- История появления
- Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla
- Правила эксплуатации li ion аккумуляторов
- Требования к режимам заряда/разряда
- Принцип работы и устройство
- Схема защиты аккумулятора от сверхразряда
- Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора
- Взрывоопасность
- Химические процессы на положительном и отрицательном электроде
- Преимущества
- Виды литий ионных аккумуляторов
- Конструкция литий ионной батареи
- Где я покупаю литий и полезности по теме
- Характеристики
- Эксплуатация и срок службы
- Как правильно эксплуатировать
- Срок службы
- Хранение и утилизация
- Безопасность
- Требования к режимам заряда/разряда
- Как восстановить литий ионный акб
- Недостатки
- Частые вопросы
- Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?
- Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?
- Как утилизировать?
- Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?
- Из чего делают литий-ионный аккумулятор
- Как осуществляется производство li-ion АКБ
- Как проверить работоспособность АКБ
- Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе
- Реакции на отрицательном электроде
- Реакции на положительном электроде
- Плюсы и минусы
- Маркировка
- Применение литий ионных аккумуляторов
- Как стартерные батареи
- Как тяговое устройство
- Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей
История появления
Первый литий-ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Sony стала ведущим производителем аккумуляторов этого типа. Но батареи были разработаны в 1970-х годах. Это были первые устройства с высоким энергопотреблением, которые сделали их востребованными. Но практически не было возможности применить их в больших масштабах.
Батарея содержит два электрода. Катод помещен на алюминиевую фольгу, а анод — на медную. Их разделяет специальный сепаратор, в состав которого входит жидкий электролит, в некоторых случаях материал похож на гель. Положительные заряды переносятся ионами лития. Это способы проникновения в другие материалы и химические элементы, вызывающие электрохимическую реакцию. Благодаря этому свойству они обеспечивают зарядку или источник питания для устройств (телефонов, ноутбуков и т.д.).
В первые несколько лет после создания литий-ионного аккумулятора они были известны своей взрывоопасностью. Это было связано с использованием металлического лития в конструкции накопителя, а также с образованием химических соединений в виде газа. При большом количестве разряда и заряда произошло короткое замыкание, в результате которого аккумулятор взорвался.
Взрывы произошли также из-за того, что ионы лития вступили в реакцию с другими соединениями и веществами в батарее. Реакция была опасной и привела к выделению большого количества тепла, после чего аккумулятор воспламенился и взорвался. В ходе доработки было решено заменить анод на графитовый аналог. Такая рокировка позволила устранить проблему с риском взрыва аккумулятора. И производителю, обнаружив лазейку, пришлось отозвать всю партию сотовых телефонов.
Интересный факт! В зарядных устройствах для аккумуляторов, с помощью которых накопители получают заряд, есть функция предотвращения перегрева аккумулятора и защиты от «переполнения» током.
Чтобы разработать полностью безопасный литий-ионный аккумулятор, потребовалось более 20 лет активных исследований и разработок. Это привело к выпуску более инновационного типа батарей, а именно фосфат лития. Они не перегреваются и в составе отсутствуют компоненты с опасными реакциями между ними. Кроме того, многие производители встраивают в корпус контроллер для зарядки аккумуляторов, чтобы избежать перегибов с возгоранием.
Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla
Представьте себе мир, в котором все автомобили работают от электродвигателей, а не от двигателей внутреннего сгорания. Электродвигатели превосходят двигатели внутреннего сгорания практически по всем техническим показателям, а кроме того они намного дешевле и надежнее. У двигателя внутреннего сгорания есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент только в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель — безусловно, лучший выбор для автомобиля. Об этом мы говорили в статье об автомобилях Tesla.
Сравнение электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания
Но есть узкое место, которое постоянно задерживает электрическую революцию в автомобильной промышленности: источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей не могли конкурировать с полным баком бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Tesla.
Это литий-ионные батареи, которые Тесла использует для своих электромобилей.
Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 — 4,2 В. Многие из этих элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.
модуль батареи Tesla
Литий-ионные элементы во время работы выделяют много тепла. В то же время высокие температуры сокращают срок службы и эффективность самих элементов. Специальная система управления батареями (система управления батареями, сокращенно BMS) используется для контроля температуры, а также уровня их заряда, защиты от перегрузки и общего состояния батарей. В аккумуляторах Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость, с которой спирт проходит через систему, поддерживая оптимальную температуру батарей.
