Материалы для аккумуляторов литий ионных аккумуляторов

Как устроен Li-Ion аккумулятор?

Автономную работу всевозможных устройств,отмобильных гаджетов до персонального электротранспорта, обеспечивают аккумуляторы. С учетом необходимых значений емкости и напряжения, они объединяются в аккумуляторные батареи. Ключевые характеристики АКБ – емкость, напряжение, масса, время восполнения заряда, допустимый температурный режим – зависят от типа используемой химии.

Для автономного питания современной техники успешно используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют большой циклический ресурс, малый саморазряд, широкий температурный диапазон и солидную удельную емкость. Катод у таких элементов выполнен из производных лития, а заряд переносят ионы Li. Далее мы подробнее рассмотрим устройство Li-ion аккумуляторов и принцип их работы.

Как устроена литий-ионная батарея?

В основе конструкции литий-ионного аккумулятора– 2 составляющие: анод, выполненный из пористого углерода на фольге из меди, и катод – из оксида лития на фольге из алюминия. Их разделяет пористый сепаратор из полипропилена, обильно пропитанный электролитом, который выполняет функции проводника. Система находится в герметичном корпусе. Электроды подключены к токосъемникам. Некоторые аккумуляторы дополнительно имеют клапан-предохранитель для сброса внутреннего давления.

Пластины из меди и алюминия, смазанные электролитом и разделенные пористой прослойкой, обычно сворачиваются в рулон. В итоге получается элемент цилиндрической формы. При другом способе укладки пластин получаются изделия в форме призм и пакетов. Состав катода бывает разным: LiMn2O4, LiFePO4, LiCoO2,LiMnO2, LiMnRON, LiC6, LiNiO2и т.д.

Типы Li-ionаккумуляторов

В зависимости от используемого материала катода литиевые элементы бывают:

1. Литий-марганцевые (LiMn2O4, LNO). Имеют меньшее внутреннее сопротивление, высокую мощность и умеренную емкость – 100–150 Вт·ч/кг. Стандартные токи заряда и разряда – до 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С и С-рейтингом разряда до 10С, а в импульсном режиме – до 50С. Ресурс – около 500 циклов. Применяются такие накопители в электроинструменте, силовых агрегатах, медицинском оборудовании.
2. Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO). Имеют высокую энергоемкость (150–200 Вт·ч/кг), но уступают аналогам по термической стабильности и сроку службы (500–1000 циклов). Токи заряда и разряда для таких элементов не должны превышать 1С. Накопители энергии на основе кобальта встречаются все реже, но еще используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC, NCM). Обеспечивают высокую мощность и емкость – 150–220 Вт·ч/кг, выдерживают 1000–2000 циклов. Стандартные токи заряда и разряда – 1С. Используются в медицинском и промышленном оборудовании, электровелосипедах и других видах электротранспорта.
4. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA). Отличаются высокой удельной энергоемкостью – 200–260 Вт·ч/кг. Имеют ресурс около 500 циклов, зарядные токи 0,7С и разрядные 1С. Обеспечивают автономное питание промышленного и медицинского оборудования, электрических силовых агрегатов и других устройств, требующих высокой емкости.
5. Литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4). Отличаются большим ресурсом (более 2000 циклов), термической и химической стабильностью, высокой безопасностью эксплуатации и малым внутренним сопротивлением. Их удельная энергоемкость составляет 90–120 Вт·ч/кг, ток зарядки – 1С, ток разрядки – до 25С. Используются такие элементы питания в устройствах, для которых важна выносливость аккумов, способность работать на морозе и выдерживать высокие токи нагрузки.
6. Литий-титанатные (LiTi). Отличаются низким номинальным напряжением (2,4 В) и удельной энергоемкостью 70–80 Вт·ч/кг, но быстро заряжаются, имеют широкий температурный диапазон и ресурс 3000–7000 циклов. Номинальные токи зарядки 1С, максимум – 5С. Допустимые разрядные токи – 10С, а при импульсной подзарядке – 30С. Литий-титанатные элементы считаются самыми безопасными. Используются они в уличном освещении, ИБП, электротранспорте.

