Как устроены литиевые аккумуляторы. Аккумуляторная батарея литиевая: обзор, описание, виды, производители и отзывы

Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.

Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.

Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.

Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.

Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:

• TiS2 (дисульфид титана);
• Nb(Se)n (селенид ниобия);
• сульфиды и диселениды ванадия;
• сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.

Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.

С анодом возникли главные сложности при создании литиевых аккумуляторов. Точнее в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение Li. При этом образуется поверхность с очень высокой активностью. Литий осаждается на поверхности катода в виде дендритов и в результате образуется пассивная плёнка.

Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.

В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.

Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.

Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.

Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

Как показали исследования, лучше всего подходят сплав Li с тяжёлыми металлами. Примером может служить сплав Вуда. Они хорошо показали себя в плане сохранения удельного объёма, но удельные характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.

В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про по указанной ссылке.

Эксплуатация и срок службы

Эксплуатация

Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.

Для начала следует запомнить, что литиевый аккумулятор должен иметь напряжением от 2,7 до 4,2 вольта. Нижнее значение здесь говорит о минимальном уровне заряда, верхнее – о максимальном. В современных Li батареях электроды выполняются из графита и в их случае нижняя граница напряжения составляет 3 вольта (2,7 – это значение для электродов из кокса). Электрическая энергия, которую отдаёт аккумулятор при падении напряжения от верхней границы к нижней, называется его ёмкостью.

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.

Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.

В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.

Процесс зарядки

Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.

Процесс состоит из трёх этапов:

• продолжительность первого этапа около одного часа. При этом ток зарядки держится на постоянном уровне до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет значения 4,2 вольта. По окончании степень заряженности равна 70%;
• второй этап также идёт около часа. В это время контроллер поддерживает постоянное напряжение 4,2 вольта, а ток зарядки при этом снижается. Когда сила тока падает примерно до 0,2*C, запускается заключительный этап. По окончании степень заряженности равна 90%;
• на третьем этапе ток постоянно снижается при напряжении 4,2 вольта. В принципе, эта стадия повторяет второй этап, но имеет строгое ограничение по времени в 1 час. После этого контроллер отключает батарею от зарядного устройства. По окончании степень заряженности равна 100%.

Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.

Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.

Помните, что через разъём USB ноутбука, десктопа, переходника от прикуривателя в машине зарядка идёт значительно медленнее, чем от штатного ЗУ. Это объясняется ограничением интерфейса USB по току в 500 мА.

Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.

Ключевым элементом мобильности электронных устройств является аккумуляторная батарея (АКБ). Растущие требования к обеспечению наиболее длительной их автономности стимулируют постоянные исследования в этой области и ведут к появлению новых технологических решений.

Широко применяемым никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлогидридным (Ni-MH) батареям появилась альтернатива – сначала литиевые аккумуляторы, а затем более совершенные литий-ионные (Li-ion) АКБ.

История появления

Первые подобные аккумуляторы появились еще в 70-е гг. прошлого века. Они сразу получили востребованность благодаря более совершенным характеристикам. Анод элементов был изготовлен из металлического лития, свойства которого позволили повысить удельную энергию. Так появились литиевые аккумуляторы.

У новых батарей был весомый недостаток – повышенная опасность взрыва и воспламенения. Причина крылась в образовании на поверхности электродов литиевой пленки, которая приводила к нарушению температурной стабильности. В момент максимальной нагрузки батарея могла взорваться.

Доработка технологии привела к отказу от чистого лития в компонентах АКБ в пользу использования его положительно заряженных ионов. Литий-ионный аккумулятор оказался удачным решением.

Данному типу ионных аккумуляторов свойственна более высокая безопасность, которая получена за счет небольшого снижения энергетической плотности, но постоянный технологический прогресс позволил свести проигрыш по этому показателю к минимуму.

Устройство

Внедрение литий-ионных аккумуляторов в производство бытовой электроники получило прорыв после разработки батареи с катодом из углеродного материала (графита) и анодом из оксида кобальта.

В процессе разряда батареи происходит выведение ионов лития из материала катода и их включение в оксид кобальта противоположного электрода, при зарядке процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, электрический ток создают ионы лития, перемещаясь от одного электрода к другому.

Li-Ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и призматическом исполнении. В цилиндрической конструкции две ленты плоских электродов, разделенных пропитанным электролитом материалом, свернуты в рулон и помещены в герметичный металлический корпус. Катодный материал нанесен на алюминиевую фольгу, анодный – на медную фольгу.

Призматическую конструкцию аккумулятора получают при укладывании прямоугольных пластин друг на друга. Такая форма батареи дает возможность сделать компоновку электронного устройства более плотной. Также выпускаются призматические АКБ с рулонными электродами, скрученными в спираль.

Эксплуатация и срок службы

Долгая, полноценная и безопасная работа литий-ионных аккумуляторов возможна при соблюдении правил эксплуатации, пренебрежение ими не только сократит срок службы изделия, но может привести к негативным последствиям.

Эксплуатация

Ключевое требование к эксплуатации Li-Ion батарей касается температуры – нельзя допускать перегрева. Высокая температура способна причинить максимальный вред, причем причиной перегрева может быть как внешний источник, так и стрессовые режимы заряда и разряда батареи.

Например, нагрев до 45°C приводит к снижению способности удержания заряда АКБ в 2 раза. Такая температура легко достигается при долгом пребывании устройства на солнце или при работе энергетически затратных приложений.

Для наилучшего сохранения работоспособности АКБ в условиях летней жары стоит использовать энергосберегающий режим, который имеется на большинстве мобильных устройств.

Низкие температуры тоже отрицательно действуют на ионные аккумуляторы, при температуре ниже -4°C батарея уже не может отдавать полную мощность.

Но холод не так вреден для Li-Ion батарей, как высокая температура, и чаще всего не приводит к необратимому ущербу. Несмотря на то что после прогрева до комнатной температуры рабочие свойства АКБ полностью восстанавливаются, о снижении емкости на холоде не стоит забывать.

Еще одна рекомендация по эксплуатации Li-Ion аккумуляторов – не допускать их глубокой разрядки. Многие АКБ предыдущих поколений обладали эффектом памяти, который требовал разрядки до нуля с последующей полной зарядкой. Li-Ion батареи лишены такого эффекта, при этом единичные случаи полной разрядки не приводят к негативным последствиям, но постоянная глубокая разрядка вредна. Рекомендуется подключать зарядное устройство при уровне зарядки 30%.

Срок службы

Неправильная эксплуатация Li-Ion аккумуляторов способна сократить срок их службы в 10-12 раз. Этот срок напрямую зависит от количества зарядных циклов. Считается, что АКБ Li-Ion типа могут выдерживать от 500 до 1000 циклов с учетом полной разрядки. Более высокий процент остающегося заряда перед началом следующей зарядки существенно увеличивает срок службы АКБ.

Поскольку длительность сохранения работоспособности Li-Ion аккумуляторов в немалой степени определяется условиями эксплуатации, невозможно назвать точный срок службы этих батарей. В среднем, можно ожидать, что батарея такого типа прослужит 7-10 лет при соблюдении требуемых правил.

Процесс зарядки

При зарядке следует избегать избыточно долгого подключения АКБ к зарядному устройству. Нормальное функционирование литий-ионного аккумулятора проходит при напряжении, не превышающем 3,6 В. Зарядные устройства в процессе зарядки подают на вход АКБ 4,2 В. Если превысить время заряда, в аккумуляторе могут начаться нежелательные электрохимические реакции, которые повлекут за собой перегрев со всеми вытекающими последствиями.

Разработчики учли такую особенность – безопасность заряда современных Li-Ion батарей контролируется специальным встроенным устройством, останавливающим процесс зарядки при увеличении напряжения выше допустимого уровня.

Для литиевых АКБ правильным является двухступенчатый способ заряда. На первом этапе батарею нужно заряжать, обеспечивая постоянный зарядный ток, второй этап должен проходить с обеспечением постоянного напряжения и постепенным снижением зарядного тока. Такой алгоритм аппаратно реализован в большинстве бытовых зарядных устройств.

Хранение и утилизация

Литий-ионный аккумулятор может храниться достаточно долго, саморазряд составляет 10-20% в год. Но при этом происходит постепенное снижение характеристик изделия (деградация).

Процесс утилизации литий-ионных элементов должен проводиться на специализированных предприятиях, имеющих соответствующую лицензию. Около 80% материалов утилизированных АКБ может использоваться повторно в производстве новых батарей.

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор даже миниатюрных размеров таит в себе риски взрывного самовозгорания. Такая особенность этого типа АКБ требует соблюдения мер безопасности на всех этапах, от разработки до производства и хранения.

Для повышения безопасности Li-Ion аккумуляторов при изготовлении в их корпус помещают небольшую электронную плату – систему контроля и управления, которая призвана исключить перегрузки и перегрев. Электронный механизм увеличивает сопротивление цепи при росте температуры выше заданного предела. Некоторые модели батарей имеют встроенный механический выключатель, разрывающий цепь при росте давления внутри АКБ.

Также в корпусах батарей часто устанавливают предохранительный клапан, сбрасывающий давление в экстренных случаях.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

• высокая энергетическая плотность;
• отсутствие эффекта памяти;
• длительный срок эксплуатации;
• низкий показатель саморазряда;
• отсутствие необходимости обслуживания;
• обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

• риск самовозгорания;
• более высокая, чем у предшественников, стоимость;
• необходимость наличия встроенного контроллера;
• нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Область применения

Высокий показатель энергоплотности литий-ионных батарей определяет основную сферу их применения – мобильные электронные устройства: ноутбуки, планшеты, смартфоны, видеокамеры, фотоаппараты, навигационные системы, различные встроенные датчики и ряд других изделий.

Существование цилиндрического форм-фактора этих аккумуляторов позволяет использовать их в фонариках, стационарных телефонах и прочих устройствах, ранее потреблявших энергию от одноразовых батареек.

Литий-ионный принцип построения АКБ имеет несколько разновидностей, виды отличаются по типу применяемых материалов (литий-кобальтовый, литий-марганцевый, литий-никель-марганец-кобальт-оксидный и др.). Каждый из них находит свою сферу применения.

Помимо мобильной электроники, группа литий-ионных АКБ применяется в следующих областях:

• электроинструменты ручного типа;
• портативное медицинское оборудование;
• источники бесперебойного электропитания;
• охранные системы;
• модули аварийного освещения;
• станции на солнечных батареях;
• электромобили и электровелосипеды.

Учитывая постоянное совершенствование литий-ионной технологии и успехи в создании АКБ большой емкости при малых размерах, можно прогнозировать расширение областей применения таких аккумуляторов.

Маркировка

Параметры литий-ионных нанесены на корпус изделия, при этом применяемая кодировка может существенно отличаться для разных типоразмеров. Единый для всех производителей стандарт маркировки АКБ пока не разработан, но самостоятельно разобраться с самыми важными параметрами все же возможно.

Буквы в строке маркировки указывают на тип элемента и использованные материалы: первая буква I означает литий-ионную технологию, следующая буква (C, M, F или N) уточняет химический состав, третья буква R означает, что элемент является перезаряжаемым (Rechargeable).

Цифры в названии типоразмера означают размер аккумулятора в миллиметрах: две первые цифры – диаметр, а две другие – длина. Например, 18650 указывает, что диаметр составляет 18 мм, а длина – 65 мм, 0 обозначает цилиндрический форм-фактор.

Последние в ряду буквы и цифры – специфическая для каждого производителя маркировка емкости. Для указания даты изготовления также не существует единых стандартов.

Задаетесь вопросом: «Что выбрать: Li-Ion или Li-Po аккумулятор?» Мы подробно расскажем в чем отличие этих двух типов аккумуляторов.

Как всем нам известно, мощность портативного зарядного устройства в большей степени зависит от качества аккумуляторов внутри устройства. На современном рынке существует два вида аккумуляторов, которые используются для производства портативных зарядных устройств: Li-Ion и Li-Po элементы аккумулятора.