радиатор батареи Tesla
Еще одна важная функция BMS — защита от перегрузки. Допустим, есть три ячейки с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью будет заряжаться больше, чем два других. Чтобы избежать этого, BMS использует так называемую балансировку ячеек. В этом случае все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерной или недостаточной зарядки.
равномерный заряд аккумулятора благодаря технологии BMS
И в этом преимущество Tesla перед аккумуляторной технологией Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера ячеек и отсутствия активной системы охлаждения.
nissan Leaf и аккумулятор Tesla
У конструкции с множеством небольших цилиндрических элементов есть еще одно преимущество: при высоком энергопотреблении нагрузка равномерно распределяется между всеми элементами. Если бы вместо множества мелких элементов был огромный элемент из-за постоянных нагрузок, он бы очень быстро пришел в негодность. Компания Tesla сделала ставку на небольшие цилиндрические элементы, технология изготовления которых уже хорошо отработана.
Читайте также: Блок питания своими руками: 100 фото, чертежи и лучшие проекты с регулировкой
Правила эксплуатации li ion аккумуляторов
На срок службы литиевой батареи влияет множество факторов, знание которых значительно увеличит ресурс. При использовании этого типа аккумулятора вам необходимо:
- Старайтесь не разряжать аккумулятор полностью. Несмотря на высокую устойчивость аккумулятора к подобным воздействиям, желательно не выжимать из него все «соки». Будьте особенно осторожны при обращении с такими батареями с ИБП и электродвигателями большой мощности. Если аккумулятор полностью разряжен, нужно немедленно его оживить, то есть подключить к специальному зарядному устройству. Аккумулятор можно трясти даже после длительного нахождения в состоянии глубокой разрядки, для чего необходимо провести качественную зарядку в течение 12 часов, а затем разрядить аккумулятор.
- Не перегружайте. Перегрузка отрицательно сказывается на характеристиках продукта. Встроенный контроллер не всегда может вовремя выключить аккумулятор, особенно когда зарядка производится в холодном помещении.
В дополнение к перезарядке и чрезмерной разрядке аккумулятор необходимо защищать от чрезмерного механического воздействия, которое может привести к протечке корпуса и возгоранию внутренних компонентов аккумулятора. По этой причине почтовые расходы запрещены для аккумуляторов, в которых содержание чистого лития превышает 1 г.
Используется как аккумулятор для отверток, ноутбуков и телефонов
Требования к режимам заряда/разряда
Требования к режиму заряда / разряда предназначены как действия, при которых батарея литий-ионного типа будет выполнять свои функции в течение длительного времени, безопасно, и при этом устройство будет полностью функционировать.
- Чрезвычайно высокие температуры могут вызвать вздутие аккумулятора. Температура эксплуатации +20 — +40 ° C. Не стоит загорать гаджет, а тем более париться с ним, эти действия могут вызвать перегрев аккумулятора.
- После полной зарядки рекомендуется отключить гаджет от зарядного устройства.
Если аккумулятор полностью заряжен, без подзарядки, в зависимости от емкости, он может держать заряд до 12 месяцев. Это связано с низким значением саморазряда. Однако мы не рекомендуем хранить полностью заряженные литиевые батареи. Храните купленные батареи менее чем на половину заряда и не дольше 6 месяцев.
Принцип работы и устройство
Литий-ионный аккумулятор имеет следующий принцип работы:
- После подачи тока на контакты батареи катионы лития переходят в анод;
- Во время использования и прямого разряда ионы лития покидают анод и проникают в диэлектрик на глубину примерно 50 нм.
Количество циклов заряда за весь срок службы аккумулятора может составлять 1000. Примечательно, что при глубоком разряде пластины истока не окисляются. Но не все типы литий-ионных аккумуляторов полностью разряжены. Например, если установлена в телефоне или фотоаппарате, при глубоком разряде карта блокирует возможность зарядки. Зарядить можно будет только с помощью специального устройства.
А вот литиевые тяговые аккумуляторы для лодочных моторов совершенно не боятся полной потери заряда. Литий-ионный аккумулятор обычно состоит из нескольких источников питания, соединенных параллельно или последовательно.
Схема защиты аккумулятора от сверхразряда
Бывает, что попадаются батарейки без защиты, поэтому их нужно собрать самостоятельно. Это не сложно. Во-первых, это ассортимент специализированных микросхем. Во-вторых, похоже, китайцы собрали модули.
