрод положительного потенциала),
• анод (электрод отрицательного потенциала),
• электролит (проводник электронов).

Катод выполнен из материала на основе оксида металла. Анод изготовлен из материала — пористого углерода. По факту разряда литий-ионного аккумулятора, ионы перемещаются от анода в сторону катода, преодолевая структуру электролита и сепаратора.

Обратный вариант, когда имеет место заряд аккумулятора, направление хода ионов изменяется от катода в сторону анода.

Химические процессы, протекающие внутри структуры литий-ионной батареи: 1 – катод на базе оксида металла лития; 2 – направление заряда/разряда; 3 – анод на основе графита (угольный электрод)

Процедура заряда/разряда и переменное движение ионов между катодом и анодом приводят к окислению отрицательного электрода (анода). При этом число электродов на аноде уменьшается, тогда как на катоде отмечается увеличение. Заряд меняет направление течения электронов.

Материалы, применяемые для построения структуры литий-ионной батареи, теоретически обладают удельной энергией. Ключ к достижению высокой ёмкости и эффективной передачи энергии следует искать, в первую очередь, на катоде.

Достижения в разработках литий-ионных АКБ последних 10 лет показывают, что именно катод характеризует литий-ионную батарею. Общим материалом катода литий-ионной АКБ выступают:

• оксид лития-кобальта (литий-кобальтат),
• оксид лития-марганца (литий-марганат),
• литий-фосфат железа,
• литий-никель-марганцевый кобальт,
• литий-никель-кобальтовый алюминий.

Оригинальный продукт производства Sony

Оригинальная архитектура литий-ионной батареи производства «Sony» отличалась применением кокса под материал анода. Начиная с 1997 года львиная доля литий-ионных батарей построена на графите.

Благодаря графитовой основе, удаётся получить более плоскую кривую процесса разряда. Продолжаются изыскания (разработки) лучшей структуры анода. Теперь тестируется ряд химических добавок, включая сплавы с кремнием.

Оригинальный миниатюрный аккумулятор Sony – продукт из серии литий-ионных батарей современной разработки, которые отличаются высокой ёмкостью и продолжительной работой

Известный материал кремний обеспечивает рост удельной энергии до 20-30%, благодаря малым токам нагрузки. Другая анодная добавка литий-ионной архитектуры — наноструктурированный литий-титанат, демонстрирует следующие качества:

• продолжительный срок службы,
• лучшие характеристики нагрузки,
• работу при низких температурах,
• безопасность.

Однако на низком уровне остаётся удельная энергия.

Усиление качественных показателей структуры

Смесь катодного и анодного материалов демонстрирует возможности для усиления качества структуры. Но улучшение одного компонента ставит под угрозу нарушение другого компонента. К примеру, если оптимизировать:

• удельную энергию,
• нарастить удельную мощность,
• нарастить срок службы,
• усилить безопасность,

недостатком остаётся существенное снижение нагрузки. Оптимизация под эксплуатацию с токами высокого уровня приводит к снижению удельной энергии. Упрочнение структуры литий-ионной ячейки под длительный срок службы приводит к усилению безопасности.

Но тогда приходится увеличивать габариты батареи и наращивать размер толщины сепаратора. Между тем сепаратор – это наиболее дорогостоящая деталь литий-ионной батареи.

Примерно так выглядит реально сепаратор аккумулятора с литий-ионной структурой – самый дорогостоящий элемент конструкции автономного источника питания

Таблицей ниже представлены обобщённые характеристики литий-ионной архитектуры с различным катодным материалом. Таблица ограничивает химический состав четырьмя наиболее популярными литий-ионными системами. Применяется краткая форма описания.

Разновидности химической формулы конфигурации

Аббревиатура NMC (никель-марганец-кобальт) – химическая формула относительно новой конфигурации, адаптированная под высокую нагрузку. Литий-ион-полимер далеко не уникальная химическая формула, отличается только конструктивным исполнением.

Литий-полимер изготавливается различными химическими составами. Наиболее широко применяемым остаётся Литий-кобальт.

Таблица обобщённых характеристик литий-ионных батарей:

Источник

На Токе заряженный портал

Химия литиевых аккумуляторов формата 18650: отличия, преимущества и недостатки — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Химия литиевых аккумуляторов формата 18650: отличия, преимущества и недостатки

Химия литиевых аккумуляторов формата 18650: отличия, преимущества и недостатки

Многие из пользователей юзают разнообразные перезаряжаемые источники питания — используют они их и для вейпинга, и для других целей. Но, довольно большое количество фанатов электронных сигарет не знают, что одни электроаккумуляторы дозволяется использовать в модах, а другие вполне могут представлять опасность для юзера. В данной теме я хочу объяснить химию Li-ion аккумуляторов и её различия доступным для среднестатистического обывателя языком, чтобы юзер понимал, с чем он реально имеет дело.

Что в имени твоём?

Начнём с таблицы, в которой приведены полные названия электронакопителей формата 18650, химические формулы, а также их сокращения:

Любой из приведённых выше химсоставов, может предложить как положительные качества, так и отрицательные. Далее в теме, я заострю внимание на каждом химическом составе, на примере распространённых моделей форм-фактора 18650. Но сперва следует разобраться, что конкретно означают все эти названия.

Li-ion АКБ самого популярного формата 18650 имеет в своём распоряжении три составляющих: анод, катод и электролит.

Что касается анода, то практически у всех Li-ion батарей он одинаковый — это смесь углерода/кремния и графита. Катод же напротив, является тем, чем АКБ разнятся между собой и именно он придаёт каждой модели аккумулятора неповторимые свойства.

