Литий-ионные аккумуляторы: устройство, принцип работы, виды и применение

Принцип работы любого электрического аккумулятора заключается в накоплении электрической энергии в процессе химической реакции, происходящей при протекании через аккумулятор зарядного электрического тока, и генерации электрической энергии при протекании разрядного тока в процессе обратной химической реакции.

Обратимость химической реакции в аккумуляторе позволяет многократно разряжать и заряжать аккумулятор. В этом и заключается преимущество аккумуляторов перед одноразовыми источниками тока, обычными батарейками, в которых возможен лишь разрядный ток.

В качестве среды для переноса заряда с одного электрода аккумулятора на другой, используется электролит – специальный раствор, благодаря химической реакции которого с материалом на электродах становятся возможными как прямая, так и обратная химические реакции в аккумуляторе, что и делает возможным как заряд аккумулятора, так и его разряд.

Сегодня одним из наиболее перспективных типов аккумуляторов является литий-ионный аккумулятор. В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) выступает алюминий, а в качестве положительного электрода (анода) – медь. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

Полимерные электролиты, способные внедрять в свой состав соли лития, в силу своей пластичности делают возможным изготовление литий-ионных аккумуляторов с большой внутренней поверхностью и почти любой формы, а это значительно повышает как технологичность производства, так и массогабаритные характеристики.

В процессе заряда такого аккумулятора, ионы лития перемещаются через электролит, и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде, образуя соединение графитит лития LiC6. При разряде происходит обратный процесс – от анода ионы лития движутся к катоду (окислителю), а во внешней цепи к катоду движутся электроны, в результате процесс приобретает электрическую нейтральность.

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 вольта, однако разность потенциалов при зарядке может достигать 4,23 вольта. В связи с этим фактом, заряд производится при максимально допустимом напряжении не более 4,2 вольта.

Некоторые соединения лития могут легко возгораться, если напряжение превышено, поэтому в литий-ионные аккумуляторы, традиционно, встраиваются контроллеры уровня заряда, не допускающие превышения критического напряжения. Еще одним способом обеспечения безопасности является встроенный клапан для сбрасывания избыточного давления внутри пакета.

Литий-ионные элементы всегда закрыты воздухонепроницаемой оболочкой, так как воздействие воды и кислорода в атмосфере может быстро повредить компоненты элемента.

В случае перезарядки или другого события, вызывающего повышение давления газа, устройство отключения тока изнутри отключает элемент от внешних подключений.

В призматических ячейках для этой цели часто используется диск, который выталкивается наружу из-за чрезмерного давления газа. К диску прикреплен положительно заряженный язычок, который в такой ситуации разрывает соединение. В цилиндрических звеньях сужение по окружности стенки звена позволяет ему удлиняться, что приводит к разрыву внутреннего соединения.

Ячейка иногда также включает в себя резистивный датчик температуры, сопротивление которого увеличивается с повышением температуры. Этот элемент имеет очень низкое (почти незначительное) сопротивление при комнатной температуре, а выше определенной температуры его сопротивление быстро увеличивается. Такие защиты могут быть встроены в ячейку, чтобы снизить риск термической нестабильности из-за внешних причин.

Литий-ионные аккумуляторы уже заняли свое достойное место на рынке портативной бытовой техники. Это элементы питания сотовых телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, планшетов, плееров, и т.д.

Моя статья на Яндекс Дзен:

Литий-феррофосфат LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. Кобальтат лития LiCoO2, в свою очередь, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения, ведь если из него извлечь литий полностью, то структура станет нестабильной, кобальт перейдет в степень окисления +4 и сможет окислить кислород, а выделяющийся атомарный кислород станет окислять электролит, и произойдет взрыв. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.

Литий-феррофосфат LiFePO4 был предложен в качестве катодного материала аккумуляторов для более мощных устройств в 1997 году Джоном Гуденафом.

Литий-феррофосфат есть в земной коре, и не создаст никаких экологических проблем в будущем. Из него не может выделяться кислород, так как он весь очень прочно связан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона. Однако, для возможности применения этого материала, его нужно было раздробить на мелкие частички, иначе он остался бы изолятором в силу очень малой проводимости. Частички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направления движения ионов лития, затем покрыли нанометровым слоем углерода.

Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.

С точки зрения современной науки, разработка и выпуск даже портативного наноаккумулятора не заставит себя долго ждать, и слово лишь за широким технологическим внедрением разработок. Что касается перспектив электромобилей, то сейчас уже можно считать, что именно они станут основным видом транспорта в городах ближайшего будущего.

Источник

Уоррен Баффет поставил на литий-ионные батареи. Как можно заработать вам?

Рынок электромобилей заметно оживился за последние десять лет. На конец 2018 года в мире было уже 5,1 млн электромобилей. А это на 60% больше, чем в конце 2017 года.

Многие автомобилисты перешли на машины с электрической тягой после ужесточения регулирующими органами требований к количеству вредных выхлопов в атмосферу. Это связано с тем, что электромобили считаются более экологичным видом транспорта.

За десятилетие сильно упали и цены на электрокары. Дело в том, что одновременно с ростом продаж электромашин выросло производство аккумуляторных (литий-ионных) батарей, стоимость которых к тому же снизилась на 85%. Аккумуляторы — одна из самых важных, но до недавнего времени чрезвычайно дорогих частей электромобиля. Еще несколько лет назад их стоимость доходила до половины стоимости машины.