И в-третьих, мы рассмотрим, что можно почерпнуть по теме из авторских материалов. Ведь не у всех есть современные фишки в наличии или привычка делать покупки на Алиэкспресс .
Я использую эту сверхпростую схему много лет, и батарея ни разу не вышла из строя!
Конденсатор можно не устанавливать, если нагрузка не импульсная и потребляет стабильно. Любые маломощные диоды, их количество следует подбирать исходя из напряжения отсечки транзистора.
Транзисторы использую разные, в зависимости от наличия и потребления тока устройства, важно, чтобы напряжение отсечки было меньше 2,5В, т.е чтобы он открывался от напряжения аккумулятора.
лучше настроить схему на установке. Берем транзистор и через резистор сопротивлением 100 Ом… 10 К подаем напряжение на затвор, проверяем напряжение отсечки. Если не больше 2,5В, то копия хороша, тогда подбираем диоды (количество, а иногда и тип) так, чтобы транзистор начал закрываться при напряжении около 3В.
Теперь подаем напряжение от блока питания и проверяем, что схема работает при напряжении примерно 2,8 — 3 В.
Другими словами, если напряжение на аккумуляторе упадет ниже установленного нами порога, транзистор закроется и отключит нагрузку от источника питания, тем самым предотвращая опасный глубокий разряд.
Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора
Значит у нас дохлый аккумулятор
низкий литий-ионный аккумулятор
Закачиваем. Для этого нам понадобится какой-то источник энергии. Что сейчас происходит с самой литий-ионной батареей? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытягивая» их из оксида лития.
процесс зарядки литий-ионного аккумулятора
Поскольку электроны не могут проникнуть в электролит, они движутся по внешней цепи через источник питания.
и в итоге дойдем до графита
где они очень удобно размещены в слоях графита.
При этом положительные ионы лития притягиваются к отрицательному полюсу, проходя через электролит, а также попадают в графит, находясь между его слоями.
Когда все ионы лития достигают графита и «захватываются» его слоями, аккумулятор полностью заряжается.
Состояние аккумулятора нестабильно. Думайте об этом как о шаре на вершине холма, который может скатиться вниз в любой момент.
Итак, мы достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь нам нужно как-то заставить электроны и ионы двигаться по-разному. Как только мы подключаем любую нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, начинается обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит захотят вернуться в исходное состояние.
Таким образом, они начнут проходить обратно через электролит, а электроны пройдут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.
генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе
Поскольку электрический ток — это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, в цепи лампы накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту же лампочку засветиться.
Как только все электроны «вылетают» из графита, аккумулятор полностью разряжается. Для его подзарядки достаточно просто поставить аккумулятор «на зарядку».
низкий литий-ионный аккумулятор
При этом сам графит не участвует в химических реакциях: он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.
Взрывоопасность
Ситуации превышения допустимой температуры и перегрева электролита, а также при больших токах зарядки или разрядки (короткое замыкание внутри аккумулятора) могут привести к взрыву аккумулятора. В таком аккумуляторе в результате металлизации лития начинается цепная реакция, после чего он набухает и целостность оболочки нарушается. Иногда, когда аккумуляторная батарея перегревается или происходит короткое замыкание, внутренняя температура повышается до 70-90 ° C, литий становится реактивным и начинает реагировать.
Электролит и литий анода взаимодействуют, и в результате реакций могут образовываться углеводороды. Но из-за углеводородов горение не происходит, пока не появится кислород. Кислород может появиться на катоде, когда при дальнейшем повышении температуры до 200 ° С происходит разгерметизация, после чего включается аккумулятор. Этот процесс быстро заканчивается, когда реагенты внутри батареи полностью разлагаются.
Химические процессы на положительном и отрицательном электроде
Современные модели литий-ионных аккумуляторов содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на внедрение ионов лития в углерод. Анодная матрица слоистая. Его можно заказать частично или полностью
Во время интеркаляции ионы лития, по-видимому, раздвигают углеродные слои и встраиваются друг в друга. При введении и удалении ионов объем матрицы не изменяется. Положительный электрод изготовлен из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.
Во время зарядки происходят реакции, описываемые следующими уравнениями:
- на положительном электроде;
- на отрицательном электроде.
Принцип работы разряда описывается обратными уравнениями.
Преимущества
К основным преимуществам можно отнести следующее:
- Очень высокая плотность энергии (соотношение количества мАч и объема);
- Большой ток при работе;
- Не требует обслуживания;
- Саморазряд очень низкий;
- Готовы к использованию в любое время;
- Без эффекта памяти;
- Возможность создания аккумуляторов любых размеров и форм;
- Диапазон рабочих температур очень широк.
Каждое из преимуществ определяет использование литий-ионных аккумуляторов в конкретной области. Например, их высокая плотность энергии делает их практически не альтернативным источником питания для компактных устройств.
Виды литий ионных аккумуляторов
Литий-ионные батареи стали востребованы во многих сферах. Помимо использования в гаджетах, приборах и автомобилях, аккумуляторы также производятся для промышленного использования, которые имеют высокое напряжение и емкость. Наибольшей популярностью пользуются батареи, представленные в таблице.
Первые две цифры ряда указывают размер диаметра аккумулятора, вторые две — длину. Ноль устанавливается в случае цилиндрической формы. Также выпускаются аккумуляторы подтипа «Крона» напряжением 9 Вольт.
Обозначения батарей указывают на содержимое ячеек, например:
- ICR — кобальт;
- IMR — марганец;
- INR — никель и марганец;
- NCR — Кобальт и никель.
Типы литий-ионных аккумуляторов различаются в основном размером, химическим составом, емкостью и напряжением.
Конструкция литий ионной батареи
Литий-ионные аккумуляторы выпускаются цилиндрической и призматической формы. Версия в форме цилиндра — это, по сути, рулон электродов с материалами для разделения противоположных полюсов. Корпус из стали или алюминия, к которому подключен минус. Плюс отображается на платформе, расположенной в конце корпуса.
Призматический дизайн достигается за счет наложения прямоугольных пластин друг на друга. Такой вариант позволяет сделать агрегат более компактным.
Любая модель оснащена герметичным корпусом. Потеря электролита недопустима, так как он сразу же разрушает аккумулятор.
Где я покупаю литий и полезности по теме
Батареи всех типов, емкости и форм-факторов продаются в Китае. По той же ссылке вы найдете модули зарядки и другие утилиты для самостоятельной сборки.
За счет умений китайцы обычно врут и меньше пишут.
Честный Sanyo 18650
Но аккумуляторы Sanyo 18650 дороже, но емкость честная и качество высокое — поменял на ноут.
Контроллеры зарядки USB TP4056 настолько малы, что их можно встроить прямо в устройство и заряжать от USB-ПК или зарядного устройства для телефона USB.
И есть отдельные контроллеры TP4056 SO-8, которые можно встроить в вашу плату.
Малые литий-полимерные батареи разной емкости и размеров. Выводы делаются из ниток, что для нас очень удобно. Обычно есть охрана.
Характеристики
Характеристики литий-ионных аккумуляторов напрямую зависят от комплектующих агрегата. Параметры могут иметь значения в следующих диапазонах:
- Напряжение: номинальное — 3,7В, макс. — 4,2-4,35 В, мин. — 2,5-3 В.
- Энергопотребление — 110-243 Втч / кг.
- Сопротивление — 5-15 Ом / Ач.
- Время быстрой зарядки — 15-60 минут.
- Рабочие температуры — -20-60 градусов.
Эксплуатация и срок службы
Аккумулятор — это такое же сложное устройство, как телефон, за исключением того, что оно выполняет только одну функцию. Вот почему, чтобы максимально использовать полную емкость аккумулятора, рекомендуется ознакомиться с правильным использованием и хранением аккумулятора. Это также поможет продлить срок хранения.
Как правильно эксплуатировать
Следите за тем, чтобы аккумулятор не был полностью разряжен. Этот процесс легко контролировать. Но помимо этого вам также необходимо следить за правильным течением заряда.
При зарядке аккумулятора нельзя перезаряжать зарядное устройство. Литий-ионный аккумулятор работает исправно и заряжается при напряжении до 3,6 В. Как правило, зарядные устройства выдают 4,2 В. При превышении времени зарядки в корпусе могут возникнуть опасные электрохимические реакции. Это может привести к перегреву и вздутию.
