Ячейки литий ионного аккумулятора

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

Секреты качественных ячеек аккумулятора

Большинство аккумуляторов современных электровелосипедов собраны на основе литий-ионных ячеек типоразмера 18650. Это самый распространённый формат ячеек, что подтверждается также фактом их использования при сборке аккумуляторов некоторых электромобилей американской компании Tesla, в частности, для спортивного автомобиля Tesla Roadster.

Очевидно, что в составе аккумулятора для автомобиля стоимостью несколько миллионов используются самые качественные ячейки. Но как отличить оригинальные ячейки от подделок? Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, откуда взялось название “18650” и что находится внутри ячейки.

Формат 18650 получил столь широкое распространение благодаря тому, что из таких ячеек можно собрать аккумулятор практически любой конфигурации, и каждая из ячеек имеет собственный жёсткий корпус.

Название типоразмера «18650» содержит в себе размеры ячейки в миллиметрах — она имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. Ячейка собрана в цилиндрическом металлическом корпусе, который представляет из себя минусовой контакт, и содержит набор гибких пластин — анод и катод, разделённые сеператорами и свёрнутые в рулон.

Со стороны плюсового контакта предусмотрен предохранительный клапан избыточного давления, который срабатывает в случае неполадки, например, при коротком замыкании. Это обеспечивает необходимый уровень безопасности при использовании таких ячеек.

Чтобы собрать качественную надёжную батарею, которая прослужит долго и не потеряет значительную часть ёмкости в первый год эксплуатации, нужно быть уверенным, что она собрана из качественных ячеек.

Основными показателями качества ячеек можно считать следующие:

● внутреннее сопротивление ячейки

● максимальный ток заряда и разряда

● отсутствие тока утечки

Внутреннее сопротивление ячейки определяет не только её способность отдавать высокие токи (то есть нагрузочную способность), но и то, насколько сильно она будет нагреваться при работе.

Чем ниже внутреннее сопротивление, тем лучше — тем легче она отдаёт ток и меньше греется. Ячейки с высоким внутренним сопротивлением даже при средних нагрузках достаточно сильно нагреваются, что приводит к их быстрой деградации и, как следствие, потере ёмкости.

Внутреннее сопротивление выражается в миллиомах (мОм). У качественных ячеек 18650 этот параметр находится в пределах 30 мОм. Например, в спецификации на ячейки LG HG2 указано значение “не более 20 мОм”.

Ячейки известных производителей, как правило, стоят дороже, так как обладают низким внутренним сопротивлением, отличаются высокой нагрузочной способностью и отсутствием тока утечки, а их реальная ёмкость равна или чуть больше заявленной.

Отсутствие тока утечки обеспечивает постоянство напряжения на её контактах с течением времени, а значит, ячейка при длительном хранении не разрядится ниже 2,5 В и не выйдет из строя.

В спецификациях на ячейки также указывается максимальный ток заряда и разряда, который не приведёт к ускоренной деградации ячеек.. К примеру, для ячеек LG HG2 максимальный ток разряда равен 20 А, а максимальный ток заряда — 4 А. При этом стандартным током зарядка считается ток, равный половине ёмкости ячейки (0,5 С), то есть для нашего случая это 0,5 * 3000 = 1500 мА.

Чем выше максимальный ток разряда, тем более высокую мощность может отдавать ячейка. Такие высокотоковые ячейки рассчитаны на применение в аккумуляторах шуруповёртов, электронных сигарет и электровелосипедов. Ячейки, рассчитанные на низкие токи, используются в менее мощных устройствах, например, в велосипедных фонарях.

Ёмкость современных литий-ионных ячеек типоразмера 18650 варьируется в диапазоне от 2000 до 3600 мАч. Если вам встретилось предложение более высокой ёмкости в таком корпусе, скорее всего это не соответствует действительности, и на практике она окажется значительно ниже заявленной.

Для определения ёмкости в процессе заряда производители ячеек используют схему зарядки CC-CV (Constant Current — Constant Voltage), при которой ячейка сначала заряжается постоянным током, пока напряжение не дойдёт до верхнего порога (4,2 В), а затем это напряжение поддерживается, снижая зарядный ток. Зарядка прекращается в момент снижения тока до значения тока отсечки.

Аналогичная схема зарядки применяется в зарядных устройствах для литий-ионных аккумуляторов, в этом состоит их отличие от блока питания, который не рекомендуется использовать для этих целей.

При определении ёмкости на разряде, как правило, используется ток 0,2С (20% от ёмкости). Например, при тестировании ячеек LG HG2 ёмкостью 3000 мАч разряд производится током 600 мА до достижения нижнего порога напряжения на ячейке (2,5 В), при этом поддерживается температура 23 градуса по Цельсию.

Крупнейшими производителями ячеек 18650 на сегодняшний день являются компании LG, Panasonic (Sanyo), Samsung и Sony.

Самые распространённые ячейки от компании LG носят название LG HG2. Они имеют номинальную ёмкость 3000 мАч и внутреннее сопротивление менее 20 мОм (на фото слева). Из наиболее ёмких ячеек этого производителя хорошо известны LG MJ1 ёмкостью 3500 мАч (справа).

Хорошо известная каждому японская компания Panasonic входит в десятку крупнейших в мире производителей литий-ионных аккумуляторов, и изготавливает их, в том числе, для компании Tesla.

Panasonic в 2009 году объявила о слиянии с компанией Sanyo Electric Co, однако в продаже встречаются как ячейки с маркировкой Panasonic (на фото слева), так и с маркировкой Sanyo (справа). Они маркируются как NCR18650GA и имеют ёмкость 3450 мАч.

Компания Sony была первой, выпустившей литий-ионный аккумулятор в 1991 году по патенту японского учёного-химика Акира Ёсино.

В настоящее время в продаже имеются аккумуляторы VTC4, VTC5, VTC6 этого производителя. Оригинальные ячейки VTC4 маркируются как US18650VTC4, имеют ёмкость 2100 мАч и внутреннее сопротивление по даташиту 12 мОм, они изображены на следующем фото.

Среди литий-ионных ячеек от компании Samsung в настоящее время наиболее распространены модели 25R (полное название INR18650-25R, изображена на фото слева) и 30Q (справа). Первая имеет ёмкость 2500 мАч, вторая — 3000 мАч.

Кроме перечисленных известных производителей существует множество других, преимущественно расположенных в Китае, среди которых встречаются не только те, кто производит ячейки под собственным брендом, но и те, кто подделывает ячейки известных производителей.

Качественные подделки во многих случаях довольно сложно отличить от оригинала по внешним признакам, но об этом мы более подробно поговорим чуть ниже.

При использовании батареи, собранной из некачественных ячеек, имеющих высокое внутреннее сопротивление, существует опасность её быстрой потери ёмкости. Этому могут способствовать две причины: деградация, вызванная высокой температурой, и разбалансировка батареи, то есть увеличение разброса напряжений между ячейками.

В спецификациях крупных производителей ячеек указываются диапазоны температур, в которых ячейки должны эксплуатироваться. К примеру ячейки LG HG2 должны заряжаться в диапазоне от 0 до +50 градусов, а разряжаться — в диапазоне от -20 до +75. При приближении к граничным значениям температур, скорость деградации ячеек будет увеличиваться.

При хранении ячеек, в том числе в процессе транспортировки от производителя к потребителю, также необходимо соблюдение температурного режима, причём чем больше срок хранения, тем уже допустимый температурный диапазон.

Например, в спецификациях на ячейки LG HG2 указано, что хранение в течение одного месяца допускается при температуре от -20 до +60 градусов, в течение 3 месяцев — от -20 до +45, а в течение года — от -20 до +20 градусов.