Помимо автомобилей, литий-ионные аккумуляторы как накопители энергии используются во многих областях экономики. Так что есть много способов, чтобы заработать на аккумуляторах, считают в CNBC. Наиболее очевидным вложением могут быть бумаги автомобильных компаний — таких как Tesla или Ford.

Когда появились литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы были разработаны еще в 1970-х годах. Но только в 1991 году компания Sony нашла им первое коммерческое применение. Она встроила их в портативный видеорегистратор.

Сейчас такие батареи можно найти почти везде — от айфонов до медицинских приборов, самолетов и международной космической станции. В прошлом году трем ученым, разработавшим литий-ионную батарею, была присуждена Нобелевская премия по химии.

Литий-ионные батареи — это ключ к снижению зависимости от ископаемого топлива, пишет CNBC. По оценкам швейцарского банка UBS, за ближайшее десятилетие рынок накопителей энергии может вырасти до $426 млрд.

Tesla — первопроходец на рынке электромобилей

Первой автомобильной компанией, которая выпустила на рынок электромобиль с питанием от литий-ионной батареи, стала Tesla: в 2008 году был представлен полностью электрический спортивный автомобиль Tesla Roadster.

В то время автопроизводители разрабатывали гибридные модели, сочетающие бензиновый и электрический двигатели. О полностью электрической тяге речь не шла, поскольку такие автомобили стоили недешево. К примеру, Tesla продавала Roadster за $110 тыс.

Сейчас производство электромобилей — уже более выгодный и менее трудозатратный бизнес, чем выпуск машин с бензиновым мотором. Практически все автопроизводители либо уже продают, либо планируют выпускать полностью электрические или по крайней мере гибридные автомобили.

В ноябре Ford сообщил, что начинает прием заказов на Mustang Mach-E. Это полностью электрический автомобиль легендарной модели. Ford разработал Mustang Mach-E одним из первых в линейке 40 электромобилей, которые Ford планирует изготовить к 2022 году.

Volkswagen в марте пересмотрел свои планы по производству электромобилей. К 2028 году компания намеревается выпустить 70 новых моделей электромобилей. Предыдущий ориентир составлял 50 машин.

В прошлом году глава концерна GM Мэри Барра сообщила инвесторам, что в 2021 году компания планирует выйти на безубыточное производство электромобилей. А британский Jaguar Land Rover, принадлежащий индийской Tata Motors, намерен в ближайшее десятилетие превратить компанию в чистого производителя электромобилей.

По данным Международного энергетического агентства, в мире только за 2018 год было продано 1,98 млн электромобилей, заряжаемых от внешнего источника питания. Как мы писали выше, общее количество машин на электрической тяге составило 5,1 млн. Пока это относительно немного, поскольку сейчас на дорогах в совокупности более 1 млрд автомобилей. Однако эксперты ожидают, что доля электромобилей будет расти.

Bloomberg NEF прогнозирует, что к 2040 году из общего объема продаж 57% придется на электромобили.

Кто производит батареи

Как и многие автопроизводители, Tesla отдает производство батарей на аутсорсинг. Специально для Tesla их делает японская Panasonic. Впрочем, самой разработкой батарей производитель занимается сам.

Не так давно аналитики Credit Suisse написали, что отдают должное компании Tesla за разработку батарей. Акции компании демонстрируют наихудшую динамику в секторе, однако у Tesla есть преимущество перед другими производителями электромобилей, считают в банке. И это сфокусированность Tesla на аккумуляторах для электромобилей.

«Мы считаем, что Tesla является лидером в областях, которые могут определить будущее автомобилестроения. Это программное обеспечение и электрификация», — заявил аналитик Credit Suisse Дэн Леви.

Недавно издание Reuters провело исследование, назвав имена крупнейших в мире производителей аккумуляторных батарей для электромобилей. Лидер этого рынка — китайская Contemporary Amperex Technology. Она сотрудничает с такими автопроизводителями, как BMW, Volkswagen, Daimler, Volvo, Toyota и Honda.

Уже упомянутая Panasonic — на втором месте. Компания производит аккумуляторы для электромобилей в Японии и Китае. Однако главная фабрика у Panasonic расположена в Неваде (США). Там производятся батареи для машин Tesla.

В тройку крупнейших в мире производителей батарей для электромобилей вошла и китайская BYD. Она использует батареи в основном для собственных автомобилей и автобусов, но планирует запустить производство в Европе. Примечательно, что в BYD инвестировал деньги знаменитый инвестор Уоррен Баффет . Ему принадлежит 25% компании.

А что с акциями

На данный момент аналитики не верят в рост Tesla. Консенсус, собранный сервисом Refinitiv, ожидает, что в ближайший год акции производителя подешевеют на 33%, до $315 за штуку. Тем не менее эксперты, вошедшие в консенсус, рекомендуют держать бумаги Tesla.

По акциям Ford рекомендация также держать. Но эксперты в среднем полагают, что на горизонте года они вырастут на 11%, до $10,23 за бумагу.

Начать инвестировать можно прямо сейчас на РБК Quote. Проект реализован совместно с банком ВТБ.

Американский бизнесмен и один из известнейших инвесторов в мире. Основной владелец и CEO инвестхолдинга Berkshire Hathaway.

Источник

«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