При разработке эта особенность была учтена и при превышении напряжения рекомендованного значения процесс зарядки прекращается. Также литиевые батареи необходимо правильно заряжать в два этапа. Первый этап — это зарядка накопителя постоянным током, второй — постоянным напряжением с постепенным уменьшением тока. Этот алгоритм уже реализован во многих зарядных устройствах.
Срок службы
Срок службы батареи напрямую зависит от правильного использования. Например, при несоблюдении рекомендаций по использованию литий-ионных аккумуляторов этот срок сокращается в 10 раз. Принято считать, что аккумуляторы способны выдерживать 500-1000 циклов заряда-разряда, при этом учитывается коэффициент полного разряда. При остатке даже минимального процента заряда можно на порядок увеличить срок службы устройства.
точный срок службы такого типа устройств назвать невозможно, так как срок службы напрямую зависит от условий использования. Однако примерно один литий-ионный аккумулятор может исправно выполнять свои функции в течение 8-10 лет с учетом того, что его использование будет строго по рекомендациям.
Хранение и утилизация
Аккумулятор такого типа легко хранить. Как правило, саморазряд при правильном хранении составляет порядка 10-15% в год. Но этот показатель может меняться в большую или меньшую сторону в зависимости от условий хранения.
Важно! Даже при идеальных условиях хранения литий-ионных аккумуляторов разрушение элементов все равно будет происходить.
Если возникает необходимость хранить литий-ионный аккумулятор в течение длительного времени, необходимо принять меры, чтобы минимизировать негативное воздействие на аккумулятор:
- Место хранения должно быть сухим, с небольшим индикатором влажности. Необходимо исключить риск ударов, вибрации и непосредственной близости к открытому пламени или нагревательным элементам.
- Температура хранения литий-ионного аккумулятора не должна быть ниже нуля. Оптимально хранить прибор при температуре 5-25 градусов.
- Перед хранением снимите устройства с устройства. Также полностью произведите предварительную зарядку.
Главное учитывать, что любой контакт с водой отрицательно скажется на состоянии аккумулятора. При соблюдении всех рекомендаций можно хранить устройство несколько лет. Важно понимать, что это не помешает уменьшению емкости аккумулятора.
аккумулятор необходимо утилизировать, передав его компаниям, специализирующимся на этом. Категорически запрещается просто выбрасывать аккумулятор. Дело в том, что более половины вышедшего из строя устройства повторно используется для производства новых аккумуляторов.
Безопасность
Основная проблема защиты литий-ионных аккумуляторов решена до сих пор. Специальная электронная защита в виде встроенного контроллера контролирует все процессы, происходящие при зарядке и разрядке (т.е.при использовании аккумулятора по назначению). Кроме того, постоянно совершенствуется материал для изготовления катода. Сейчас приоритетом является возможность сделать его термически стабильным.
Li-Ion также оснащен специальной защитой, которая реагирует на внутреннее короткое замыкание. Кроме того, некоторые типы батарей этого типа защищены от внешних коротких замыканий. Защита внутри устройства состоит из двух слоев разделителей. Один из слоев сделан из полипропилена, другой — из вещества, аналогичного этому материалу. В случае короткого замыкания второй из слоев просто плавится, что делает его водонепроницаемым. И рост дендритов лития, стремящихся к положительному электроду, прекращается.
Производители начали встраивать контроллеры заряда в корпус батареи, чтобы избежать возможности самовозгорания. Это устройство контролирует температуру внутри аккумуляторного отсека, глубину заряда, а также количество тока, потребляемого аккумулятором.
Несмотря на такого рода улучшения, до сих пор есть много сообщений о взрывах батарей. На телефонах такое бывает довольно часто. Эти случаи объясняются тем, что далеко не все производители литий-ионных аккумуляторов используют такие контроллеры. Отказ мотивирован улучшением емкости самого аккумулятора, а также удешевлением производства. Так что если через какое-то время после использования аккумулятор вздувается, это верный признак того, что производитель экономил на производстве.
Но даже такая опасная возможность, как пожар, которую можно исключить, делает литий-ионные батареи лучше своих предшественников во всех отношениях. Аккумуляторы этого типа служат намного дольше благодаря большой емкости, низкий уровень пассивной разрядки продлевает срок их службы. Кроме того, литий-ионные батареи не требуют дальнейшего обслуживания. А в случае выхода устройства из строя его дешевле заменить, чем отремонтировать.
Требования к режимам заряда/разряда
следует внимательно следить за уровнем разряда аккумулятора. Дело в том, что полная разрядка аккумулятора отрицательно сказывается на его работоспособности. Полная деактивация возможна и после глубокой разрядки.
Кроме того, на срок службы литий-ионных аккумуляторов напрямую влияет уровень разряда перед подзарядкой и перезарядка токами, превышающими рекомендованные производителем. Этот тип довольно чувствителен к напряжению зарядного устройства. Например, если вы используете вспомогательное устройство с напряжением на 3-4 процента выше рекомендуемого, аккумулятор будет терять емкость в два раза быстрее.
Зарядный ток напрямую зависит от разницы напряжений между аккумулятором и устройством. А также от сопротивления АКБ и прилагаемых проводов. При несложных расчетах получается, что при увеличении напряжения зарядного устройства на 4% ток заряда увеличится в 10 раз. Такой скачок негативно скажется на работоспособности аккумулятора. Это также увеличивает вероятность перегрева.
Как восстановить литий ионный акб
Даже длительный срок службы литий-ионного аккумулятора не предохраняет аккумулятор от разрядки. В этом случае есть проверенный способ сбросить литий-ионный аккумулятор, но он не будет работать долго.
Важно! Вздутая батарея не подлежит восстановлению. В этом случае его нужно только переработать.
необходимо нагрузить напряжением 5-12 В, а также резистором 330-1 кОм. Минус источника подключаем к АКБ, плюс подключаем аналогично только через резистор. Затем включите питание и в следующие 10-20 минут измерьте подъем индикаторов напряжения. Как только индикатор выдаст 3,31 В, смартфон покажет, что процесс зарядки начался. Повышение напряжения с последующим его понижением до рекомендуемых параметров поможет немного восстановить емкость литий-ионного аккумулятора.
Недостатки
Список недостатков литий-ионных аккумуляторов короче, но здесь есть несколько довольно важных моментов. Обратите внимание, что мы подробно проанализируем некоторые функции в следующем разделе, так как они очень важны.
- Дорого (по сравнению с другими батареями);
- При высоких температурах характеристики ухудшаются, при низких температурах емкость снижается, даже если диапазон все еще остается широким;
- Продолжительность зависит от времени использования;
- Опасность взрыва или пожара;
- Не самое большое количество циклов заряда-разряда;
- Механическое повреждение недопустимо;
- Они требуют строгого соблюдения правил ценообразования и других операционных требований.
Частые вопросы
В заключительной части мы разберем самые частые вопросы о литиевых батареях и дадим на них развернутые ответы.
Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?
В настоящее время нет. Можно сказать, что эта технология является вершиной развития химических аккумуляторов. Существуют теоретические (и практические) альтернативы, но они либо имеют слишком высокую цену, либо малый ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что до тех пор, пока не будет технологического прорыва, здоровой альтернативы не будет.
Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?
Да, это возможно и не требует каких-либо специальных знаний или большого опыта. Чаще всего замену производят в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние дороже, но характеристики лучше. Чаще всего переделывают отвертки и другие подобные электроинструменты, которые питаются от аккумулятора.
Как утилизировать?
Очень часто литиевые батареи просто выбрасывают, особенно если речь идет о очень маленьких, которые никто даже не думает отдавать на переработку. Кроме того, в России очень мало компаний, которые занимаются этим типом аккумуляторов. Конечно, выбрасывать их — нечестно, но, к сожалению, зачастую другого выхода нет.
Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?
Это не совсем правильный вопрос. Невозможно ответить, не указав важные характеристики. Где-то лучше будет один вид, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому никто не знает, какой из них лучше.
Из чего делают литий-ионный аккумулятор
В настоящих литий-ионных батареях графит и оксид лития покрыты слоем меди и алюминия. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас графит, а на тонком листе алюминия — оксид лития.
Минус аккума убран с медной фольги и больше всего с алюминиевой.
ну между ними еще и сепаратор пропитанный электролитом
Для уменьшения объема все эти три слоя сворачиваются».
цилиндрическая конструкция аккумулятора
таким образом образуя знакомую всем нам цилиндрическую литий-ионную батарею
Как осуществляется производство li-ion АКБ
Литий-ионные аккумуляторы производятся в несколько этапов:
- Электродное производство.
- Комбинация электродов в одной батарее.
- Установка платы защиты.
- Установка аккумулятора в корпус.
