Как устроен аккумулятор на основе лития?
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 29.03.2016 22:48
- Автор: Abramova Olesya
Пионером разработки литий-содержащих батарей считается Г. Н. Льюис, сделавший первые исследования в этой сфере в далеком 1912 году. Но только в 1970-х технологии продвинулись настолько, что позволили создать первую коммерчески оправданную неперезаряжаемую литиевую батарею. Попытки разработать перезаряжаемую версию предпринимались в 1980-х, но из-за нестабильности металлического лития претерпели неудачу. (Металл-литиевая батарея использует литий в качестве анода, а литий-ионная - графит, активный же материал находится в ней на катоде).
Литий является самым легким из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую удельную энергоемкость на единицу веса. Аккумуляторные батареи с литиевым анодом могут обеспечивать чрезвычайно высокую плотность энергии, но в середине 1980-х было обнаружено, что циклический режим работы приводит к образованию дендритов на аноде. Эти нежелательные образования могут проникать в сепаратор и приводить к короткому замыканию. При этом будет быстро расти температура ячейки и литий расплавится, что приведет к возгоранию или даже взрыву. Большинство батарей с металлическим литием были отозваны после случаев нанесения ожогов людям.
| AGM Deep Cycle |
GEL Deep Cycle | Литиевые (LiFePO4) |
 |
 |
 |
| 10 лет / 400 циклов | 10 лет / 500 циклов | 20 лет / 2200 циклов |
| универсальное применение | для циклических разрядов | для частых глубоких разрядов |
Присущая металлическому литию неустойчивость, особенно во время зарядки, привела к поиску неметаллических решений с использованием ионов лития. Уже в 1991 году корпорация Sony выпустила первую коммерческую версию литий-ионного аккумулятора, и сейчас эта электрохимическая система является наиболее перспективной и быстрорастущей на рынке. Хотя, в сравнении с литий-металлической батареей, литий-ионная имеет более низкую удельную энергоемкость, она безопаснее (при условии соблюдения значений напряжения и предельного тока). (Смотрите: Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов).
Заслуга изобретения литий-кобальт-оксидной батареи, прообраза современной литий-ионной, должна принадлежать Джону Б. Гудэнафу (родился в 1922 году). Говорят, что во время своих исследований, он бы нанят кампанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT), работая на нее в США и Японии. Когда в 1991 году корпорация Sony запатентовала литий-кобальт-оксидную батарею, обнаружилось, что в ней использовались наработки Гудинэфа, но ему не удалось в судебном порядке доказать свою причастность к этому изобретению. В 2014 году, в честь признания заслуг в разработке литий-ионных батарей, он был награжден премией Национальной Инженерной Академии США. В 2015 году Израиль наградил Гудэнафа грантом в 1 миллион долларов США, которые тот пожертвовал Техасскому Университету на научные изыскания.
Ключевой момент прекрасного показателя удельной энергоемкости кроется в высоком напряжении ячейки аккумулятора — 3,60 В. Развитие и улучшение активных веществ и электролита открывают потенциал для дальнейшего увеличения плотности энергии. Нагрузочные характеристики крайне хороши, кривая разряда батареи указывает на эффективное использование накопленной энергии в широком диапазоне напряжений - от 3,70 до 2,80 В на ячейку.
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 750 циклов |
| универсальная серия AGM | для глубоких разрядов AGM | универсальная серия GEL |
В 1994 году себестоимость литий-ионной ячейки типоразмера 18650 (цилиндр 65 мм длиной и 18 мм в диаметре) была $10, а емкость составляла 1100 мАч. В 2001 году цена опустилась до $3, а емкость возросла до 1900 мАч. Сегодня же емкость высокоэнергетичных моделей типоразмера 18650 доходит до 3000 мАч, а затраты на производство снизились еще более. Снижение затрат, повышение удельной энергоемкости и отсутствие в составе токсичных материалов открыли путь литий-ионной электрохимической системе для становления в общепринятый формат аккумуляторов, используемых в портативных устройствах, тяжелой промышленности, электротранспорте и спутниках. (Смотрите: История форматов и типоразмеров электрических батарей).
Литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в обслуживании, и это дает им преимущество, которым большинство других электрохимических систем не может похвалиться. Им не присущ эффект “памяти”, соответственно, отпадает необходимость в периодическом полном разряде для поддержания максимальной емкости. Саморазряд в разы меньше показателей батарей на основе никеля, что облегчает работу систем индикации уровня заряда. Номинальное напряжении ячейки в 3,6 В позволяет непосредственно питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, позволяя сократить расходы на конструкции. Недостатком является необходимость встраивания системы защиты, что влияет на конечную цену аккумулятора.