Формулы в размещённой в начале темы таблице, касаются катода электронакопителя. Компромиссами химсостава отрицательного электрода являются мощность, энергия, продолжительность службы, а также безопасность. К примеру, химия ICR, в основе которой кобальт, предлагает повышенную энергию и солидную ёмкость, но в то же время, к сожалению, она не является самой безопасной. А вот если взять для сравнения IMR, то этот состав будет безопаснее, однако в его распоряжении более скромная пропускная способность, относительно ICR. Если добавить к марганцу никель, то получим более высокий показатель удельной энергии.

Вот мы и узнали, что конкретно означает химсостав литиевой батареи, а теперь, настало время обсудить каждый в деталях.

Литий-магний (короткие названия IMR/LMO)

Такие девайсы высокого тока применяются главным образом в вейпинге и мощных осветительных приборах. Марганец внёс свою лепту в благое дело: он даёт возможность АКБ разряжаться при высоком токе не слишком греясь по ходу дела. Что это даёт пользователю? Безопасность! По этому показателю, IMR обыгрывает многие старые электронакопители ICR. Кроме того, большинство литий-магниевых батарей не нуждаются в интегрированной защитной плате PCB.

Для полного счастья, в состав большинства нынешних высокотоковых АКБ, вдобавок внедряется никель.

Литий-марганцевый никель (короткие названия INR/NMC)

INR является полноправным чемпионом среди батарей формата 18650! Он обыгрывает предыдущего оппонента по объёму внедрённого в его состав никеля, что делает INR «гибридом». Данная химия комбинирует в себе пониженное сопротивление марганца, повышенную энергию никеля и в придачу безопасность. Этот химсостав демонстрирует достаточно большую ёмкость и высокий ток разряда.

Что касается вейперов, то для них INR просто находка: он обладает крайней стабильностью, а это в свою очередь позволяет не встраивать вспомогательное средство защиты. Ещё, INR может похвастать самыми большими инновациями. Такие мировые гиганты электроники как Sony, Samsung и LG, занимаются разработками электроаккумуляторов INR следующей генерации с разными пропорциями кобальта, марганца и никеля.

Популярные модели INR 18650:

• Samsung 25R(ссылка);
• Sony VTC4(ссылка);
• Sony VTC5(ссылка);
• LG HE2(ссылка).

*Ссылки на AliexPress. На территории РФ, эти элементы также опасно покупать как и на Али, почти всегда можно нарваться на левак, но на Али хотя бы цена ниже да и производители китайские, земляки наверное лучше копируют. Сами ссылки не проверены нами, и размещены для наглядности.(прим. ред.)

Литий-алюминий (короткое название NCA)

Данный химсостав имеет схожесть с INR, но у него отсутствуют положительные свойства марганца. Как правило, подобная продукция может выдержать невысокие разрядные токи, однако она компенсирует это недоразумение более солидной ёмкостью и длительностью жизненного цикла. У NCA имеет место ещё одно достоинство — они обладают повышенной устойчивостью к физическим воздействиям, что позволяет эффективно использовать их на электрических велосипедах и не только. К примеру, популярный американский производитель электрокаров Tesla, устанавливает подобное оборудование на свои элитные транспортные средства.

Популярные модели NCA 18650:

• Panasonic 18650PF(ссылка);
• Panasonic 18650B(ссылка);
• LG MH1(ссылка);

*Ссылки на AliexPress. На территории РФ, эти элементы также опасно покупать как и на Али, почти всегда можно нарваться на левак, но на Али хотя бы цена ниже да и производители китайские, земляки наверное лучше копируют. Сами ссылки не проверены нами, и размещены для наглядности.(прим. ред.)

Литий-никель-кобальт (короткое название NCO)

Такой состав является скорее экзотикой, чем массовым продуктом. Для тех, кто всё-таки захочет опробовать на себе NCO, могу дать совет: ищите модель Samsung 29E, в распоряжении которой ёмкость 2900 mAh и предельный непрерывный разрядный ток 8,2 A.

Литий-кобальт (короткие названия ICR/LCO)

ICR предлагает юзерам самую большую удельную энергию, но в то же время имеется при этом и весьма серьёзное разочарование: литий-кобальт — опаснейший химсостав среди всех Li-ion накопителей форм-фактора 18650. Вдобавок, данное обстоятельство будет являться сложностью для высокотокового разряда, ведь ICR небезопасно подвергать разрядке сверх допустимой ёмкости.

Если вы планируете применять такие накопители для вейпинга либо мощного осветительного оборудования, то обязательно выбирайте модель с интегрированной защитной платой PCB. Она зачастую добавляется сторонними разработчиками, такими например, как Trustfire.

ICR — не самый лучший выбор для фонариков и фотокамер, зато такие аккумуляторы можно вполне юзать к примеру на ноутбуке. Батарейки доступны по цене, однако многим покажутся слишком капризными.

Литий-фосфат (короткие названия IFR/LFP)

IFR много в чём великолепны, однако присутствуют и недостатки: у них низкое номинальное напряжение — всего 3,2 V, что не даёт изделиям возможность влиться в когорту высокотоковых электронакопителей. Подливает масла в огонь и другое малоприятное обстоятельство: процесс саморазряда протекает у таких химических составов быстрее, чем у электробатарей с иным содержанием.

Из достоинств можно выделить такие: высокие номинальные токи (до 30C) и при этом сохраняется высокий показатель ёмкости, также IFR переносят больше зарядов/разрядов по сравнению с конкурентами.

Заключение

Безусловно, любой уважающий себя пользователь просто обязан знать как расшифровываются все эти заумные обозначения. Но и это ещё не всё: нужно понимать, что разные химсоставы, обладают и разными свойствами, которые, естественно, нужно уметь применять с умом, то есть, использовать на тех устройствах, где они больше всего уместны и принесут максимум пользы, тогда и проблем у вас не будет!

Источник