- Заливка электролитом.
- Протестируйте и перезагрузите.
На всех этапах производства необходимо соблюдать технологию и меры безопасности, которые в конечном итоге позволяют получить качественный продукт.
В качестве катода в литий-ионных аккумуляторах используется пленка с нанесенным на ее поверхность литийсодержащим веществом.
В зависимости от назначения батареи могут использоваться следующие соединения лития:
- LiCoO2;
- LiFePO4;
- LiNiO2;
- LiMn2O4.
При производстве цилиндрических генераторов типоразмеров АА и ААА основной электрод скручивают в рулон, который отделяется от анода сепаратором. При большой площади катода, пленка которого имеет минимальную толщину, можно добиться высокого энергопотребления изделия.
Как проверить работоспособность АКБ
Чтобы проверить работоспособность литий-ионного аккумулятора, его сначала необходимо полностью зарядить. Затем подключите его одним концом к тестеру, а другим — к нагрузочному резистору.
Тестер покажет емкость, ток и напряжение. Достаточно сравнить полученные показатели с основными параметрами аккумулятора. Большое отклонение в нижнюю сторону будет означать, что прибор постепенно выходит из строя.
Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе
Шагом в направлении внедрения литий-ионных аккумуляторов в бытовую электронику явилась разработка аккумуляторов, в которых отрицательный электрод был изготовлен из углеродного материала. Кристаллическая решетка углерода очень подходит в качестве матрицы для внедрения ионов лития. Для увеличения напряжения аккумулятора положительный электрод был изготовлен из оксида кобальта. Потенциал литого оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.
Большинство литий-ионных аккумуляторов имеют рабочее напряжение от 3 вольт. Во время разряда на отрицательном электроде литий деинтеркалируется от углерода и внедряется в оксид кобальта положительного электрода. В процессе зарядки все происходит в обратном порядке. Оказывается, металлического лития в системе нет, но его ионы работают, переходя от одного электрода к другому, создавая электрический ток.
Реакции на отрицательном электроде
Все существующие литий-ионные батареи на рынке имеют угольный отрицательный электрод. Сложный процесс внедрения лития в углерод во многом зависит от природы этого материала, а также от электролитического вещества. 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 отталкивают углеродные слои, проникая друг в друга. Получаются различные прослойки. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем углеродной матрицы изменяется незначительно. В дополнение к углеродистому материалу в отрицательном электроде могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также стараются использовать композиты с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т.д.
Реакции на положительном электроде
В первичных литиевых элементах (батареях) для изготовления положительного электрода часто используются различные материалы. Этого нельзя сделать с батареями, и выбор материала ограничен. Таким образом, положительный электрод литий-ионной батареи изготовлен из литий-никелевого или оксидного кобальта. Также можно использовать литий-марганцевые шпинели.
В настоящее время ведутся исследования материалов для катода, состоящих из смешанных фосфатов или оксидов. Как удалось продемонстрировать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Также разрабатываются методы нанесения оксидов на поверхность катода.
Реакции, которые происходят в литий-ионном аккумуляторе, когда он заряжен, можно описать следующими уравнениями:
положительный электрод
LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe—
отрицательный электрод
С + xLi + + xe— → CLix
В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.
На рисунке ниже схематично показаны процессы, происходящие в литий-ионном аккумуляторе во время зарядки и разрядки.
Реакции в литий-ионном аккумуляторе
Плюсы и минусы
Литий-ионный аккумулятор имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими аккумуляторами. К преимуществам относятся такие моменты, как:
- высокий уровень энергоемкости;
- эффект памяти настолько минимален, что практически отсутствует;
- продолжительность очень большая;
- о батарее дальше говорить не нужно;
- правильно выполняет свои функции в широком диапазоне температур;
- скорость саморазряда очень низкая.
Несмотря на все достоинства, у литий-ионных аккумуляторов есть свои недостатки, например:
- возможность самовозгорания и взрыва, вздутия и выхода из строя;
- мощность снижается при минусовых рабочих температурах;
- стоимость изделия значительно выше, чем у предыдущих аккумуляторов;
- для повышения безопасности использования устройства необходим контроллер заряда;
- не переносит глубоких выделений.
Кстати большинство минусов вырезано. Например, при желании можно найти аккумулятор с контроллером, который уже исключает возможность перегрева и самовозгорания. А при постоянной зарядке тоже исключен глубокий разряд. Кроме того, производители ежегодно выпускают более совершенные версии литий-ионных аккумуляторов. Дефекты постепенно устраняются и вскоре могут исчезнуть совсем, что сделает этот тип идеальным.
Маркировка
Все параметры литий-ионного аккумулятора можно узнать по маркировке на корпусе. Варианты маркировки могут различаться для каждого типа батареи. Единого стандарта маркировки до сих пор нет. Но достаточно в этом разобраться, зная типовые параметры и обозначения:
Буквы. Первая буква всегда — это я, так как она обозначает тип технологии, например, литий-ионный. Вторая буква обозначает состав, есть такие знаки, как M, F, C, N. Третья буква указывает на то, что аккумуляторная батарея, маркировка R.
Числа. Цифровая маркировка указывает размеры в миллиметрах. Итак, первые две цифры — это диаметр, следующие две — длина. Ноль в конце знака может указывать на цилиндрическую форму.
Для уточнения значений необходимо обратиться к документации на аккумулятор или производителя. У каждого из них могут быть разные знаки. Также нет стандарта для маркировки даты изготовления.
Применение литий ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы используются в большинстве мобильных устройств. Дело в том, что у них нет аналогов в тех случаях, когда необходимо выделить электричество практически в полном объеме. Они также необходимы для длительного использования, так как способны выдерживать большое количество циклов разряд-заряд без снижения своей емкости.
Преимуществом литий-ионных аккумуляторов является их небольшой вес, так как нет необходимости использовать свинцово-кислотные сети. Благодаря отличным характеристикам устройства используются в различных формах.
Как стартерные батареи
Литиевые батареи дешевеют с каждым годом. Это связано с новыми разработками, снижающими производственные затраты. Но на данный момент литий-ионные автомобильные аккумуляторы достаточно дороги и купить их может далеко не каждый автовладелец. Также не рекомендуется использовать этот тип аккумуляторов в северных регионах, так как при низких температурах мощность падает и использовать их будет нецелесообразно.
Как тяговое устройство
Этот тип довольно устойчив к сильным разрядам, хотя делать это не рекомендуется. Их ставят на моторные лодки. Если мотор не слишком мощный, батареи обычно хватает на 5-6 часов непрерывной работы. Кроме того, на зарядном оборудовании, работающем в помещении, устанавливается литий-ионный аккумулятор.
Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей
Литий-ионные аккумуляторы уже превратились в полноценное семейство аккумуляторов, например щелочные или автомобильные. Они выделяются среди остальных аккумуляторных блоков высоким энергопотреблением, режимами заряда-разряда и рядом других особенностей. Их работа требует использования электронных схем управления зарядом-разрядом и других средств защиты.
В случае литиевых батарей задача их безопасного использования осложняется требованиями к размерам. Они должны быть максимально компактными, поскольку используются в портативной электронике. Из-за близости электродов и стремления достичь максимальной удельной емкости литий-ионные аккумуляторы долгое время не могли выпускаться на рынок для коммерческого использования.
Новые электродные материалы находятся в стадии активной разработки. Кроме того, при использовании нового материала проходит много времени, прежде чем его можно будет внедрить в массовое производство.
Литиевые батареи на рынке представлены довольно широко по электрическим характеристикам, габаритам и т.д. Отчасти это связано с тем, что в этом направлении нет единых стандартов. Кроме того, рынок наводнили товары из Китая и других стран азиатского региона. Эти производители часто не придерживаются каких-либо стандартов, стараясь выпустить максимум из имеющихся аккумуляторов.
Куда пойдет развитие литий-ионных аккумуляторов? Специалисты в этой области считают, что основным направлением их развития являются «умные батареи». Эта тенденция сейчас четко прослеживается в различных электронных устройствах. То есть идентификация аккумулятора, состояние заряда, допустимое напряжение, температура — все эти аккумуляторы необходимо заменить мобильным устройством.
Кроме того, усовершенствование литий-ионных аккумуляторов будет осуществляться в направлении уменьшения габаритов, увеличения энергопотребления, более гибких решений с точки зрения формы и т.д. Кроме того, ведутся работы в направлении разработки катодных материалов на основе соединений лития. Их цель — создать модели литиевых батарей, которые могут заменить никель-кадмиевые батареи в устройствах, потребляющих большой ток (портативные электроинструменты).