Как работает литиевый аккумулятор?

Принцип работы Li-ion аккумуляторов идентичен для элементов всех типов, независимо от материала катода.Когда на электроды подается напряжение – «плюс» на оксид лития и «минус» на графит – положительно заряженные ионы лития отцепляются от молекул оксида и переходят на углеродную пластинку. В результате протекает окислительная реакция, и аккумулятор заряжается.

При работе литиевого аккумулятора под нагрузкой протекает обратный процесс. Ионы Li + возвращаются на пластинку из оксида лития, в свое стандартное состояние. Графитовая пластинка на фольге из меди становится «минусом», а оксид лития на фольге из алюминия – «плюсом».

Особенности зарядкиLi-ionэлементов

Литий-ионные элементы питания чувствительны к перезаряду. На поверхности анода при чрезмерном заряде осаждается металлический литий. Он выглядит как мелкий мшистый осадок и способен вступать в реакцию с электролитом. На катоде при перезаряде активно выделяется кислород. Внешне это может проявляться в виде интенсивного нагрева, роста давления и разгерметизации элемента.

Заряжаются Li-ionаккумуляторы в 2 этапа:

1. При стабильном значении тока 0,2С–1С до рекомендованного производителем напряжения, обычно – 4,1–4,2 В. Длится эта стадия около 40 минут.
2. При неизменном напряжении. Процесс зарядки завершается, когда значение зарядного тока уменьшается до величины, составляющей 3% от начального значения.

Быстрее происходит зарядка в импульсном режиме.Но для продления срока службы литиевых элементов их рекомендуется заряжать током, номинал которого составляет 50% от значения емкости, т.е. 0,5С.

Защита литиевых аккумуляторов

Элементы питания на основе лития защищены от коротких замыканийвнутри системы, например, с помощью 2-слойного сепаратора. Один из его слоев выполняется не из полипропилена, а из аналога полиэтилена. При риске короткого замыкания, к примеру, если дендриты лития прорастают к катоду, защитный слой локально нагревается, частично плавится, становится непроницаемым и блокирует последующее прорастание дендритов.

Для защиты от избыточного заряда и глубокого разряда накопители энергии снабжаются специальными ограничителями – платами защиты по току и напряжению. Они не допускают выхода напряжения за границы рекомендованного диапазона и в критических ситуациях автоматически отключают элемент от питания или нагрузки.

Поэтому для безопасной работы элементов и аккумуляторных батарей важно использовать BMSплаты. В противном случае высок риск повреждения аккумуляторов и их преждевременного выхода из строя. Такой контроллер зарядно-разрядного процесса может устанавливаться и на отдельные аккумуляторы, и на собранную из них батарею.

Производство литиевых элементов питания

Сырье для основных элементов в схеме Li-ion аккумуляторов – катода и анода – имеет вид мелкофракционного черного порошка. Чем мельче частицы, тем больше получается эффективная площадь электродов. Оптимальная форма частиц – сферическая, с гладкими краями, т.к. неровности чувствительны к токовым нагрузкам.

Производственный процесс состоит из следующих этапов:

1. Порошковидные материалы наносятся в виде суспензии на фольгу. Аноды и катоды обычно производятся в различных цехах, чтобы обеспечить максимальную чистоту материалов. Металлическая фольга играет роль токоприемника.
2. Фольга с нанесенными материалами сушится, разделяется на полоски и складывается в несколько слоев. Процесс сворачивания строго контролируется, т.к. любые дефекты способны привести к коротким замыканиям внутри системы.
3. Между пластинами анода и катода зажимается сепаратор, обработанный электролитом.
4. Пластинки сворачиваются рулоном или по другой схеме и помещаются в корпус.

Готовые изделия проходят тестирование – контролируемый цикл заряда-разряда. Подзарядку начинают с минимального напряжения и с постепенным его повышением.Протестированные изделия заряжаются до оптимального уровня, чтобы исключить риск значительного падения напряжения из-за саморазряда, и поставляются в продажу.

Предыдущая статья нашего блога посвящена сигнализации для электровелосипедов.

Источник

Литий-ионные аккумуляторы и все, что нужно о них знать

Инженеры-разработчики электронного оборудования пристальное внимание уделяют аккумуляторам, которые бы обеспечивали долгое автономное питание. Литий-ионный аккумулятор – разновидность электрического элемента питания, широко применяемого в бытовой электронике, цифровой технике. Литиевые батареи (аккумуляторы) устанавливаются в ноутбуках, смартфонах, камерах, фотоаппаратах, электромобилях.

Описание элементов питания

В состав литий-ионного аккумулятора входят электроды, поделенные пропитанными электролитным раствором пористыми сепараторами. Пакет с ними помещается в полностью герметичный корпус, аноды с катодами подключаются к токосъемным клеммам. На корпусе предусмотрен клапан для защиты от повышенного давления – он сбрасывает чрезмерное напряжение при авариях, проблемах с условиями эксплуатации.

Каждый li ion аккумулятор имеет значимые преимущества перед другими элементами питания.

• высокая энергоемкость;
• низкие саморазряды (снижение емкости);
• внушительный набор циклов зарядов и разрядов.

К недостаткам АКБ данного типа первого поколения можно было отнести подверженность взрывам. В итоге проблема была решена, а именно полностью устранена за счет замены анодного взрывного материала на графитный.

Проблемы естественного старения, деградации при некорректном применении актуальны и сегодня. Литий-ионные батареи утрачивают нормальную эффективность, могут полностью выходить из строя в случае полной разрядки.

Также они чувствительны к температурным режимам эксплуатации. Наиболее благоприятными условиями среды является диапазон 0–10 °C, остаток заряда должен быть не меньше 40 %.

Спустя пару лет интенсивного использования уйдет не менее 20 % емкости батареи, теряется она даже тогда, когда АКБ просто лежит и не используется.

История и перспективы

Первый элемент питания увидел свет в 1912 году, а в бытовых приборах стал использоваться ближе к 70-м. Литий-ионные аккумуляторы не сразу получили успех хотя бы потому, что было немало проблем с безопасностью их применения.

Исследователи новинкой заинтересовались и стали более активно заниматься разработкой литиевых неметаллических элементов питания.

Плотность энергии элементов вдвое превышает показатели NiCd стандартных батарей. В будущем за счет применения передовых активных материалов она должна быть дополнительно увеличена с достижением трехкратного превосходства над привычными NiCd.

Сегодня видов Li-ion аккумуляторов существует довольно много, каждый имеет свои преимущества и недостатки.

Плюсы и минусы

Литий-ионные батареи имеют такие преимущества:

• значительная емкость при стандартных габаритах (если говорить о никелевых элементах);
• низкие саморазряды;
• большое напряжение отдельно взятого (единичного) элемента.

Для сотовых зачастую используются именно такие АКБ. Для достижения заданных параметров мощности важно, чтобы элемент давал значительный ток. Возможно это только при условии отсутствующего внутреннего сопротивления батареи.

Стоимость обслуживания невысокая, поскольку эффекта памяти нет, а периодические циклы зарядов-разрядов не требуются – емкость в процессе эксплуатации практически не меняется.

Минусы у li-ion аккумуляторов тоже есть:

1. Потребность в применении встроенной защитной схемы (это повышает цену) – для ограничения максимальных параметров напряжения на каждом участки АКБ в ходе зарядки.
2. Подверженность старению, даже при полном покое – батарея лежит на полке, а ее ресурс снижается. При активной эксплуатации процесс протекает в ускоренном режиме, спустя несколько лет элемент обычно полностью утрачивает эксплуатационную пригодность.
3. Достаточно высокая цена, если сравнивать с NiCd-батареями.

В плане удельных технических параметров Li-ion батареи занимают лидирующее место среди электрохимических решений. Они имеют значительную удельную энергию, хорошее разрядное напряжение и сравнительно небольшой саморазряд.

Срок службы хоть и не вечный, но приемлемый. Особых требований к условиям эксплуатации нет – температурные показатели среды составляют от -40 до +80 °C.

