Литий ионный аккумулятор горит

Как устроены литиевые аккумуляторы?

Об аккумуляторах литий-ионного класса сегодня слышали, пожалуй, все. Они представляют собой универсальный тип батарей, которые нашли свое применение в портативной электронике, специнструменте, электротранспорте.

Литий ионный аккумулятор – это одна из разновидностей электрических АКБ, которая характеризуется малым саморазрядом (потери емкости – не более 5-10 % в год) на фоне высокой емкости и значительного срока службы. Свое название данные элементы питания получили благодаря тому, что в качестве катодныхматериалов они используют литиевые производные (литий-феррофосфат, кобальтат лития, литий-марганцевую шпинель и т.д.), а переносчиками заряда в них выступают ионы лития со знаком плюс, которые способны проникать в кристаллическую решетку других материалов, провоцируя необходимую химическую реакцию.

Чтобы понять, как устроен Li-ion аккумулятор, предлагается последовательно изучить его структуру:

  • в основе системы находятся электроды (катод которых из оксида лития на алюминиевой фольге, анод – из пористого углерода на медной фольге);
  • между электродами расположен сепаратор с пористой структурой, хорошо прописанный электролитом – проводником;
  • набор электродов забран в специальный герметичный корпус, причем, катоды и аноды этих элементов подключены к токосъемникам;
  • дополнительно в конструкцию может включаться клапан-предохранитель, главная задача которого – сброс внутреннего давления в экстренных ситуациях.

В зависимости от формы корпуса изделия, выделяют цилиндрический и призматический виды литий-ионных аккумуляторов. Принцип устройства призматических моделей заключается в составлении друг на друга прямоугольных пластин, в то время как цилиндрические конструкции представлены рулонообразным пакетом электродов с сепаратором, которые закрыты в герметический корпус из металла (сталь, алюминий).

Разработчики аккумуляторных батарей сегодня часто экспериментируют с составом катода, стараясь добиться совершенствования параметров элемента питания без ущерба для его функциональности и долговечности.

Разновидности литиевых аккумуляторов

В современном мире существует огромное число модификаций литиевых аккумуляторных батарей. На данный момент наибольшее распространение в производстве получили только некоторые из них:

  • литий-железо-фосфатные, славящиеся износоустойчивостью, высокой термостабильностью, эксплуатационной безопасностью и длительным периодом работы;
  • литий-кобальтовые, выделяющиеся на фоне аналогов показательной удельной энергоемкостью, но малой термостабильностью и непродолжительным жизненным циклом;
  • литий-марганцевые, чье главное преимущество заключается в умеренной удельной энергоемкости, хотя и при низком сопротивлении;
  • литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные с хорошей плотностью и энергоемкостью, многообещающей продолжительностью функционирования;
  • литий-титанатные, обеспечивающие быструю зарядку, хорошую производительность, способность не терять свою емкость при критических температурах;
  • литий-никель-марганец-кобальт-оксидные дают низкое внутреннее сопротивление, высокую удельную емкость.

Применяются аккумуляторы при создании разной продукции: Li-Co – в ноутбуках, смартфонах, видео- и фотокамерах, Li-Mn – в медтехнике и специнструментах, LiNiMnCoO2 – в электромобилях, электровелосипедах, телекоммуникациях, электростанциях, системах безопасности; LiFePO4 – в оборудовании, рассчитанном на большой ток нагрузки, LiTi – в уличном освещении, источниках бесперебойного питания, электротранспорте; LiNiCoAlO2 – в силовых агрегатах, медразработках.

Усовершенствованной версией литиевых батарей считаются полимерные АКБ, использующие гелеобразный, сухой или выполненный из полимерной матрицы, электролит. В таких устройствах электролит помещается на полимерную пленку, обеспечивающую хороший обмен ионами. Подобная конструкция обуславливает микроразмеры ячеек, безопасность их эксплуатации и простоту изготовления, что позволяет многим экспертам утверждать: за полимерными АКБ – будущее!

Как заряжаются Li-ion аккумуляторы

Разные аккумуляторы могут заряжаться неодинаковое количество времени. На этот параметр влияет не только их емкость, но и типы контроллеров, применяемых для восстановления заряда. Производители размещают контроллеры либо в зарядном блоке (тогда говорят об АКБ без защиты), либо внутри батареи (с защитой). В отдельных разработках контроллер даже встраивают внутрь аккумулятора.

Классический алгоритм восстановления заряда батареи Li ion выглядит следующим образом:

  • на первом этапе контроллер передает ток, величина которого составляет 10 % от номинального, за счет этого напряжение поднимается до 2,8 вольт;
  • далее ток заряда вырастает до номинального, что обуславливает рост напряжения до 4,2 вольта;
  • в конце процесса зарядки ток постепенно снижается при фиксированном напряжении 4,2 вольта.

Стоит иметь в виду, что оптимальным током зарядки для решения Li ion будет тот, который составляет 50 % от номинальной емкости батареи. Например, для аккумуляторной батареи с емкостью 2000 миллиампер-часов идеальным током будет ток, равный 1 Амперу.

Работая с элементами питания литиевого типа, рекомендуется придерживаться нескольких рекомендаций по зарядке:

  • после приобретения батареи и до начала ее эксплуатации требуется зарядить ее до 100 %;
  • стараться избегать зарядки и хранения аккумулятора при слишком высоких температурах;
  • заряжать устройство необходимо только с помощью оригинального блока питания и кабеля (оптимально – с индикацией заряда, чтобы не возникало перезарядки), соблюдая временные рамки, установленные производителем;
  • с целью сохранения ресурса АКБ нужно стараться не допускать полной ее разрядки;
  • если батарея использовалась на морозе или холоде, ее нельзя сразу ставить на зарядку, правильным будет подождать, пока она немного прогреется.


История появления

Разработки были недолгими, но на практическом уровне возникали трудности, которые разрешили только в 90-е годы прошлого века. Из-за высокой активности лития внутри элемента протекали химические процессы, которые приводили к возгоранию.

В начале 90-х произошел ряд несчастных случаев — пользователи телефонов, разговаривая, получали сильные ожоги в результате самопроизвольного воспламенения элементов, а затем и самих устройств связи. В связи с этим батареи полностью сняли с производства и вернули из продажи выпущенные ранее.

В современных литиево-ионных аккумуляторах чистый металл не используется, только его ионизированные соединения, так как они более стабильны. К сожалению, ученым пришлось пойти на существенное снижение возможностей аккумулятора, однако удалось добиться главного — люди больше не страдали от ожогов.

Кристаллическая решетка различных соединений углерода оказалась подходящей для интеркаляции ионов лития на отрицательном электроде. При зарядке они переходят с анода на катод, а при разряде наоборот.

Принцип действия и разновидности

В каждом литий-ионном аккумуляторе основу минусового электрода составляют углеродсодержащие вещества, структура которых может быть упорядоченной или частично упорядоченной. В зависимости от материала меняется процесс интеркаляции Li в C. Плюсовой электрод в основном выполняется из латированного оксида никеля или кобальта.

Суммируя все реакции, их можно представить в следующих уравнениях:

  1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe — для катода.
  2. С + xLi+ + xe → CLix — для анода.

Уравнения представлены для случая разряда, при заряде они протекают в обратную сторону. Ученые проводят работы по исследованию новых материалов, состоящих из смешанных фосфатов и оксидов. Эти материалы планируется использовать для катода.

Выделяют два вида Li-Ion аккумуляторов:

  1. цилиндрический;
  2. призматический.

Главное отличие — расположение пластин (в призматическом — друг на друге). От этого зависит размер литионного аккумулятора. Как правило, призматические плотнее и компактнее.

Кроме того, внутри существует система безопасности — механизм, который при возрастании температуры увеличивает сопротивление, а при повышенном давлении разрывает цепь анод-катод. Благодаря электронной плате становится невозможным замыкание, так как она контролирует процессы внутри АКБ.

Противоположные по полярности электроды разделяются сепаратором. Корпус должен быть герметичным, вытекание электролита или попадание внутрь воды и кислорода разрушат и батарею и само электронное устройство-носитель.

У различных производителей литионный аккумулятор может выглядеть абсолютно по-разному, нет единой формы изделия. Отношение активных масс анода к катоду должно быть примерно 1:1, иначе возможно образование металла лития, которое приведет к возгоранию.

Достоинства и недостатки

АКБ обладают превосходными параметрами, различающимися у разных производителей. Номинальным напряжением является 3,7−3,8 В при максимальном 4,4 В. Энергетическая плотность (один из главных показателей) составляет 110−230 Вт*ч/кг.

Внутреннее сопротивление составляет от 5 до 15 мОм/1Ач. Срок службы по количеству циклов (разряд/заряд) равен 1000−5000 единиц. Время для быстрой зарядки — 15−60 минут. Один из самых значимых плюсов — медленный процесс саморазряда (всего 10−20% за год, из которых 3−6% за первый месяц). Диапазоном рабочих температур является 0 С — +65 С, при температурах ниже нуля заряд невозможен.

Зарядка происходит в несколько этапов:

  1. до определенного момента протекает максимальный ток заряда;
  2. при достижении рабочих параметров ток постепенно уменьшается до 3% от максимального значения.

При хранении примерно каждые 500 часов необходима периодическая подзарядка, направленная на компенсацию саморазряда. При перезаряде может осаждаться металлический литий, который, взаимодействуя с электролитом, образует кислород. Таким образом повышается риск разгерметизации вследствие повышения внутреннего давления.

Частые перезарядки сильно снижают срок службы батареи. Кроме того, влияет окружающая среда, температура, ток и т. д.

У элемента есть недостатки, среди которых выделяют следующие:

  1. Высокая чувствительность к режиму разряд-заряд, в связи с чем необходимы встроенные элементы, обеспечивающие безопасность.
  2. Нельзя допускать полной разрядки устройства. Это приводит к очень большому сокращению срока службы.
  3. Срок эксплуатации сильно уменьшается при неконтролируемом разряде.
  4. При разных температурных режимах разрядка происходит с разной скоростью. Чем выше температура, тем больше потеря емкости.
  5. Если заряжать не полностью, впоследствии разряжая АКБ, создаются «микроэффекты» памяти. Это связано с динамикой ионов, которая в рассматриваемых условиях заметно ухудшается.
  6. При неполной зарядке не все ионы на катоде успеют преодолеть барьер высвобождения, «застряв» в пограничном состоянии. Тогда при разряде они, пытаясь вернуться на свое место, встречают там такие же частицы. Все это ведет к изменениям в структуре электрода.