Литий-ионные ячейки работают в диапазоне от 2,5 В (иногда от 3 В) до 4,2 В. Если их разрядить ниже 2,5 В и оставить на длительное время, начнётся процесс ускоренной деградации, и соответственно, потеря ёмкости. Аналогичный результат получается и при заряде ячеек выше верхнего значения (4,2 В).

Для исключения таких ситуаций используется BMS (Battery Management System), или система управления батареей. Это плата, которая устанавливается в батарею и следит за тем, чтобы напряжения на ячейках были в нужном диапазоне.

Кроме того, BMS прекращает процесс заряда батареи как только на одной из ячеек напряжение достигло верхнего значения (4,2 В), а также отключает нагрузку при достижении нижнего порога (2,5 В или 3 В) на любой из ячеек.

Большинство современных BMS имеют функцию балансировки — выравнивания напряжения на ячейках путём шунтирования ячеек с максимальным напряжением в процессе зарядки. Это позволяет избежать значительной потери ёмкости при использовании ячеек среднего и низкого качества.

Для реализации функции включения/выключения батареи, на многих BMS предусмотрен отдельный вывод — два провода, которые подключаются к замку или кнопке на корпусе батареи.

Перед сборкой батареи необходимо определиться со схемой сборки, которая зависит от того, на какое рабочее напряжение должна быть батарея, и какую иметь ёмкость.

Схема сборки в общем смысле обозначается формулой aSbP, где a — количество блоков ячеек, соединённых последовательно (S — serial), b — количество параллельно соединённых ячеек внутри одного блока (P — parallel).

Номинальное напряжение батареи определяется как номинальное напряжение одной ячейки, умноженное на значение “а”. Ёмкость батареи определяется как ёмкость одной ячейки, умноженная на значение “b”. Например, батарея, собранная по схеме 10S5P из литий-ионных ячеек типоразмера 18650 ёмкостью 2500 мАч, будет иметь номинальное напряжение 36 В (3,6 В * 10) и ёмкость 12,5 Ач (2,5 Ач * 5).

В зависимости от схемы сборки и необходимой нагрузочной способности (мощности) батареи, подбирается соответствующая BMS. Существуют BMS с общим портом, когда заряд и разряд батареи выполняется через один и тот же разъём, и BMS с раздельным портом, когда используются разные разъёмы. Для наглядности, схемы подключения указанных видов BMS представлены на схеме.

С борка батареи выполняется в соответствии с разработанной схемой. Сначала ячейки набираются в холдеры (пластиковые разделители), а затем контакты соединяются с использованием точечной сварки, которая обеспечивает необходимое качество соединения и, в отличие от пайки, позволяет не перегреть ячейки.

К полученным блокам припаиваются балансировочные провода и силовые выводы, которые подключаются к BMS. После сборки батарея тестируется на ёмкость и упаковывается

Если заглянуть в спецификации к ячейкам 18650 крупных производителей, можно заметить, что большинство из них весит 45-50 грамм. Как ни странно, вес является одним из тех параметров, по которому можно определить подлинность ячеек.

Другим критерием может служить внешний вид — в сети довольно большое количество визуальных сравнений оригинальных ячеек с подделками и перечень выявленных отличий.

Кроме того, оригинальные ячейки в большинстве случаев стоят дороже неоригинальных, поэтому подозрительно низкая цена должна вас насторожить.

При заказе в онлайн-магазине вряд ли у Вас будет возможность проверить подлинность ячеек по внешнему виду на фотографиях, впрочем, как и по весу. В таких случаях может помочь наличие положительных отзывов людей, которые постоянно приобретают ячейки в конкретном магазине, и успели удостовериться в их качестве.

В магазине 5КИЛОВАТТ продаются аккумуляторные батареи построенные исключительно на качественных элементах питания производителей Panasonic и LG.

Используя эти аккумуляторы вы можете быть уверены в их надежности, долговечности и практичности.

Источник