Особенности конструкции

Рассмотрим особенности строения литиевого аккумулятора. Он может быть мощным, емким или промежуточным. Данную классификацию можно считать условной, но применяется она повсеместно.

Суть деления состоит в том, что с учетом особенностей протекания электрохимических реакций элемент питания может иметь определенные производственные особенности.

Пример – токопроводящая основа электрода может быть толще либо тоньше электродной массы.

При этом, чем меньше толщина фольги из меди, тем ниже окажется ее токопроводящая способность без дополнительного нагрева. Есть и обратная зависимость. То есть выходит, что батарея с тонкой токопроводящей основой, толстым слоем электродов будет иметь максимальные параметры энергии, которая запасается, при сниженной мощности, и наоборот.

Чтобы дополнительно уменьшить сопротивление, используйте активные материалы с мелкими частичками. Варьируя толщины электродов, фольгированного покрытия, сепаратора, а также материала положительных и отрицательных электродов, размеры частичек, производители могут изготавливать аккумуляторы с любыми нужными токами, емкостью в заданных типоразмерах конечных изделий.

Батареи увеличенной мощности при этом должны иметь массивные выводы для силы тока – это защитит АКБ от чрезмерного нагрева.

У аккумуляторов повышенной емкости токосъемники или борны обычно мелкие – в сравнении с объемами самого корпуса. Борны изначально рассчитываются на низкие разрядные токи.

Задачи с применением таких АКБ могут решаться разные, сферы применения тоже широкие – от стартерных пусков до запитывания аппаратуры слаботочной категории.

Порядок зарядки

Li-ion аккумуляторы заряжаются в несколько шагов. Рассмотрим их.

Подготовка

Нужна, если напряжение на АКБ ниже некоторых запрограммированных параметров. И длительное хранение в бездействии, и активная эксплуатация приводят к саморазрядам.

Малые зарядные токи создают условия для постепенного выхода электродов повышенной активности на оптимальные в плане показателей напряжения уровни.

Подготовительный режим продлевает сроки службы элемента питания. Его рекомендуют применять для зарядки при низких температурах среды.

Первичный малотоковый заряд также гарантирует максимальную безопасность для АКБ. Если внутри батареи случилось микрозамыкание, напряжение в течение некоторого времени будет только увеличиваться.

Сразу большой ток не пускают, чтобы не было чрезмерного разогрева и разгерметизации. Это опасно для всей системы, несмотря на наличие датчика температур, – он срабатывает не так оперативно, как резко прыгают температурные значения.

Функция малотокового заряда обычно возлагается не на зарядку, а на батарею СОФ. В схемах СОФов предусматривается резервный транзистор MOSFET, который управляет зарядом, ограничивает подключенный к АКБ ток.

Первый этап

Тут зарядка идет с номинальными значениями силы тока, зависящими от заданной емкости батареи. Потребители часто экономят время, делая ускоренную зарядку.

Соответствующие значения, предельно допустимые параметры вы найдете в технической документации. Учитывайте, что чем больше зарядный ток, тем меньше батарея «наберет» емкость и тем пристальнее придется отслеживать разогрев для предотвращения перегревов.

При значительном токе заряда увеличивается время второго этапа (о нем мы расскажем далее), ток начинает падать до заданных значений.

У каждого элемента питания существует определенное сопротивление: если текущий показатель упадет ниже допустимого, конечное зарядное напряжение будет достигнуто быстрее.

По мере достижения конечного напряжения заряд перейдет на следующий этап – падение силы тока. Аккумулятор начнет «набирать» и терять емкость.

При номинальных показателях тока увеличивается длительность заряда. Продление продолжительности процедуры обеспечивает оптимальную балансировку АКБ.

Чем больше будет значение времени балансировки, тем лучших значений достигнут показатели емкости элементов питания. В результате батарея начнет отдавать близкую к номинальной при разрядке емкость.

Второй этап

Осуществляется при стабильных значениях напряжения, постоянно падающем токе. Процесс будет считаться завершенным в случае установления зарядного тока на отметках в 0.1-0.05 Сн.