Типы литий-ионных аккумуляторов
Как и все электрические батареи, литий-ионная состоит из катода (положительный электрод), анода (отрицательный электрод) и электролита в качестве проводника. Катод представляет собой оксид металла, а анод состоит из пористого углерода. Во время разряда ионы движутся от анода к катоду через электролит и сепаратор, при заряде же процесс меняет направление на противоположное - ионы теперь текут от катода к аноду. На рисунке 1 показан этот процесс.
Рисунок 1: Ионный поток литий-ионного аккумулятора. При заряде и разряде ячеек ионы курсируют между катодом (положительный электрод) и анодом (отрицательный электрод). При разряде на аноде происходит окислительный процесс, или потеря электронов; на катоде в то же время происходит восстановительный процесс, или присоединение электронов. При зарядке процессы меняются местами.
| Marin GEL Range | Deep Cycle GEL Range | Solar GEL Range |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для электромоторов лодок и катеров | для глубоких циклических разрядов | для солнечных электростанций |
Существует много видов литий-ионных батарей, но все они имеют общую черту - модный термин “литий-ионный” в названии. Несмотря на то, что они поразительно похожи на первый взгляд, эти батареи различаются по производительности и выбору активного вещества, которое и определяет их уникальные особенности. (Смотрите: Виды литий-ионных аккумуляторов).
Оригинальный литий-ионный аккумулятор Sony использовал кокс (материал на основе углерода) в качестве анода. Начиная с 1997 года большинство производителей, в том числе и Sony, перешли на графит для достижения пологой кривой разряда. Графит является формой углерода, которая имеет долговременный цикл стабильности и используется, например, как грифель в карандашах. Это наиболее распространенный углеродный материал после жестких и мягких углеродов. Нанотрубки на основе углерода до сих пор не нашли своего применения в коммерческих моделях литий-ионных аккумуляторов, поскольку они, как правило, имеют сложную структуру и влияют на производительность. Материал, на который возлагаются большие надежды и благодаря которому надеются повысить производительность, - графен.
На рисунке 2 показаны кривые напряжения при разряде современного литий-ионного аккумулятора и его ранней версии с анодом из кокса.
Для повышения производительности графитового анода, в его состав могут быть добавлены различные примеси, в том числе и на основе кремниевых сплавов. Молекулярная структура графита такова, что с одним ионом лития взаимодействуют шесть атомов углерода, один же атом кремния взаимодействует с четырьмя ионами лития. Это означает, что кремниевый анод теоретически может хранить в десять раз больше энергии в сравнении с графитовым, но у него есть недостаток - расширение во время заряда. Поэтому из соображений стабильности в состав анода добавляется только определенное количество кремния.
Использование наноструктурированного литий-титаната в качестве анодной примеси показывает многообещающие показатели количества жизненных циклов, хорошие нагрузочные возможности, отличную производительность при низких температурах и высокую безопасность, но имеются и недостатки - низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость.
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Trojan Marine RV | AGM Deep Cycle | Trojan GEL Deep Cycle |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для речного и морского траспорта | для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок | |
Эксперименты с материалами для анода и катода позволяют производителям усиливать определенные характеристики батареи, но повышение одних параметров приводит к ослаблению других. Существуют разные модели аккумуляторов, оптимизированные под определенную специфику работы. Например, есть специальные литий-ионные аккумуляторы с большой емкостью для увеличения времени автономной работы, а есть и с повышенным значением удельной мощности, где емкость не играет первоочередную роль. Существуют и гибридные модели, где соблюден баланс между характеристиками. (Смотрите: Базовые знания о разряде электрохимического источника тока).
Для достижения высокой удельной энергоемкости и уменьшения себестоимости можно заменить кобальт более дешевым никелем, но это скажется на стабильности батареи. И если для новых компаний, которые только выходят на рынок литий-ионных аккумуляторных батарей, включение в состав никеля выглядит допустимым, то солидные производители делают упор на безопасность и долговечность батареи. В таблице 3 приведены преимущества и недостатки литий-ионной электрохимической системы.
| Преимущества | Высокая удельная энергоемкость и высокие нагрузочные характеристики Долгий срок службы; необслуживаемые Высокая производительность, низкое внутреннее сопротивление, хорошая кулоновская эффективность Простой алгоритм и достаточно короткое время зарядки Низкий саморазряд (более чем в два раза меньше показателя NiCd и NiMH) |
| Недостатки | Необходимость во встроенной системе защиты Деградационные процессы при высоких значениях температуры и напряжения Необходимость в дополнительном обогреве при низких температурах зарядки Специальные регламентирующие правила при транспортировке в больших количествах |
Таблица 3: Преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов.
Последнее обновление 2016-02-16
Контроль и защита аккумуляторов
| Батарейный монитор | Защита от глубокого разряда | Батарейный балансир |
 |
 |
 |
| контроль более 25 параметров, история и синхронизация | защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки | для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения |
