Литий-ионный аккумулятор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Литий-ионный аккумулятор, цилиндрический, размера 18650.
Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический[1]

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике 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. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году.

Характеристики[править | править вики-текст]

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

  • напряжение единичного элемента:
    • номинальное: 3,7 В (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 В номинальное напряжение равно 3,8 В) (при разряде до середины ёмкости током, по величине равной пятой части ёмкости аккумулятора);
    • максимальное: 4,23 В или 4,4 В (у аккумуляторов на 4,35 В);
    • минимальное: 2,5-2,75-3,0 В (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
  • удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
  • внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
  • число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости: 600;
  • время быстрого заряда: 15 мин … 1 час;
  • саморазряд при комнатной температуре: 3% в месяц;
  • ток нагрузки относительно ёмкости С представленной в Ач:
    • постоянный: до 65С;
    • импульсный: до 500С;
    • оптимальный: до 1С;
  • диапазон рабочих температур: от -20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

Из-за превышения напряжения при заряжании аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения себестоимости или увеличения ёмкости производители могут не устанавливать её.

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства банок могут немного отличаться, и какая-то банка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Он шунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,05—4,2 В для детектирования наличия аккумулятора.

Устройство[править | править вики-текст]

Литий-ионный аккумулятор. Схема работы.

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении 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, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) 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 разряжания/заряжания 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 заряжания/разряжания.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
  • литий-феррофосфат LiFePO4.

Электро-химические схемы литий-ионных аккумуляторов:

  • литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6
  • литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряжания/разряжания, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

Преимущества[править | править вики-текст]

  • Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
  • Низкий саморазряд.
  • Не требуют обслуживания.

Недостатки[править | править вики-текст]

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. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

Потеря ёмкости при хранении[2]:

Температура, ⁰C С 40 % зарядом, % за год Со 100 % зарядом, % за год
0 2 6
25 4 20
40 15 35
60 25 40 % за три месяца

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 и может приводить с преждевременному исчерпанию ресурса. Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам заряжания, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.[3]

Эффект памяти[править | править вики-текст]

По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) было обнаружено, что литий-ионные аккумуляторы имеют эффект памяти[4]. Как отмечают авторы исследования, для Li-Ion аккумуляторов:

…фактически эффект крохотный: относительное отклонение в напряжении составляет всего несколько единиц на тысячу.

Речь идёт исключительно о принципиальном наличии эффекта, а не о его сколько-нибудь существенном влиянии на работу аккумулятора.

Ключевой идеей исследования был поиск эффекта как такового.

Как показало исследование, частые циклы неполной зарядки и последующей разрядки приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки[5].

Во время заряжания ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание 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 суммарное напряжение 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.

Большую роль в долговечности и исправной работе аккумулятора играет его эксплуатация. Многие специалисты выделяют два простых правила, которые помогут продлить срок службы батареи:

  • Нельзя допускать полного разряда батареи.
  • Нельзя заряжать батарею возле работающих радиаторов отопления, нагретых предметов и в других горячих местах[6].

Старение[править | править вики-текст]

Температурный режим заряда литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторов влияет на их ёмкость: ёмкость снижается при зарядке на холоде или в жару. 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. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4% может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать. Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C. Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20 % ёмкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке стоит посмотреть на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.

Снижение ёмкости при низких температурах[править | править вики-текст]

При снижении температуры окружающего воздуха ниже 0 °C происходит снижение мощности литий-ионного аккумулятора до 40-50 %[7]. Владельцы носимой электроники менее всего подвержены отрицательным последствиям использования техники в условиях низких температур, а сегменты промышленности, задействованные в производстве беспилотных летательных аппаратов, роботизированных систем и космической техники, крайне нуждаются в новых подогреваемых аккумуляторах. Для решения этой проблемы созданы конструкции аккумуляторов с внутренним подогревом.

Взрывоопасность[править | править вики-текст]

Silk-film.png Внешние видеофайлы
Silk-film.png Взрыв мощного литиевого аккумулятора
Silk-film.png Взрыв электронной сигареты

Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию.[8][9][10] Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова что может приводить к тяжким последствиям.[11] Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.[12][13]

Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих энергию для саморазогрева, кислород и горючие газы. 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. Цель тушения снизить температуру аккумулятора и предотвратить распространение пламени.[14][15][16]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. А.М. Скундин, О.А. Брылев. Наноматериалы в современных химических источниках тока. МГУ (2011г).
  2. 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов  (рус.)
  3. Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторов  (рус.)
  4. Paul Scherrer Institut (PSI) :: Memory effect now also found in lithium-ion batteries. Проверено 2 мая 2013. Архивировано из первоисточника 11 мая 2013.
  5. Экономия батареи на Андроид: советы и мифы | AndroidLime. androidlime.ru. Проверено 29 февраля 2016.
  6. Как правильно заряжать аккумулятор смартфона? | AndroidLime. androidlime.ru. Проверено 29 февраля 2016.
  7. Независимая интернет-газета "Новый взгляд". 22.01.2016.Созданы литий-ионные аккумуляторы с подогревом
  8. Возгорания на Dreamliner связаны с аккумуляторами
  9. Samsung отзывает Galaxy Note 7 из-за возможности возгорания
  10. Находившийся за рулем Tesla бывший агент ФБР погиб в ДТП
  11. Should You Be Worried About Your E-Cigarette Exploding?
  12. Лайнер экстренно сел из-за загоревшегося планшета Samsung
  13. Lithium Batteries as Cargo in 2016 Update III
  14. Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы
  15. Гореть, а не тлеть! Что на самом деле случилось с электроседаном Tesla Motors?
  16. Аспекты безопасности литий-ионных аккумуляторов

Литература[править | править вики-текст]

  • Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
  • Юрий Филипповский. Мобильное питание. Часть 2. (RU). КомпьютерраLab (26 мая 2009). — Подробная статья о Li-ion аккумуляторах.. Проверено 26 мая 2009.

Для дополнительного чтения[править | править вики-текст]

  • Scrosati Bruno, Garche Jürgen Lithium batteries: Status, prospects and future // Journal of Power Sources. — 2010. — Vol. 195. — P. 2419-2430. — ISSN 03787753. — DOI:10.1016/j.jpowsour.2009.11.048.  (англ.)

Ссылки[править | править вики-текст]

  1. ГОСТ 15596-82 «Источники тока химические. Термины и определения»
  2. ГОСТ Р МЭК 61960-2007 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения»
  3. Внутренности Li-Pol на примере Palm m505, ru
  4. Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. iXBT (2001 г.)
  5. Эффект памяти в литиевых аккумуляторах.