Период зарядки падающими токами определяется с учетом времени работы, числа циклов по полной зарядке и разрядке. По завершении процесса номинальный ток упадет, достигнув равновесных значений.

Производство литий-ионных аккумуляторов может сразу осуществляться с учетом указанных параметров. Бренды выпускают на рынок полностью готовые к применению решения по схемотехнике, реализуют прописанные алгоритмы зарядки, помещая микросхемы в единый корпус. Самой часто используемой микросхемой является MC34063 на 12–24 В.

Финальный стэнд-бай этап

Применяется в тех случаях, когда АКБ должен быть в зарядном и находиться в состоянии полной эксплуатационной готовности.

Кратковременные подзаряды нужны для компенсации незначительных и неизбежных саморазрядов. Зарядка сработает тогда, когда показатель напряжения в сети резко упадет до отметки в 4,05 В на батарею, выключение произойдет при 4,20 В.

Зарядки, предназначенные для эксплуатации в режиме постоянной готовности либо ожидания, позволяют напряжению падать вплоть до 4,0 В из расчета на одну батарею, а уровень заряда повышать строго до 4,05, а не 4,20.

Соблюдение всех указанных выше этапов способствует продлению срока службы АКБ.

Тенденции развития в будущем

Литий-ионные технологии хоть и появились не вчера, но объективно находятся в точке старта в плане реализации имеющегося потенциала, сфер промышленного внедрения, доступных на данный день.

Li-ion элементы устанавливают в автомобилях, на водных суднах, в самолетах. Корпорация Boeing постоянно дорабатывала производственные технологии по изготовлению, выпуску аккумуляторов таким образом, чтобы предотвратить прорывы отдельных элементов в случае повышения рабочих температур, изменила конструкцию и снизила параметры выделения тепла.

Отдельно проводилось совершенствование зарядной системы. В конечном счете мастера компании выпустили новую доработанную конструкцию отсека для батареи, которая бы защитила самолет на случай отказа.

Прорывом элементы питания стали в электромобилях. Лидером по вопросам разработки в данном сегменте является марка Tesla Motors. Она, чтобы обеспечить автомобили источниками питания, неоднократно заявляла о планах строительства завода по производству литиевых и ионных батарей полного цикла.

Норвежцы пошли дальше и создали проект электропарома с применением рассматриваемой категории элементов питания. Судна Siemens (Германия) и Fjellstrand (Норвегия) решено было оснастить парой электрических двигателей, работа которых идет от литий-ионных АКБ. Производительность и мощность новинки – 360 пассажиров, 120 машин.

Еще один интересный пример – электрический вертолет от хиросимской корпорации Hirobo. Модель рассчитана на одного пассажира, максимально в час может развивать 100 км. Двигатель бесшумен в работе, заряда батареи хватает в среднем на 30 минут полета без перерывов – да, немного, но уже лучше, чем ничего.

Развитие Li-ion АКБ в будущем направлено на повышение мощности, расширение емкости при малых размерах. Использование кремниевых нанопроводников вместо графита в анодах должно повысить емкость минимум втрое и сделать даже стандартную зарядку очень быстрой – до 15 минут.

Заключение

Li-ion аккумуляторы считают оптимальными в плане электрохимических показателей источниками питания для устройств разных категорий. За счет сравнительно небольшой массы и значительной удельной емкости именно их устанавливают в мобильных устройствах.

Благодаря активному развитию научной и технической мысли, Li-ion аккумуляторы были избавлены от их главных недостатков – стабильность работы стала лучше, разрядные токи нормализовались. Именно за счет этого элементы питания вытеснили АКБ Ni-MH и Ni-Cd типов.

В будущем планируется повышение эффективности аккумуляторов минимум в 2 раза. Ведутся активные инженерные работы, направленные на совершенствование технических параметров устройств.

Так появились Li-polymer элементы, еще более надежные и емкие, чем Li-ion. В 2014-м французские ученые разработали Na-ion элементы – наиболее эффективные из всех. Пока что они дорабатываются и тестируются.

Источник