Как работает литий ионный аккумулятор

Li-ion элементы LG 18650 фото

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 фото

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

  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.

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.

Как работает литий-ионная батарея?

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».

Принцип работы литиевой АКб фото

Устройство Li-ion аккумулятора

Главные составляющие в устройстве литий-ионного аккумулятора – это электроды: слой катода на алюминиевой фольге и слой анода на фольге из меди. В роли катода выступают соединения лития, например:

  • LiMn2O4 – у высокотоковых элементов;
  • LiCoO2 или LiNiCoAlO2 – у емкостных моделей;
  • LiNiMnCoO2 – у ячеек со сбалансированным соотношением емкости и токоотдачи;
  • LiFePO4 – у высокотоковых и морозоустойчивых моделей с увеличенным жизненным циклом (более 2000).

состав литий-ионной батареи

Материалом анода обычно выступает графит. Но, например, у литий-титанатных аккумуляторов вместо него применяется пентатитанат лития – Li4Ti5O12. Такая замена обеспечила LTO моделям огромный ресурс (3000 –7000 циклов и больше), устойчивость к токовым нагрузкам (до 10С, импульсно – до 30С) и способность стабильно работать при температуре от −40 до +60 C. Но от химического состава зависит и номинальное напряжение элементов. Так, у большинства Li-ion аккумов номинальный вольтаж составляет 3,6–3,7 В, у моделей LiFePO4 – 3,2–3,3 В, а у LTO – 2,4 В.

Разделяет электроды пористый сепаратор, пропитанный электролитом на основе этилен-карбоната. Полученная конструкция из листов фольги с нанесенными на них материалами электродов и разделяющего их сепаратора сворачивается. В зависимости от принципа сворачивания, она приобретает цилиндрическую или призматическую форму.

Снаружи на элементы питания наносится герметичная оболочка из алюминия, стали или полимерного материала. Электроды присоединяются к клеммам-токосъемникам. Иногда корпус оснащают предохранительным клапаном для сброса давления при нештатных ситуациях.

Аккумулятор ЛИЦ-1,5 Li-ion 3,7 Вольт 1500 мА*ч

Артикул: 4625

Аккумулятор ЛИЦ-2,2 Li-ion 3,7 Вольт 2200 мА*ч

Артикул: 4627

Аккумулятор Tesla 21700 Li-ion 3.7 Вольт 4800 мА*ч

Артикул: 92

Аккумулятор Samsung 50G 21700 Li-ion 3,7 Вольт 5000 мА*ч

Артикул: 5431

Принцип работы

схема работы литий-ионный акб

После ознакомления с тем, как устроен литий-ионный аккумулятор, рассмотрим принцип его работы. Электролит выступает одновременно и проводником, и вместилищем заряда. В нем происходят электрохимические реакции, вследствие которых происходит перемещение электронов и выработка тока. Заряд переносят ионы лития Li + . Они легко встраиваются в кристаллическую решетку пористого углерода, образуют химические связи и вызывают соответствующие реакции.

В процессе зарядки аккума на его электроды подается напряжение. Под его действием ионы лития покидают катод и через сепаратор следуют к аноду, где интегрируются в его молекулярную структуру. Происходит реакция окисления. Обратная реакция (восстановления ) протекает, когда аккумулятор подключают к нагрузке. В таком случае ионы лития от анода отправляются обратно к катоду.

Преимущества и недостатки

В последнее время литий-ионные аккумуляторы заняли свою весомую нишу в сфере независимых источников питания и продолжают вытеснять другие модели. Такой успех объясняется рядом весомых преимуществ:

  • Обладают высокой энергетической плотностью, в сравнении с щелочными, кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными.
  • В сравнении с другими видами, один элемент характеризуется куда большей величиной напряжения, которую тот способен выдать.
  • Характеризуются довольно большим количеством циклов заряда и разряда, благодаря чему могут похвастаться более длительным сроком эксплуатации.
  • Может функционировать в достаточно широком температурном диапазоне.
  • В сравнении с другими типами аккумуляторов, не содержит веществ, представляющих угрозу экологии.

