Как устроен аккумулятор на основе лития?

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.


Аккумуляторы Victron Energy

 

AGM Deep Cycle
GEL Deep Cycle Литиевые (LiFePO4)
аккумуляторы AGM аккумуляторы GEL аккумуляторы литий-железо-фосфатные
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.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
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.

Ионный поток литий-ионного аккумулятора

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.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
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.

кривые напряжения при разряде современного литий-ионного аккумулятора

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
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
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
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
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


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 3/5 на основе 3 голосов