Interested Article - Литий-ионный аккумулятор
![](/images/006/786/6786019/1.jpg?rand=376338)
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/2d7a27c79ae7a4c4d60d04e6ddc8537d.gif)
- 2020-04-12
- 1
![](/images/006/786/6786019/1.jpg?rand=941019)
![](/images/006/786/6786019/2.jpg?rand=583865)
Литий -ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора , который широко распространён в современной и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны , ноутбуки , цифровые фотоаппараты , видеокамеры и электромобили . В 2019 году Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За развитие литий-ионных аккумуляторов».
История
Впервые принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов на основе способности дисульфида титана или дисульфида молибдена включать в себя ионы лития при разряде аккумулятора и экстрагировать их при зарядке была показана в 1970 году Майклом Стэнли Уиттингемом . Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение — 2,3 В и высокая пожароопасность вследствие образования дендритов металлического лития, замыкающих электроды.
Позднее Дж. Гуденафом были синтезированы другие материалы для катода литиевого аккумулятора — Li x CoO 2 (1980 год), феррофосфат лития LiFePO 4 (1996 год). Преимуществом таких аккумуляторов является более высокое напряжение — около 4 В.
Современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития изобрёл в 1991 году Акира Ёсино . Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году .
В настоящее время ведутся исследования по поиску материалов на основе кремния и фосфора, обеспечивающих повышенную ёмкость интеркалирования ионов лития и по замене ионов лития на ионы натрия .
Другие исследования уменьшают эффект старения и повышают срок эксплуатации. Например, использование бис-имино-аценафтехинон-парафенилена (Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene, BP) позволит сохранить 95 процентов ёмкости аккумулятора даже после 1700 циклов зарядки.
Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году с формулировкой «За создание литий-ионных батарей».
В 1991 суммарная емкость литий-ионных аккумуляторов составляла 130 КВт·ч, а в 2021 году – 500 ГВт·ч
Типы литий-ионных аккумуляторов
В зависимости от химического состава и устройства (LMO, LCO, NCA, NMC, LFP , LTO,…), литий-ионные разделяются на типы, сильно различающиеся потребительскими качествами.
Литий-кобальтовые (ICR)
Эта разновидность имеет самую высокую ёмкость, но требовательны к условиям работы, имеют весьма ограниченный ресурс. Рабочий диапазон напряжений — от 3 до 4,2 В. Самая высокая удельная энергоемкость — до 250 Втч/кг, пиковый ток разряда — не более двух ёмкостей (то есть аккумулятор 2 Ач имеет разрешённый ток 4 А), длительный ток разряда — не более одной ёмкости.
Температура длительного хранения аккумуляторов — −5 °C при 40-50 % заряда [ источник? ] . Литий-кобальтовые аккумуляторы взрывоопасны и могут воспламеняться при перегреве или вследствие глубокого разряда. По этим причинам они обычно снабжаются защитной платой и имеют маркировку Protected. Напряжение разряда — не ниже 3 В. Взрывоопасны при повреждении корпуса, быстро стареют (средний срок жизни — 3-5 лет, в циклах «заряд-разряд» — не более 500). Нежелательна зарядка большим током. Крайне токсичны при воспламенении.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный (NMC)
Аккумуляторы номинальным напряжением 3,7 вольта, диапазон от 2,6 до 4,3 вольта, плотность энергии до 200 Втч/кг, токоотдача до двух ёмкостей, ресурс при разряде до минимума более 1000 циклов, при частичном 5000 циклов и более. Взрывопожаробезопасность высокая, высокая теплостойкость .
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (NCA)
Литий-марганцевые (IMR или INR)
Более долговечны и безопасны, чем кобальтовые, допустима зарядка большим током. Рабочий диапазон напряжений — от 2,5 до 4,2 В. Удельная энергоемкость — 140—150 Втч/кг. Ресурс — порядка 5-6 лет — до 1000 циклов «заряд-разряд». Высокий ток под нагрузкой — до 5 ёмкостей. Предельная граница разряда — 2,5 В, однако возможно снижение ресурса. INR-аккумуляторы редко снабжают защитной платой, но зарядная цепь всегда имеет ограничение по напряжению. Неработоспособны ниже −10 °C. Достаточно безопасны в использовании, не взрываются и не воспламеняются. Имеют низкий саморазряд.
Литий железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR)
Рабочий диапазон напряжений — от 2 до 3,65 В, номинальное напряжение — 3,2 В. Удельная энергоемкость — примерно 150 Втч/кг. Ресурс — 10-20 лет, примерно 1500-3000 циклов «заряд-разряд» (до 8000 в мягких условиях). Высокий ток под нагрузкой (до 10 ёмкостей) и стабильное напряжение разряда идеальны для электромобилей, велосипедов, и подобных применений. Разряд вблизи нижней границы напряжения (2 В) может снижать ресурс. Допустима зарядка большим током с сохранением безопасности. При самых тяжёлых условиях эксплуатации не выделяют газа, не взрываются и не возгораются.
Литий-титанатные аккумуляторы (LTO)
Наивысшая долговечность и широкий температурный интервал работы. Рабочий диапазон напряжений и от 1,6 до 2,7 В, номинальное напряжение — 2,3 В. Удельная энергоёмкость — примерно 100 Втч/кг. Ресурс — более 15 000 циклов «заряд-разряд». Температурный диапазон и от −60 °C до +60 °C. Имеет очень низкое сопротивление, позволяющее использовать сверхбыстрый заряд, и низкий саморазряд, примерно 0,02 % в сутки.
Технические показатели
![](/images/006/786/6786019/3.jpg?rand=311467)
Основные показатели элементов, зависящие от химсостава, находятся в следующих пределах:
-
напряжение
единичного элемента:
- максимальное: 4,2 В (или 4,35/4,40 В для высоковольтных);
- минимальное: 2,5 В (или 2,8/3,0 В для высоковольтных);
- удельная энергоёмкость : 110…270 Вт·ч / кг ;
- внутреннее сопротивление : 4…15 м Ом ;
- число циклов заряд-разряд до снижения ёмкости до 80 %: 600;
- время быстрого заряда: 1 час ;
- саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100 % ≈1,6 % в месяц ;
-
ток
нагрузки
относительно ёмкости
С,
представленной в
А·ч
:
- постоянный: до 5 С ;
- импульсный: до 50 С ;
- оптимальный: до 1 С ;
- диапазон рабочих температур : от −20 °C до +60 °C (оптимальная +23 °C);
Защитные устройства аккумулятора
![](/images/006/786/6786019/4.jpg?rand=22682)
Почти всегда в корпус аккумулятора встроен контроллер (или PCM-плата ( англ. Protection Circuit Module )), который управляет зарядкой и защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда, чрезмерного разряда и превышения температуры, приводящих к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может ограничивать ток потребления, защищать от короткого замыкания . Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. Производители могут не устанавливать её в целях снижения стоимости, веса, а также в устройствах, в которых встроен контроллер защиты, в аккумуляторных батареях (например, ноутбуков) используются аккумуляторы без встроенной платы защиты .
Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно . Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного различаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда/разряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные, так как переразряд или перезаряд литий-ионных аккумуляторов выводит их из строя. Эту функцию выполняет специальный узел — (или BMS-плата ( англ. Battery Management System ) ). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё. Балансиры одновременно выполняют как функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом .
Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25 В .
Существуют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы типоразмеров АА и ААА с напряжением 1,5 В. Они имеют не только схему защиты, но также встроенный электронный преобразователь напряжения ( англ. DC-DC converter ). Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на контактах в 1,5 В вне зависимости от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда литиевая ячейка разряжается до нижнего допустимого предела и срабатывает защита от чрезмерного разряда. Такие аккумуляторы можно спутать с похожими по размерам аккумуляторами 14500 и 10440 напряжением 3,7 В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания . Все они различаются маркировкой.
Из-за высокой пожароопасности литиевах батарей предпринимаются попытки перехода на БМС с полностью открытым исходным кодом, например, проект «foxBMS».
Устройство
![](/images/006/786/6786019/9.jpg?rand=20059)
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC 6 , оксиды (LiMnO 2 ) и соли (LiMn R O N ) металлов.
Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий , затем — каменноугольный кокс . В дальнейшем стал применяться графит . Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.
В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:
- LiCoO 2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
- литий-марганцевая шпинель LiMn 2 O 4
- литий-феррофосфат LiFePO 4 .
Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:
- литий-кобальтовые LiCoO 2 + 6C → Li 1-x CoO 2 + LiC 6
- литий-ферро-фосфатные LiFePO 4 + 6C → Li 1-x FePO 4 + LiC 6
Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).
Преимущества
- Низкий саморазряд.
- Высокая токоотдача.
- Большое число циклов заряд-разряд.
- Не требуют обслуживания.
Недостатки
Широко применяемые литий-ионные аккумуляторы при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными.
- Огнеопасны
- Теряют работоспособность при переразряде
- Теряют ёмкость на холоде
Экология
- Для производства литий-ионных аккумуляторов требуется литий высокой степени чистоты, для получения одной тонны лития требуется переработка 100 тонн руды.
- является токсичным отходом.
Взрывоопасность
![](/images/006/786/6786019/11.jpg?rand=909233)
![](/images/006/786/6786019/12.jpg?rand=322117)
Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования ( дендриты ), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков.
Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию. Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова, что может приводить к тяжким последствиям. Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.
Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддаётся тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или повреждённого аккумулятора происходит не только выделение запасённой электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих вещества для поддержания горения, горючие газы от электролита , а также, в случае не LiFePO4-электродов , выделяется кислород. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Целью тушения может быть лишь снижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения пламени .
Эффект памяти
Традиционно считалось, что, в отличие от Ni-Cd - и Ni-MH -аккумуляторов, Li-Ion-аккумуляторы полностью избавлены от эффекта памяти . По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) в 2013 году этот эффект всё-таки был обнаружен, но оказался ничтожен.
Причиной его является то, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки. Во время зарядки ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Зарядка батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарного напряжения батареи. Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.
В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.
Требования к режимам заряда/разряда
Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Из-за низкого внутреннего сопротивления аккумулятора зарядный ток сильно зависит от напряжения на его клеммах во время зарядки. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз, что отрицательно сказывается на аккумуляторе, при недостаточном отводе тепла он перегревается и деградирует. В результате, если напряжение на аккумуляторе превысить всего на 4 %, он будет вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу .
Старение
Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.
Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C .
Температура, ⁰C | С 40%-м зарядом, % за год | Со 100%-м зарядом, % за год |
---|---|---|
0 | 2 | 6 |
25 | 4 | 20 |
40 | 15 | 35 |
60 | 25 | 60 (40 % за три месяца ) |
Снижение ёмкости при низких температурах
Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов. Разряд аккумулятора при температуре, не ниже указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса). Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом .
См. также
- Типоразмеры цилиндрических литий-ионных аккумуляторов
- Литий-полимерный аккумулятор
- Литий-железо-фосфатный аккумулятор
- Литий-титанатный аккумулятор
- Нанопроводниковый аккумулятор
- Зарядное устройство
- Никель-металл-гидридный аккумулятор (NiMH)
- Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)
- Батарея
- Элемент AA
- Элемент AAA
- Эффект памяти аккумулятора
Примечания
- Gupta, Agman (англ.) . ACS Applied Energy Materials 2231–2240. pubs.acs.org (22 марта 2021). doi : . Дата обращения: 5 мая 2021. 8 апреля 2021 года.
- . 3dnews.ru . 3dnews.ru (5 мая 2021). Дата обращения: 5 мая 2021. 5 мая 2021 года.
- от 16 июня 2023 на Wayback Machine . Квант 2023 г , 4 Номер
- Эксперт, Акум (рус.) . Акумы.ру (27 сентября 2022). Дата обращения: 15 января 2024.
- . iXBT Live (26 августа 2018). Дата обращения: 18 октября 2019. 18 октября 2019 года.
- . iXBT Live (30 июня 2018). Дата обращения: 18 октября 2019. 18 октября 2019 года.
- . ecigtalk.ru. Дата обращения: 18 октября 2019. 18 октября 2019 года.
- . Дата обращения: 1 апреля 2020. 30 октября 2020 года.
- Н. Бровка, О. Янченков от 28 августа 2019 на Wayback Machine // Журнал «Компоненты и Технологии». — № 3, 2007 г. С. 132—135. ISSN 2079-6811.
- от 16 сентября 2019 на Wayback Machine на YouTube
- Сердечный Д. В., Томашевский Ю. Б. от 28 августа 2019 на Wayback Machine / Научная статья // Журнал «Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль». — № 3 (21), 2017 г. С. 115—123. УДК 621.314. DOI 10.21685/2307-5538-2017-3-16. ISSN 1999-5458.
- Сазонов И. Е., Лукьяненко М. В. от 28 августа 2019 на Wayback Machine / Научная статья // Сборник материалов IX Междунарародной научно-практической конференции, посвящённой Дню космонавтики . «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» [Электронныйресурс]. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева — № 9, т. 1, 2013 г. С. 204. УДК 537.22. ISSN 1999-5458.
- от 16 сентября 2019 на Wayback Machine .
- от 16 сентября 2019 на Wayback Machine .
- от 16 сентября 2019 на Wayback Machine .
- . Дата обращения: 29 августа 2019. 16 сентября 2019 года.
- . Дата обращения: 29 августа 2019. 29 августа 2019 года.
- от 16 сентября 2019 на Wayback Machine .
- от 16 сентября 2019 на Wayback Machine .
- . Дата обращения: 26 июля 2023. 26 июля 2023 года.
- . Дата обращения: 3 ноября 2016. 4 ноября 2016 года.
- . Дата обращения: 3 ноября 2016. 4 ноября 2016 года.
- . Дата обращения: 4 ноября 2016. 5 ноября 2016 года.
- Дата обращения: 3 ноября 2016. 15 ноября 2016 года.
- . Дата обращения: 3 ноября 2016. 4 ноября 2016 года.
- . Дата обращения: 3 июля 2016. 10 сентября 2016 года.
- Bandhauer Todd M. , Garimella Srinivas , Fuller Thomas F. (англ.) // Journal of The Electrochemical Society. — 2011. — Vol. 158 , no. 3 . — P. R1 . — ISSN . — doi : .
- Zaghib K. , Dubé J. , Dallaire A. , Galoustov K. , Guerfi A. , Ramanathan M. , Benmayza A. , Prakash J. , Mauger A. , Julien C.M. (англ.) // Journal of Power Sources. — 2012. — December ( vol. 219 ). — P. 36—44 . — ISSN . — doi : .
- . Дата обращения: 31 октября 2016. 1 ноября 2016 года.
- Дата обращения: 4 ноября 2016. 3 ноября 2016 года.
- . Дата обращения: 4 ноября 2016. 5 ноября 2016 года.
- . Дата обращения: 2 мая 2013. 11 мая 2013 года.
- . androidlime.ru. Дата обращения: 29 февраля 2016. 6 марта 2016 года.
- Мельничук, О. В. : [ 28 августа 2019 ] / О. В. Мельничук, В. С. Фетисов // Электротехнические и информационные комплексы и системы : журн. — 2016. — Т. 12, № 2. — С. 41–48. — УДК . — ISSN .
- Дмитрий. : [ 22 декабря 2016 ] // Блог компании Mugen Power Batteries. — 2013. — 6 февраля.
- Комов С. : [ 17 февраля 2016 ] / Сергей Комов // Новый взгляд. — 2016. — 22 января.
Литература
- «Источники тока химические. Термины и определения»
- «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения»
- Хрусталёв, Д. А. Аккумуляторы. — М. : Изумруд, 2003.
- Филипповский Ю. : Ч. 2 : [ 29 мая 2009 ] / Юрий Филипповский // Компьютерра-онлайн. — 2009. — 26 мая.
- Скундин, А. М. : методическая разработка к программам повышения квалификации / А. М. Скундин, О. А. Брылев. — М. : МГУ , 2011. — 56 с.
- Lithium batteries : Status, prospects and future : [ англ. ] / // Journal of Power Sources. — 2010. — Vol. 195, no. 9 (May). — P. 2419—2430. — ISSN . — doi : .
- Sasaki, Tsuyoshi. : [ англ. ] / Tsuyoshi Sasaki, Yoshio Ukyo, Petr Novák // Nature Materials : журн. — 2013. — Vol. 12. — P. 569–575. — doi : .
Ссылки
- Васильев В. / Владимир Васильев // iXBT. — 2001. — 26 ноября.
- // Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания.
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/2d7a27c79ae7a4c4d60d04e6ddc8537d.gif)
- 2020-04-12
- 1