Однако, на ряду с преимуществами, литий-ионные аккумуляторы характеризуются и некоторыми недостатками. Так, в случае несоблюдения основных режимов заряда или эксплуатации батарея может не только выйти со строя, но и загореться. В случае понижения температуры менее допустимого предела, емкость аккумулятора может снизиться до 20%. При избыточном заряде литий-ионный быстро выходит со строя.

Особенности эксплуатации

В случае неправильной эксплуатации литий-ионные аккумулятор быстро выходят со строя. Как могли заметить некоторые владельцы мобильных телефонов, такая батарея часто вздувается, что мешает нормальному закрытию крышки.

Вздутие литий-ионной батареи

Подобная ситуация является следствием выделения большого количества газов, которые и раздувают корпус Li-Ion батареи. В то же время, при правильной эксплуатации, источник питания прослужит в 10 раз дольше.

Одним из важнейших правил для литий-ионных источников питания является соблюдение умеренного температурного режима. Не допускается как чрезмерный перегрев, к примеру, оставлять моблиьный телефон на пляже под воздействием прямых солнечных лучей, возле обогревателей или в автомобиле на палящем солнце. В равной степени, как и резкие переохлаждения. В случае выявления чрезмерного нагрева в ходе заряда, необходимо прекратить процедуру и вынуть литий-ионную батарею для охлаждения.

В случае выявления испорченной и уже вздутой батареи, ни в коем случае не следует пытаться ее проколоть или отремонтировать. Лучше замените е на новую в целях собственной безопасности, но внимательно следите за соблюдением основных режимов и правильным зарядом.

Плюсы литий-ионных аккумуляторов

Смартфоны, ноутбуки, смарт-часы, электромобили — всё это лишь небольшая часть рынка, который всё сильнее впадает в зависимость от преимуществ литий-ионных аккумуляторов. Эта технология находит тем больше применений, чем доступнее она становится. Поэтому в Li-Ion вкладывается огромное количество разработок.

1. Плотность энергии — высокая

Высокая плотность энергии позволяет электронному оборудованию (смартфонам, ноутбукам, электромобилям) работать дольше без подзарядки при скромных размерах элемента питания. Чем больше требуется энергии устройству, тем выше должна быть плотность энергии в аккумуляторе.

Например, электроинструменты и электромобили обладают значительно большей высокой удельной мощностью, чем смартфоны. Литий-ионные аккумуляторы идеально подходят для такого рода задач, что является их главным преимуществом как раз за счёт высокой плотности энергии.

2. Саморазряд — низкий (едва заметный)

Ключевая проблема аккумуляторных батарей — потеря заряда без использования (саморазряд). Литий-ионные элементы обладают едва заметной скоростью саморазряда.

Они теряют намного меньше энергии, чем другие перезаряжаемые элементы (например, Ni-Cd и NiMH). Принято считать, что у Li-Ion саморазряд составляет 5% в первые 4 часа после зарядки и затем снижается до 1-2% в месяц.

3. Напряжение — 3,6 В (одного элемента достаточно)

Напряжение каждого элемента литий-ионного аккумулятора составляет около 3,6 вольт. В этом есть несколько преимуществ.

  • • Напряжение выше, чем у стандартных никель-кадмиевых и никель-металлгидридных, а также стандартных щелочных элементов (1,5 В);
  • • напряжение выше, чем у свинцово-кислотных элементов (около 2 В на элемент);
  • • это значит, что устройствам требуется меньше элементов.

Это дешевле, проще и безопаснее в эксплуатации. Так, например, для смартфонов достаточно одной ячейки. Однако в некоторых моделях производители применяют две ячейки литий-ионного аккумулятора.

Для чего? Для быстрой зарядки — двойной аккумулятор безопаснее и быстрее зарядить чем одинарный той же ёмкости. Но это усложняет управление питанием и удорожает конструкцию. И даже с этим набором недостатков, литий-ионная технология здесь всё равно выгоднее, чем применять ещё большее число ячеек вдвое меньшего напряжения.

Литий-ионный аккумулятор: преимущества и недостатки, плюсы и минусы Li-Ion

4. Нагрузка — держит 3,6 В стабильно до разрядки

Нагрузочные характеристики литий-ионного аккумулятора отличаются стабильной работой с момента зарядки до момента полного разряда. Это хорошие показатели на фоне всех конкурирующих технологий.

