Как работает и устроен литий ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы стремительно вытесняют остальные виды перезаряжаемых источников питания. Их потребительские свойства по большинству параметров превосходят качества традиционных элементов. Как устроен такой аккумулятор, в чем его плюсы и минусы, какие существуют виды Li-ion аккумуляторов – обо всем этом пойдет речь далее.

Принцип работы и устройство Li-ion аккумулятора

Как и любой перезаряжаемый источник питания, литий-ионный аккумулятор состоит из:

  1. Положительного вывода (анода).
  2. Отрицательного вывода (катода).
  3. Электролита.

Отрицательный электрод изготавливают из углеродных материалов. При заряде ионы лития из электролита внедряются в структуру между атомами углерода. Кроме того, катоды делают из оловянных, серебряных сплавов, сульфидов олова и т.п. Здесь у разработчиков достаточно широкий выбор материалов.

Положительный электрод делают из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей. Наиболее перспективными на сегодняшний день считаются аноды из смешанных оксидов и фосфатов металлов. В процессе разряда ионы лития переносятся с катода на анод.

В качестве электролита применяются жидкие и загущенные литий-содержащие вещества. В реальной конструкции между катодом и анодом прокладывается разделитель (сепаратор) ячеистой или пористой структуры. Он предохраняет положительный и отрицательный электроды от замыкания между собой, а в его ячейках или порах находится электролит.

В настоящее время разработчики ведущих фирм близки к созданию промышленного образца аккумулятора с твердым электролитом, который одновременно служит сепаратором. Когда результат будет достигнут, будет достигнут новый уровень развития Li-ion элементов.

Из анода, сепаратора, катода собирается пакет, который может быть цилиндрической (рулонной) или призматической («кирпич») формы. Сепаратор пропитывается электролитом, весь пакет помещается в корпус.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Устройство цилиндрического (слева) и призматического аккумуляторов

Типы литиевых аккумуляторов

Класс литий-ионных аккумуляторов содержит большое количество типов элементов, различающихся материалами, их которых изготовлены электроды батарей. Хотя в основе электрохимии Li-ion лежат схожие процессы (перенос ионов лития от анода к катоду и обратно) потребительские свойства аккумуляторов различаются, и иногда отличия ярко выражены.

Литий-железофосфатные элементы

Наиболее перспективное направление развитие литий-ионных технологий. Катод выполняется из фосфата железа (FePO4). В классе Li-ion элементов литий-железофосфатные аккумуляторы выделяются:

  • способностью работать при более низких температурах;
  • особенно низким саморазрядом;
  • пониженной склонностью к деградации при старении;
  • увеличенной токоотдачей;
  • повышенной толерантностью к глубокому разряду;
  • повышенной энергетической плотностью.

Главный плюс подобных литиевых аккумуляторов — повышенный срок службы. Некоторые производители заявляют период эксплуатации на уровне 5000..7000 циклов, что превосходит ресурс остальных типов батарей. При этом надо понимать, что эти цифры реальны только при соблюдении дополнительных условий – неполная зарядка и разрядка, температурный режим и т.п.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Батарея из LiFePO4 для источника бесперебойного питания

К достоинствам относят и стабильность выходного напряжения в течение всего цикла разрядки – оно держится в районе 3,2 В при уровнях запаса энергии от 100% и почти до 0%. Это позволяет сэкономить на преобразователях-стабилизаторах. Но имеется и обратная сторона. Стабильность выходного напряжения затрудняет определение остаточного заряда, что вынуждает применять более сложные и не очень точные алгоритмы.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Разрядные кривые литий-железофосфатных элементов

Литий-полимерные элементы

Направление создания литий-полимерных аккумуляторов (липолей) – использование вместо жидкого электролита твердой пленки. Это дает много преимуществ (повышенную энергоёмкость, возможность создания батарей любых форм и т.п.), но разработчики ведущих фирм только на пути к этой цели. Образцы подобных элементы уже созданы, но для широкого применения пока непригодны. В быту литий-полимерными аккумуляторами называют элементы с загущенным до гелеобразного состояния электролита, выполненного на основе полимеров, или аккумуляторы с ячеистым полимерным сепаратором, заполненным жидким электролитом.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Li-Po элемент для мобильного телефона

Рекомендуем узнать: Что лучше литий полимерный или литий ионный аккумулятор

Литий-титанатные элементы

В качестве материала для анода используется нанокристаллический пентатитанат лития. Это дает просто космические преимущества:

  • недосягаемый для других элементов жизненный ресурс до 2000 циклов;
  • повышенный ток разряда до 10С;
  • сверхнизкое внутреннее сопротивление;
  • возможность работать при низких температурах;
  • прочие плюсы.

Недостатки – пониженное рабочее напряжение вкупе с повышенной стоимостью.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Литий-титанатный элемент питания

Характеристики и особенности литий-ионных аккумуляторов

Главный отличительный параметр литий-ионных аккумуляторов — уровень выходного напряжения, который определяется потенциалом анода относительно литиевого катода, и для данного класса элементов он составляет около 4 вольт. На практике на клеммах Li-ion элемента напряжение изменяется в границах 2,7..3,6 вольт. Это дало возможность повысить мощность источников тока, энергоемкость и упростить создание многоэлементных батарей (для сравнения – у обычных источников выходной уровень составляет от 1,2 до 1,6 вольта на элемент).

Остальные параметры, которые можно узнать из технической литературы, таковы:

  • удельная энергоёмкость: 110…270 Вт·ч/кг;
  • внутреннее сопротивление: 4…15 мОм;
  • оптимальный ток нагрузки – 1С.

К этим цифрам следует относиться с осторожностью по двум причинам. Во-первых, в них содержится достаточная маркетинговая составляющая – данные часто приводятся для идеальных условий. Второе – многие цифры, требующие длительных тестов, находятся расчетным путем по методикам, известным только тем, кто эти исследования производил.

Главная же причина недоверия к цифрам в том, что к литий-ионным аккумуляторам относят огромное количество источников питания, произведенных по различным технологиям в различные годы. Сравнивать их между собой не всегда корректно.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Литий-ионный источник питания для электросамоката
Читайте также
Как правильно заряжать литий ионный аккумулятор

 

Плюсы и минусы

Основным плюсом Li-ion аккумуляторов, определяющим удобство их эксплуатации в бытовых приборах, является практическое отсутствие эффекта памяти. Это означает, что их можно заряжать в любой момент, независимо от остаточного уровня энергии. У других типов аккумуляторов эффект памяти выражен более или менее отчетливо. Это означает, что заряжать их можно только после полного разряда, в противном случае снижается ёмкость. Литий-ионным источникам питания отсутствие этого недостатка дает невиданные преимущества в плане бытового использования.

К прочим плюсам Li-ion элементов относят:
высокую энергоёмкость (в тех же габаритах ёмкость получается выше);
низкий саморазряд (меньше внимания требуют при хранении);
повышенный допустимый ток заряда (быстрее заряжаются).
Имеются и минусы:
пониженная токоотдача;
не очень высокий ресурс – от 500 циклов зарядки и разрядки до 1200 циклов (у новых типов);
деградация, не зависящая от условий эксплуатации и ограничивающая срок службы;
повышенная цена (в том числе, из-за необходимости применения устройств защиты);
плохая работа при низких температурах;
чувствительность к перезаряду или к глубокому разряду;
повышенная пожароопасность.

Во многих случаях повышенное выходное напряжение также является преимуществом.

Устранение последнего недостатка – главная цель разработчиков химических источников тока. За последнее время в этом направлении достигнуты большие успехи, но полностью опасность не исключена.

Современные Li-ion элементы загораются редко, но, если это случилось, тушить их крайне затруднительно. В них содержатся все реагенты для поддержания горения, и гасить пламя обычными способами, перекрывая доступ кислорода, неэффективно. А тушить водой просто опасно – она вызывает реакции, усиливающие горение.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор

Хранение и саморазряд

Из широко применяющихся типов аккумуляторов, Li-ion элементы имеют самую низкую склонность к саморазряду (но он все же присутствует). Потеря запаса энергии в общем случае зависит от сочетания различных факторов, но ориентироваться можно на следующие цифры:

  • за первый месяц хранения теряется около 5% от уровня начального заряда;
  • через полгода – около 10%;
  • через год – 15%..20%.

По сравнению с другими типами батарей это отличный результат. Например, большинство никель-металлогидридных элементов за год разряжаются полностью.

При хранении потеря энергии за счет саморазряда может привести к уходу источника питания в глубокий разряд, поэтому хранить аккумуляторы с запасом заряда, близким к нулевому, нельзя. Чтобы батарея за год-полтора хранения гарантировано не разрядилась ниже установленного порога, достаточно зарядить ее до уровня около 50%. В интернете можно найти рекомендации не заряжать Li-ion батарею до 100%, но эти советы лишены смысла. Что 50%, что 100% не дадут аккумулятору глубоко разрядиться, а вреда от полного заряда тоже не будет.

Как работает и устроен литий ионный аккумулятор
Результаты тестирования литий-ионной батареи одного из мировых производителей, полученная по итогам полугодового хранения

Рассчитывать на хранение Li-ion элементов на период больше года-полутора не имеет смысла. Они потеряют ёмкость из-за естественной деградации.

Развитие технологий литий-ионных аккумуляторов далеко не завершено. Имеются существенные зоны роста, и в ближайшее время можно ожидать появления новых разработок в данном направлении (возможно, прорывного характера), позволяющие получить для широкого использования аккумуляторы с новыми, улучшенными потребительскими параметрами.

Avatar photo
Становой Алексей

Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.

Оцените автора
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Запитка
Добавить комментарий

Этот сайт защищен reCAPTCHA и применяются Политика конфиденциальности и Условия обслуживания применять.

Adblock
detector