Литий-ионный аккумулятор (Li-ion): устройство и принцип работы, сколько циклов зарядки, напряжение, саморазряд, срок службы, из чего состоит

Немного истории

Первый аккумулятор по литий-ионной технологии был создан не так давно — в 1970 году. Он имел анод из металлического лития, был несовершенным, небезопасным и имел относительно низкое отношение емкости к размеру. Но начало было положено, и в 1991 году была представлена батарея с графитовым анодом.

Это позволило снизить риск возгорания, удешевить производство и увеличить электрическую мощность при тех же габаритах. Позже в материалы анода и катода были добавлены различные добавки, и в итоге мы получили лучший на сегодняшний день источник энергии. Он компактен, обладает высокой производительностью и безопасен при правильной эксплуатации.

Экспертное мнениеАлексий Бартош — эксперт в области ремонта, обслуживания электрооборудования и промышленной электроники. Задайте свой вопрос Интересно! Первый изобретатель литий-ионных элементов, Уиттингем, и его преемники Гуденаф и Есино были удостоены Нобелевской премии по химии 2019 года с формулировкой «За создание литий-ионных батарей».

Области применения

Технология хранения энергии на основе литий-ионных аккумуляторов используется уже несколько десятилетий, но так и не достигла своего пика потенциала. Ячейки широко распространены не только в домашних хозяйствах, но и в промышленности. Например, литий-ионные батареи используются в автомобилях, самолетах и лодках.

Корпорация Boeing продолжает совершенствовать технологию батарей, создавая размеры, которые могут работать в расширенном диапазоне температур. Последняя инновация — это перепроектирование, снижающее параметры тепловыделения.

Система зарядки также совершенствуется, в основном за счет установки современных контроллеров, которые могут определять, проверять параметры тока питания и при необходимости ограничивать их. Это обеспечивает плавный режим зарядки и исключает сбои в работе батареи, что крайне важно для самолетов. Как правило, новые технологии, применяемые в аэрокосмической отрасли, со временем находят свое применение и в бытовой технике, обеспечивая пользователей качественными и безопасными источниками питания.

Еще одним мощным прорывом стало появление современных электромобилей, тенденцию к которому задала компания Tesla. Инженеры компании создали сверхмощные литий-ионные батареи с запасом хода до 500 км, что делает электромобили равными двигателям внутреннего сгорания.

Литий-ионный аккумулятор Tesla.

В Норвегии паромы работают на электродвигателях, питающихся от литий-ионных батарей. Они способны перевозить 360 пассажиров и 120 автомобилей на борту.

Еще одно применение литий-ионных батарей — в вертолетной технике. Например, электрический вертолет японской компании Hirobo может перевозить одного пассажира и развивать скорость до 100 км/ч. На полной зарядке тихий, нейтральный к CO2 двигатель может работать более получаса.

Развитие аккумуляторных технологий движется в сторону увеличения емкости, мощности, но при этом уменьшения размеров и удешевления батарей. Использование нанопроводов вместо графита в кремниевых анодах позволит сократить время зарядки до 15 минут при трехкратном увеличении емкости.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Конструкция батареи этого типа выглядит следующим образом:

1. Катод или отрицательный электрод. Это фольга из алюминия, которая покрыта слоем оксида лития.
2. Анод или положительный электрод. Пленка меди, покрытая слоем графита.
3. Сепаратор. Пористый сепаратор и электролит.
4. Герметичный корпус. Это необходимо, так как разгерметизированная батарея может привести к поломке, пожару или даже взрыву.
5. Плюсовые и минусовые выводы.

Некоторые устройства могут быть оснащены дополнительными регуляторами и предохранителями. Эти элементы помогают увеличить сопротивление при нагреве, сбросить внутреннее давление или разорвать контакт между катодом и плюсовым выводом в аварийных ситуациях.

Литиевые батареи бывают разных размеров, но с точки зрения формы существуют два основных типа

• Цилиндрическая;
• Призматический.

В цилиндрических батареях тонкие слои анода, катода и сепаратора свернуты в рулон. В призматических батареях слои плотно прижаты друг к другу.

Плюсы и минусы литиевых АКБ

Популярность литиевых батарей говорит сама за себя — такие устройства имеют множество преимуществ:

• Отличная энергоэффективность;
• Эффект памяти сведен к минимуму»;
• длительный срок службы;
• не требует технического обслуживания;
• Способность работать при различных температурах;
• отсутствие саморазряда;
• компактный размер и возможность придать батарее любую форму.

Литиевые батареи не идеальны и имеют ряд недостатков:

• высокая цена по сравнению с другими типами батарей;
• ограниченное количество циклов зарядки;
• всегда существует минимальный риск взрыва или пожара;
• механические повреждения опасны и могут повредить аккумулятор;
• хорошую производительность только при правильной зарядке и использовании.

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Прорывом на пути внедрения литий-ионной батареи в бытовую электронику стала разработка батареи с минусовым электродом из углеродного материала. Кристаллическая решетка углерода оказалась очень подходящей матрицей для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение батареи, положительный электрод был изготовлен из оксида кобальта. Потенциал оксида кобальта лития составляет приблизительно 4 В.

Рабочее напряжение большинства литий-ионных батарей составляет 3 В и более. В процессе разряда литий подвергается декарбонилированию из углерода на минусовом электроде и интеркаляции в оксид кобальта на плюсовом электроде. В процессе зарядки эти процессы происходят в обратном порядке. Оказывается, в системе нет металлического лития, а есть рабочие ионы лития, которые перемещаются от одного электрода к другому, создавая электрический ток.
  

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий-ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродсодержащего материала. Природа этого материала, а также вещество электролита в значительной степени определяют сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Углеродная матрица на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (природный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т.д.).

Во время интеркаляции ионы лития разделяют слои углерода и осаждаются между ними. Образуются различные интеркалаты. Во время интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем углеродной матрицы изменяется незначительно. Помимо углеродного материала, в отрицательном электроде можно использовать серебро, олово и их сплавы. Также предпринимаются попытки создания композитов с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т.д.

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батареях) для положительного электрода часто используются различные материалы. В аккумуляторах это не так, и выбор материала ограничен. Поэтому положительный электрод литий-ионного аккумулятора изготавливается из оксида никеля лития или оксида кобальта. Также можно использовать литиево-марганцевые шпиндели.

В настоящее время исследуются смешанные фосфатные или оксидные материалы для катода. Было показано, что такие материалы улучшают электрические характеристики литий-ионных батарей. Также разрабатываются методы нанесения оксидов на поверхность катода.

Реакции, происходящие в литий-ионном аккумуляторе во время зарядки, могут быть описаны следующими уравнениями:

положительный электрод

LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

Отрицательный электрод

C + xLi+ + xe- → CLix

В процессе разряда реакции протекают в обратном направлении.

На рисунке ниже схематично показаны процессы, происходящие в литий-ионном аккумуляторе во время зарядки и разрядки.

Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Виды литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи стали востребованы во многих областях применения. Помимо использования в гаджетах, бытовой технике и автомобилях, существуют также литий-ионные батареи для промышленного использования, обладающие высоким напряжением и емкостью. Наиболее популярными являются батареи, представленные в таблице ниже.

Первые две цифры в ряду указывают на диаметр батареи, следующие две — на длину батареи. Ноль — для цилиндрической формы. Также можно приобрести 9-вольтовую батарейку типа «Крона».

Обозначения батарей указывают на содержание элементов, напр:

• ICR — кобальт;
• IMR — марганец;
• INR — никель и марганец;
• NCR — кобальт и никель.

Типы литий-ионных аккумуляторов различаются в первую очередь размерами, химическим составом, а также емкостью и напряжением.

Недостатки

Список недостатков литий-ионных батарей короче, но и в нем есть довольно важные моменты. Обратите внимание, что некоторые из этих функций мы подробно обсудим в следующей главе, поскольку они очень важны.

• Дорого (по сравнению с другими батареями);
• Производительность ухудшается при высоких температурах; производительность снижается при низких температурах, хотя диапазон все еще широк;
• Срок службы зависит от времени использования;
• Опасность взрыва или пожара;
• Не самое большое количество циклов заряда и разряда;
• Недопустимые механические повреждения;
• Требуется строгое соблюдение требований по зарядке и других эксплуатационных требований.

Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей

Литиевые (2500ion) батареи превратились в целое семейство батарей, таких же, как щелочные или автомобильные аккумуляторы. От других групп аккумуляторов они отличаются высокой энергоемкостью, режимом заряда-разряда и рядом других особенностей. Их эксплуатация требует наличия электронных схем управления зарядом-разрядом и ряда других защитных функций.

Для литиевых батарей проблема безопасной эксплуатации усугубляется требованиями к размерам. Они должны быть как можно компактнее, поскольку используются в портативных электронных устройствах. Из-за близкого расположения электродов и стремления к максимальной удельной емкости литий-ионные батареи долгое время не могли выйти на рынок для коммерческого использования.

Разработка новых электродных материалов идет быстрыми темпами. Кроме того, при использовании нового материала может пройти много времени, прежде чем его можно будет запустить в массовое производство.

На рынке представлено довольно большое разнообразие литиевых батарей по электрическим свойствам, размеру и т.д. Отчасти это связано с тем, что в этой области пока не существует стандартизированных стандартов. Кроме того, рынок наводняют товары из Китая и других стран азиатского региона. Эти производители часто не придерживаются никаких стандартов, стараясь выпускать как можно более доступные батареи.

В каком направлении будет развиваться разработка литий-ионных батарей? Эксперты в этой области считают, что основным направлением развития для них являются «умные батареи». Эта тенденция сегодня четко прослеживается в различных электронных устройствах. То есть идентификация батареи, уровень заряда, допустимое напряжение, температура — все это батарея должна сообщать мобильному устройству.

Кроме того, совершенствование литий-ионных батарей будет идти в направлении уменьшения размеров, повышения энергоэффективности батарей, придания им более гибких форм и т.д. Также ведутся работы по разработке катодных материалов на основе соединений лития. Их целью является разработка моделей литиевых батарей, которые могли бы заменить никель─кадмиевые батареи в устройствах, потребляющих большие токи (портативные электроинструменты).

Срок службы литий-ионных аккумуляторов

Срок службы» таких батарей зависит от количества циклов полной разрядки и правильной эксплуатации, поэтому конкретное время не может быть указано. Предполагается, что при строгом соблюдении рекомендаций по эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит до 8-10 лет.

Правила эксплуатации li ion аккумуляторов

На срок службы литиевой батареи влияет ряд факторов, знание которых позволит значительно увеличить срок службы батареи. При использовании батарей этого типа необходимо:

1. Старайтесь избегать полной разрядки аккумулятора. Несмотря на высокую устойчивость аккумулятора к этому эффекту, рекомендуется не выжимать из него все «соки». Особую осторожность следует проявлять при использовании таких батарей с ИБП и мощными электродвигателями. Если аккумулятор полностью разряжен, его следует немедленно оживить, т.е. подключить к специальному зарядному устройству. Аккумулятор также можно зарядить после длительного нахождения в глубоко разряженном состоянии, если применить качественный заряд в течение 12 часов с последующим разрядом.
2. Избегайте перезарядки. Завышенная цена отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках изделия. Встроенный контроллер не всегда способен вовремя отключить аккумулятор, особенно если зарядка происходит в холодных условиях.

Помимо перезарядки и разрядки, аккумулятор необходимо защищать от чрезмерных механических воздействий, которые могут привести к разгерметизации корпуса аккумулятора и возгоранию внутренних компонентов. По этой причине запрещено отправлять по почте аккумулятор, содержащий более 1 г чистого лития.

Взрывоопасность

Батарея может взорваться при превышении номинальной температуры и чрезмерном нагреве электролита, а также в случае высокого тока зарядки или разрядки (короткое замыкание внутри батареи). В такой батарее в результате металлизации лития начинается цепная реакция, за которой следует взрыв, и целостность корпуса нарушается. В моменты, когда элемент батареи слишком сильно перегревается или происходит короткое замыкание, температура внутри батареи повышается до 70-90°C, литий становится химически активным и начинает реагировать. Электролит и литий из анода взаимодействуют, и в результате реакции могут образовываться углеводороды. Но из-за наличия углеводородов горение не происходит до тех пор, пока не появится кислород. Кислород может появиться на катоде при дальнейшем повышении температуры до 200 °C, т.е. при воспламенении батареи. Процесс быстро заканчивается, когда реактивы внутри батареи полностью разлагаются.

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Представьте себе мир, в котором все автомобили оснащены электродвигателями вместо двигателей внутреннего сгорания. Электродвигатели превосходят двигатели внутреннего сгорания практически во всех отношениях. Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он производит достаточный крутящий момент только в узком диапазоне скоростей. В целом, электродвигатель — это, безусловно, лучший выбор для автомобиля. Мы уже писали об этом в статье об автомобиле Tesla.

Однако есть одно узкое место, из-за которого революция электромобилей постоянно откладывается — источники энергии. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные батареи электромобилей не могли конкурировать с полным баком бензина. Однако все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Tesla.

Это литий-ионные батареи, которые Tesla использует в своих электромобилях.

Стандартный элемент производит от 3,7 до 4,2 вольт. Многие из этих ячеек соединяются последовательно и параллельно, образуя модуль.

Литий-ионные элементы выделяют много тепла во время работы. Высокие температуры сокращают срок службы и производительность самих элементов. Система управления аккумулятором (BMS) используется для контроля температуры, а также состояния заряда, перезаряда и общего состояния элементов. В батарее Tesla используется система охлаждения на основе спирта. BMS контролирует скорость прохождения спирта через систему, тем самым поддерживая оптимальную температуру для батарей.

Еще одна важная функция BMS — защита от перезарядки. Предположим, есть три клетки разной емкости. При зарядке ячейка с большей емкостью будет заряжаться больше, чем две другие. Чтобы предотвратить это, BMS использует так называемую балансировку клеток. В этом процессе все элементы заряжаются и разряжаются одинаково и защищены от перезарядки или недозарядки.

И в этом заключается преимущество Tesla перед аккумуляторной технологией Nissan. У Nissan Leaf есть серьезная проблема с охлаждением батареи из-за большого размера ячеек и отсутствия активной системы охлаждения.

Преимуществом конструкции с несколькими малыми цилиндрическими ячейками является также равномерное распределение нагрузки на все ячейки при высоком энергопотреблении. Если бы это была всего одна клетка, а не много, она бы очень быстро разрушилась из-за постоянной нагрузки. Компания Tesla сделала маленькие цилиндрические ячейки, технология их производства хорошо отработана. Подробнее об аккумуляторном модуле Tesla вы можете прочитать в этой статье.

Как осуществляется производство li-ion АКБ

Производство литий-ионных батарей проходит в несколько этапов:

1. Изготовление электродов.
2. Объединение электродов в батарею.
3. Монтаж защитной пластины.
4. Вставьте аккумулятор в корпус.
5. Заливаем электролит.
6. Тестирование и зарядка.

На всех этапах производства необходимо соблюдать технологию и меры безопасности, чтобы обеспечить высокое качество продукта.

В литий-ионных аккумуляторах в качестве катода используется пленка с нанесенным на ее поверхность литийсодержащим веществом.

В зависимости от предполагаемого использования батареи могут применяться следующие соединения лития:

• LiCoO2;
• LiFePO4;
• LiNiO2;
• LiMn2O4.

При производстве цилиндрических источников тока типоразмера AA и AAA основной электрод скручивается в рулон, который отделяется от анода сепаратором. Большая площадь поверхности катода, толщина пленки которого минимальна, обуславливает высокую энергоемкость изделия.