Это значит, что напряжение 3,6 В на элемент постоянное.

Изменения, конечно, есть. Напряжение снижается непосредственно перед тем, как батарея полностью разрядится. Производители могут рассчитывать на стабильность этой характеристики. Чего сказать про другие типы элементов питания нельзя.

5. Применимость — масштабная (по видам продукции)

Существует несколько типов литий-ионных элементов. Преимущество пригодилось для придания батарее особых свойств в её назначении.

  • • Так, например, одни варианты обеспечивают высокую плотность тока и идеально подходят для длительной работы бытовых приборов и гаджетов.
  • • Другие способны обеспечивать гораздо более высокие уровни тока, благодаря чему идеально подходят для электроинструментов.
  • • Третьи отличаются высокой безопасностью и долгим сроком службы, что по достоинству оценили производители электромобилей.

6. Обслуживание — не требуется

Одно из преимуществ литий-ионных батарей заключается в отсутствии особых потребностей. Например, в обслуживании. Аккумуляторы поставляются в рабочем состоянии и готовы к работе сразу же из коробки.

Внимание! Вы можете лишь продлить срок службы батареи за счёт некоторых манипуляций.

Так, например, сразу после покупки нового аккумулятора Li-Ion не спешите его разряжать. Рекомендуется полностью зарядить и лишь затем разрядить до отключения, после вновь зарядить до 100%. Так батарея набирает ёмкость, а контроллер устройства «обучается» правильной индикации.

7. Эксплуатация — без расходов

Раз не требуется никакое особое обслуживание, то нет и затрат на эксплуатацию, проверки, тестирование. Одно из преимуществ литий-ионных батарей — никакого активного ухода, заправки или технического поддержания работоспособности.

Например, никель-кадмиевые элементы нужно периодически разряжать, чтобы не проявился эффект памяти прошлой зарядки. Точно так же свинцово-кислотные элементы испытывают потребность в техническом обслуживании. Некоторые из них периодически заправляют аккумуляторной кислотой.

Литий-ионный аккумулятор: преимущества и недостатки, плюсы и минусы Li-Ion

Минусы литий-ионного аккумулятора

Как и в случае использования любой другой технологии, у литий-ионного аккумулятора имеются существенные недостатки. Сопоставьте их с преимуществами, чтобы точно представлять себе ограничения в применении.

Внимание! Исключительная особенность батарей Li-Ion кроется в возможностях преодоления недостатков технологии за счёт:

  • — ухищрений и доработок,
  • — изменения типа химии,
  • — совершенствования конструкции,
  • — настройки контроллера и защиты.

1. Безопасность — требуется защита

Главный минус литий-ионного аккумулятора — ненадёжность в сравнении с другими аккумуляторными технологиями.

Чтобы снизить риски и гарантировать безопасность, производители разработали варианты защиты от:

  • • чрезмерного заряда,
  • • слишком сильного разряда,
  • • короткого замыкания,
  • • небезопасных пределов тока и так далее.

Полный список опасных проявлений, от которых литий-ионной батареи требуется защита, мы составили отдельно.

Современные интегральные схемы позволяют относительно легко встроить в батарею или в оборудование (когда батарея не взаимозаменяема) систему управления — контроллер. Он делает литий-ионные батареи безопасными и допускает использование элементов без каких-либо специальных знаний.

Например, вы можете оставить смартфон на зарядке на ночь или даже на все выходные — ничего страшного не случится, так как зарядное устройство вовремя отключит питание.

Схема защиты, встроенная в литий-ионную батарею, контролирует ряд аспектов её работы:

  • — ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки, поскольку чрезмерное напряжение может повредить их;
  • — в многоэлементных аккумуляторах ячейки заряжаются последовательно через один разъём питания так, чтобы ни одна ячейка не испытывала напряжение выше требуемого (разные элементы могут требовать разного уровня заряда и существует вероятность, что кто-то перезарядится);
  • — предотвращается слишком низкое падение напряжения элемента при разряде (глубокий разряд);
  • — пресекается ситуация, когда одна ячейка хранит меньше заряда, чем другие, в аккумуляторе (скажем, у шуруповёрта);
  • — ещё одним аспектом схемы защиты является температура (ячейка может переохладиться или перегреться).