Li-Ion или Li-Po: В Чем Различие и Что Выбрать

К сведению пользователей, один из частозадаваемых вопросов касательно портативных зарядных устройств – это: какая разница между аккумуляторами Li-Ion и Li-Po, а также, какой из них лучше. Давайте будем разбираться.

Что же такое Li-Ion и Li-Po?

Li-Ion – это сокращение от литий-ионный, а Li-Po – от литий-полимерный. Окончание «ионный» и «полимерный» — это указание на катод. Литий-полимерный аккумулятор состоит из полимерного катода и твердого электролита, а литий-ионный аккумулятор – из углерода и жидкого электролита. Оба аккумулятора перезаряжаемые, и потом, в том или ином смысле, они оба выполняют одну и ту же функцию. В целом, литий-ионные аккумуляторы старше, чем литий-полимерные, но они по-прежнему широко распространены из-за низкой цены и неприхотливости в техническом обслуживании. Литий-полимерные аккумуляторы считаются более совершенными, с улучшенными характеристиками, обеспечивающими более высокий уровень безопасности, следовательно, такие аккумуляторы стоят дороже, чем литий-ионные.

Существует много конфигураций аккумуляторов Li-Ion. Самые распространенные литий-ионные аккумуляторы для портативных зарядных устройств – это аккумуляторы с типоразмером 18650, диаметром 18мм и длиной 65мм, в которых 0 означает цилиндрическую конфигурацию. Больше 60% портативных зарядок изготовлены из элементов аккумулятора с типоразмером 18650. Размер и вес таких элементов легко позволяет применять их во многих электронных устройствах. Технологии изготовления также не стоят на месте.

Поскольку среди покупателей все больше и больше возрастает спрос на более легкие и компактные портативные зарядки, все более очевидными становятся ограничения, которые влекут за собой литий-ионные аккумуляторы. Поэтому производители переходят на изготовление более легких, более плоских модульных литий-полимерных аккумуляторов для новых портативных зарядных устройств. Более того, литий-полимерные аккумуляторы не так подвержены риску взрыва, а поэтому в портативные зарядки больше не нужно встраивать защитный слой, в то время как большинство литий-ионных 18650 аккумуляторов должны быть установлены только вместе с защитой.

Давайте подытожим информацию про различия между литий-ионом и литий-полимером в виде таблицы.

После изучения всех преимуществ, недостатков и характеристик двух типов аккумуляторов, вы можете убедиться, что между ними нет сильной конкуренции. Хотя литий-ионный аккумулятор тоньше и изящнее, литий-ионные аккумуляторы отличаются большей удельной энергоемкостью, и потом, они гораздо дешевле в производстве.

Поэтому, не стоит обращать особого внимания на тип аккумулятора, просто выбирайте брендовое портативное зарядное устройство, которое соответствует вашим требованиям. В конце концов, в эти аккумуляторы добавляется множество химикатов, поэтому, еще неизвестно, какие из них прослужат дольше.

• Перевод

Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и - если повезет - медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.

Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.

Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.

Введение в литий-ионные аккумуляторы

Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.

Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.

Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.

Когда мёртвая батарея действительно мертва?

В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.

Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.

Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его - повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой - это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.

В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.

Что ломается и почему

Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.

Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.

В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.

Проблема коррозии

Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.

Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.

Слишком много хорошего

В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.

Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.

Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.

Создавая лучшие батареи

Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.

Сегодня именнолитий-ионные аккумуляторынаиболее часто применяются в различных областях. Особенно широко они используются в мобильной электронике (КПК, мобильные телефоны, ноутбуки и многое другое), электромобилях и так далее. Это связано с их преимуществами в сравнении с ранее широко применявшимися никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлогидридными (Ni-MH) аккумуляторами. И если последние приблизились вплотную к своему теоретическому пределу, то технологии литий-ионные аккумуляторы находятся в начале пути.

Устройство

В литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) работает алюминий, а положительным электродом (анодом) выступает медь. Электроды могут быть выполнены в разной форме, однако, как правило, это фольга в форме продолговатого пакета или цилиндра.

• Анодный материал на медной фольге и катодный материал на алюминиевой фольге разделяются пористым сепаратором, который пропитан электролитом.
• Пакет электродов устанавливаются в герметичный корпус, а аноды и катоды подсоединяются к клеммам-токосъемникам
• Под крышкой аккумулятора могут быть специальные устройства. Одно устройство реагирует увеличением сопротивления на положительный температурный коэффициент. Второе устройство разрывает электрическую связь между положительной клеммой и катодом при повышении давления газов в аккумуляторе сверх допустимого предела. В некоторых случаях корпус оснащается предохранительным клапаном, который сбрасывает внутреннее давление при нарушениях условий эксплуатации или аварийных ситуациях.
• Для повышения безопасности эксплуатации в ряде аккумуляторов применяется и внешняя электронная защита. Она не допускает возможности чрезмерного разогрева, короткого замыкания и перезаряда аккумулятора.
• Конструктивно аккумуляторы производятся в призматическом и цилиндрическом вариантах. Свернутый в виде рулона пакет сепаратора и электродов в цилиндрических аккумуляторах помешен в алюминиевый или стальной корпус, с которым соединяется отрицательный электрод. Через изолятор на крышку выводится положительный полюс аккумулятора. Призматические аккумуляторы создаются складыванием прямоугольных пластин друг на друга.

Подобные литий-ионные аккумуляторы позволяют обеспечить более плотную упаковку, однако в них труднее поддерживать сжимающие усилия на электроды, чем в цилиндрических. В ряде призматических батарей используется рулонная сборка пакета электродов, скрученных в эллиптическую спираль.

Большая часть аккумуляторов производится в призматических вариантах, так как основное их назначение — обеспечение работы ноутбуков и мобильников. Конструкция Li-ion аккумуляторов отличается абсолютной герметичностью. Данное требование продиктовано недопустимостью вытекания жидкого электролита. Если пары воды или кислород попадут внутрь, то происходит реакция с электролитом и материалами электродов, что ведет к полному выводу аккумулятора из строя.

Принцип действия

• В литий-ионных аккумуляторах имеются два электрода в виде анода и катода, между ними находится электролит. На аноде при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов.
• Указанные электроны стремятся попасть на катод, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией.
• Положительно заряженные ионы лития, которые были оставлены убежавшими электронами, в то же время через электролит направляются к катоду, дабы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода.
• После перемещения всех электронов к катоду наступает «смерть» батарейки. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять.

При помощи зарядного устройства можно впустить энергию в цепь, тем самым будет запущена реакция протекания в обратном направлении. В результате будет получено скопление электронов на аноде. После перезаряда аккумулятора он по большей части будет оставаться таковым до момента приведения его в действие. Однако с течением времени батарея будет утрачивать часть своего заряда даже в режиме ожидания.

• Емкость батареи подразумевает количество ионов лития, которые могут внедриться в кратеры и крошечные поры анода или катода. Со временем, после многочисленных перезарядок катод и анод деградируют. В результате число ионов, которые они могут вместить, уменьшается. При этом аккумулятор более не может удерживать прежнее количество заряда. В конце концов, он полностью утрачивает свои функции.

Литий-ионные аккумуляторы выполнены так, что их зарядку нужно постоянно контролировать. С этой целью в корпус устанавливается специальная плата, она называется контроллер заряда. Чип на плате производит управление процессом зарядки аккумулятора.

Стандартная зарядка аккумулятора выглядит следующим образом:

• Контроллер в начале процесса заряда подает ток величиной 10% от номинального. В данный момент напряжение поднимается до 2,8 В.
• Затем ток заряда повышается до номинального. В данный период напряжение при постоянном токе растет до 4,2 В.
• В завершении процесса заряда ток падает при постоянном напряжении 4,2 В до момент 100% заряда батареи.

Стадийность может отличаться в виду применения разных контроллеров, что ведет к разной скорости зарядки и соответственно суммарной стоимости аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы могут быть без защиты, то есть контроллер находится в зарядном устройстве, либо со встроенной защитой, то есть контроллер располагается внутри батареи. Могут быть устройства, где плата защиты встроена непосредственно в аккумулятор.

Разновидности и применение

Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:

1. Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.
2. Таблеточные литий-ионные аккумуляторы.

Разные подвиды электрохимической литий-ионной системы называются по типу применяемого активного вещества. Объединяет все эти литий-ионные аккумуляторы то, что все они являются герметичными необслуживаемым аккумуляторам.

Можно привести 6 наиболее распространенных типов литий-ионных аккумуляторов:

1. Литий-кобальтовый аккумулятор . Он является популярным решением для цифровых камер, ноутбуков и мобильных телефонов в виду высокого показателя удельной энергоемкости. Аккумулятор состоит из катода из оксида кобальта и графитового анода. Недостатки литий-кобальтовых аккумуляторов: ограниченные возможности нагрузки, низкая термическая стабильность и относительно короткий срок службы.

Области применения; мобильная электроника.

1. Литий-марганцевый аккумулятор . Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели выделяется трехмерной каркасной структурой. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, однако отличается более умеренной удельной энергоемкостью, чем кобальт.

Области применения; электрические силовые агрегаты, медицинское оборудование, электроинструмент.

1. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор . В катоде батареи сочетаются кобальт, марганец и никель. Никель славится высокой удельной энергоемкостью, однако низкой стабильностью. Марганец обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, однако приводит к низкой удельной энергоемкости. Сочетание металлов позволяет компенсировать их минусы и задействовать сильные стороны.

Области применения; для частного и промышленного использования ( , системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее).

1. Литий-железо-фосфатный аккумулятор . Его основные преимущества: длительный срок службы, высокие показатели силы тока, стойкость к неправильному использованию, повышенная безопасность и хорошая термическая стабильность. Однако у такого аккумулятора небольшая емкость.

Области применения;стационарные и портативные специализированные устройства, где нужны выносливость и высокие токи нагрузки.

1. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор . Его основные преимущества: высокие показатели плотности энергии и энергоемкости, долговечность. Однако показатели безопасности и высокая стоимость ограничивают его применение.

Области применения; электрические силовые агрегаты, промышленность и медицинское оборудование.

1. Литий-титанатный аккумулятор . Его основные преимущества: быстрая зарядка, длительный срок службы, широкий температурный диапазон, отличные показатели производительности и безопасности. Это наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.

Однако у нее высокая стоимость и низкая удельная энергоемкость. На данный момент ведутся разработки по удешевлению производства и увеличению удельной энергоемкости.

Области применения; уличное , электрические силовые агрегаты автомобилей (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), ИБП.

Типичные характеристики

В целом литий-ионные аккумуляторы имеют следующие типичные характеристики:

• Минимальное напряжение — не ниже 2,2-2,5В.
• Максимальное напряжение – не выше 4,25-4,35В.
• Время заряда: 2-4 часа.
• Саморазряд при комнатной температуре – порядка 7 % в год.
• Диапазон рабочих температур, начиная от −20 °C и заканчивая +60 °C.
• Число циклов заряд/разряд до достижения потери 20% емкости составляет 500-1000.

Достоинства и недостатки

К преимуществам можно отнести:

• Высокая энергетическая плотность при сравнении с щелочными аккумуляторами с применением никеля.
• Достаточно высокое напряжение одного аккумуляторного элемента.
• Отсутствие «эффекта памяти», что обеспечивает простую эксплуатацию.
• Значительное число циклов заряда-разряда.
• Длительный срок эксплуатации.
• Широкий температурный диапазон, обеспечивающий неизменные рабочие характеристики.
• Относительная экологическая безопасность.

Среди недостатков можно выделить:

• Умеренный ток разряда.
• Относительно быстрое старение.
• Сравнительно высокая стоимость.
• Невозможность работы без встроенного контроллера.
• Вероятность самовозгорания при высоких нагрузках и при слишком глубоком разряде.
• Конструкция требует существенных доработок, ведь она не доведена до совершенства.