Максимальный ток заряда и разряда для большинства аккумуляторов ограничен повышением температуры на 1-2°C. Тем не менее, некоторые из них немного нагреваются при быстрой зарядке.

Литий-ионный аккумулятор: преимущества и недостатки, плюсы и минусы Li-Ion

2. Ограниченный срок службы — 500-1000 циклов

Износ — это один из самых неприятных недостатков литий-ионных батарей. Количество циклов зарядки и разрядки ограничено 500-1000 циклами, после которых ёмкость снижается, а деградация усиливается.

Узнайте, от чего зависит число циклов до момента критического износа.

Ёмкость упадет в любом случае. При интенсивном использовании раньше. При бережном — позже. С развитием литий-ионной технологии эта цифра увеличивается, но рано или поздно без замены не обойтись. И это может быть проблемой, если аккумулятор встроен в оборудование.

3. Старение — даже если не используется

Помимо износа при эксплуатации аккумулятор подвержен старению даже когда не используется. Причина в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих внутри него без остановки.

Если вы планируете долгое время хранить аккумулятор без использования, то следует частично зарядить его. В различной документации указан диапазон заряда между 40% и 50%. Оптимально сухое, тёмное место с температурой не выше +22°C и не ниже +5°C. Хранение в этих условиях поможет продлить срок службы.

Литий-ионный аккумулятор: преимущества и недостатки, плюсы и минусы Li-Ion

4. Транспортировка — затруднена

В последние годы многие авиакомпании ограничивают количество принимаемых литий-ионных батарей. Их перевозка ограничена на законодательном уровне. Даже мы в Neovolt пострадали из-за проблем в логистике крупных перевозчиков.

Пассажирам самолётов приходится перевозить литий-ионные аккумуляторы в ручной клади согласно правилам большинства авиакомпаний. Время от времени условия меняются. Но количество батареек, разрешённых с собой, всегда ограничено.

Любые литий-ионные батареи, переносимые отдельно, должны быть определённой ёмкости, по возможности извлечены из устройства, защищены от короткого замыкания защитными крышками и так далее. Например, большие Li-Ion аккумуляторы (как в ИБП) вовсе нельзя перевезти авиатранспортом. Перед полетом проверяйте, можно ли носить с собой большой повербанк.

Иногда требования туманны, и по факту вам предстоит выбор:

  • • лететь самолётом и выбросить аккумулятор в аэропорту,
  • • либо отказаться от перелёта и выбрать другой транспорт.

5. Стоимость — высокая

Себестоимость литий-ионного аккумулятора на производстве примерно на 40% выше, чем у никель-кадмиевых элементов. При разработке массовых потребительских товаров любые дополнительные расходы являются серьёзной проблемой.

6. Завершённость технологии — незрелая

Li-Ion уже много лет на рынке, и это всё ещё незрелая технология. Она принадлежит к развивающейся области инвестирования и разработок. С одной стороны это недостаток.

Мы получаем незаконченный продукт, который много лет никто не может усовершенствовать и довести до значительного прогресса.

С другой стороны, новые литий-ионные технологии разрабатываются постоянно. Может ли это быть преимуществом? Если появляются более совершенные решения, то может, но пока таких по пальцам пересчитать.

Литий-ионный аккумулятор: преимущества и недостатки, плюсы и минусы Li-Ion

Любопытно, что преимущества и недостатки литий-ионной батареи встречаются на одном поле игры:

  • • с одной стороны технология используется повсеместно, но она ещё недостаточно развита;
  • • в плюсах она легко приспосабливается под разные устройства, но в минусах опасна при определённых условиях эксплуатации;
  • • нет саморазряда и каких-то сложностей в применении, но стареет даже если не используется;
  • • защищена со всех сторон и в принципе безопасна, но запрещена к перевозке авиатранспортом.

Так сложилось, что сейчас производители смартфонов, ноутбуков, электромобилей и других устройств, где применяется Li-Ion научились использовать преимущества технологии. Они максимально избавляются от её недостатков и стремятся повлиять на ограничения.

Тем самым у нас с вами появилась возможность пользоваться аккумуляторами литий-ионного типа, не опасаясь за свою жизнь и работоспособность электроники.

Включайтесь в нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Присоединяйтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий