Меню

Структура литий ионный аккумуляторов

Литий-ионная аккумуляторная батарея: особенности химической архитектуры

Литий характеризуется лёгким веществом относительно других металлов. Этот химический элемент обладает выраженным электрохимическим потенциалом, способен генерировать максимум удельной энергии по отношению к весовым параметрам. Аккумуляторные батареи, оснащённые электродами на основе металлического лития, демонстрируют высокий уровень плотности энергии. Какой реально видится специалистами литий-ионная аккумуляторная батарея в идеальном исполнении? Рассмотрим тему.

Литий-ионная аккумуляторная батарея

Впервые литий-ионная батарея была изготовлена компанией «Sony» в 1991 году. На современном этапе этот вариант химии остаётся многообещающим, быстро набирающим рост на коммерческом рынке.

Тем не менее, исследования по разработке безопасных металлических литиевых батарей продолжаются. Учёные надеются создать эффективный продукт во всех отношениях.

Согласно отчётам 1994 года, производство литий-ионных батарей ёмкостью 1000 мА/ч оценивалось в размере $10. На момент 2001 года стоимость снизилась до $2, вместе с тем ёмкость изделий выросла до 1900 мА/ч.

Теперь выпускаемые литий-ионные АКБ обеспечивают уже не менее 3000 мА/ч ёмкости, при ещё большем снижении затрат. Очевидный момент:

  • снижение финансовых издержек,
  • повышение удельной энергии,
  • исключение токсичных материалов,

это путь к производству универсальных литий-ионных батарей, применимых под портативное использование в лёгкой и тяжёлой промышленности. Отдельный сектор – автомобильные электро-силовые агрегаты.

Процесс цикла АКБ, однако, сопровождается образованием на электроде нежелательного компонента — дендритов. Проникающие в структуру сепаратора дендриты вызывают короткое замыкание.

Температура ячейки АКБ стремительно повышается до граничного значения плавления лития, что чревато возгоранием аккумулятора. Какой же должна быть литий-ионная аккумуляторная батарея в идеальном исполнении?

Характерная нестабильность металлического лития, отмечаемая в процессе зарядки АКБ, заставила перенести исследования на растворы неметаллического характера, насыщаемые ионами лития.

Удельная энергия при этом снижается, но литий-ионная аккумуляторная батарея характеризуется более безопасным процессом. Высокая степень безопасности литий-ионной АКБ обусловлена факторами напряжения и тока.

Типичное исполнение литий-ионных батарей

Подобного типа литий-ионный аккумулятор представляет энергетическую батарею, периодическое техническое обслуживание которой не предусматривается.

Преимущество в этом явное, учитывая, что многие другие химические продукты подобного класса не могут претендовать на такой подход. Литий-ионный аккумулятор исключает эффект «памяти», конструкция не критична к изменениям формы.

Саморазряд литий-ионной АКБ составляет менее 50% по сравнению с продуктами на базе никеля. Этот фактор делает технологию «Li-ion» удачно подходящей под универсальное применение (например, в составе топливомеров). Номинальный параметр напряжения для литий-ионной ячейки (3,6В) позволяет напрямую питать:

  • сотовые телефоны,
  • цифровые видеокамеры,
  • прочую аппаратуру,

предлагая упрощённый подход, а также снижение издержек производства относительно других БП.

Содержимое архитектуры классической Li-Ion

Подобно архитектуре на основе свинца и никеля, литий-ионная архитектура содержит:

  • катод (электрод положительного потенциала),
  • анод (электрод отрицательного потенциала),
  • электролит (проводник электронов).

Катод выполнен из материала на основе оксида металла. Анод изготовлен из материала — пористого углерода. По факту разряда литий-ионного аккумулятора, ионы перемещаются от анода в сторону катода, преодолевая структуру электролита и сепаратора.

Обратный вариант, когда имеет место заряд аккумулятора, направление хода ионов изменяется от катода в сторону анода.

Процедура заряда/разряда и переменное движение ионов между катодом и анодом приводят к окислению отрицательного электрода (анода). При этом число электродов на аноде уменьшается, тогда как на катоде отмечается увеличение. Заряд меняет направление течения электронов.

Материалы, применяемые для построения структуры литий-ионной батареи, теоретически обладают удельной энергией. Ключ к достижению высокой ёмкости и эффективной передачи энергии следует искать, в первую очередь, на катоде.

Достижения в разработках литий-ионных АКБ последних 10 лет показывают, что именно катод характеризует литий-ионную батарею. Общим материалом катода литий-ионной АКБ выступают:

  • оксид лития-кобальта (литий-кобальтат),
  • оксид лития-марганца (литий-марганат),
  • литий-фосфат железа,
  • литий-никель-марганцевый кобальт,
  • литий-никель-кобальтовый алюминий.

Оригинальный продукт производства Sony

Оригинальная архитектура литий-ионной батареи производства «Sony» отличалась применением кокса под материал анода. Начиная с 1997 года львиная доля литий-ионных батарей построена на графите.

Благодаря графитовой основе, удаётся получить более плоскую кривую процесса разряда. Продолжаются изыскания (разработки) лучшей структуры анода. Теперь тестируется ряд химических добавок, включая сплавы с кремнием.

Известный материал кремний обеспечивает рост удельной энергии до 20-30%, благодаря малым токам нагрузки. Другая анодная добавка литий-ионной архитектуры — наноструктурированный литий-титанат, демонстрирует следующие качества:

  • продолжительный срок службы,
  • лучшие характеристики нагрузки,
  • работу при низких температурах,
  • безопасность.

Однако на низком уровне остаётся удельная энергия.

Усиление качественных показателей структуры

Смесь катодного и анодного материалов демонстрирует возможности для усиления качества структуры. Но улучшение одного компонента ставит под угрозу нарушение другого компонента. К примеру, если оптимизировать:

  • удельную энергию,
  • нарастить удельную мощность,
  • нарастить срок службы,
  • усилить безопасность,

недостатком остаётся существенное снижение нагрузки. Оптимизация под эксплуатацию с токами высокого уровня приводит к снижению удельной энергии. Упрочнение структуры литий-ионной ячейки под длительный срок службы приводит к усилению безопасности.

Читайте также:  ТОП производителей аккумуляторов для ВАЗ Lada 2104

Но тогда приходится увеличивать габариты батареи и наращивать размер толщины сепаратора. Между тем сепаратор – это наиболее дорогостоящая деталь литий-ионной батареи.

Таблицей ниже представлены обобщённые характеристики литий-ионной архитектуры с различным катодным материалом. Таблица ограничивает химический состав четырьмя наиболее популярными литий-ионными системами. Применяется краткая форма описания.

Разновидности химической формулы конфигурации

Аббревиатура NMC (никель-марганец-кобальт) – химическая формула относительно новой конфигурации, адаптированная под высокую нагрузку. Литий-ион-полимер далеко не уникальная химическая формула, отличается только конструктивным исполнением.

Литий-полимер изготавливается различными химическими составами. Наиболее широко применяемым остаётся Литий-кобальт.

Таблица обобщённых характеристик литий-ионных батарей:

Источник

Структура литий ионный аккумуляторов

В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.

Как появились литий─ионные батареи?

Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.

На протяжении этих 20 лет исследователи пришли к выводу, что основной проблемой является литиевый электрод. Этот металл очень активный и при эксплуатации протекал ряд процессов, приводивших в итоге к воспламенению. Это стали называть вентиляцией с образованием пламени. Из-за этого в начале 90-х годов производители были вынуждены отозвать батареи, выпущенные для мобильных телефонов. Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.

Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем литиевые аккумуляторы. Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта. Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели. Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода. Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями: положительный электрод LiCoO 2 → Li 1-xCoO 2 + xLi + + xe — отрицательный электрод С + xLi + + xe — → CLi x В процессе разряда реакции идут в обратном направлении. На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.

Читайте также:  Ваз 2107 загорается лампа зарядки аккумулятора ваз

Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод. Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.

Источник



Как устроен литий-ионный (Li-ion) аккумулятор вашего телефона

Сегодня на приёме у нашего патологоанатома — литий-ионный аккумулятор Nokia BL-5B из одноименного смартфона Nokia. Аккумулятор несколько лет прослужил верой и правдой, но некоторое время назад вспучился и перестал держать заряд. Царствие ему небесное!

Воспользуемся этим несчастным случаем для пополнения копилки наших знаний об аккумуляторах. Многие интересуются, как устроен литий-ионный аккумулятор. Проведем разборку литий-ионного (Li-ion) аккумулятора.

Так выглядит наш клиент спереди, сзади и со стороны контактов:

Сделано в Европе (Венгрия), голограмма, все дела.

Теперь — сдираем пластиковую обертку с маркировкой, и смотрим на голое тело клиента. Слабонервных, женщин и детей просим удалиться J.

Литий-ионный аккумулятор представляет собой герметичную металлическую «банку» с заводской маркировкой; сверху находится пластиковая «крышка» с контактами, а снизу — чисто декоративная тонкая черная «подставка».

Отдираем эти пластиковые детали, попутно разрывая контактные проводники. Они нам больше не пригодятся.

А так выглядит «банка» аккумулятора сверху:

В центре и справа банки — контакты; а слева, в виде овала с просечкой, — предохранительное «окно» (клапан). При повышении внутреннего давления оно должно лопнуть, тем самым предотвращая от взрыва всего аккумулятора в целом.

Теперь обращаем внимание, что баланс по количеству контактов — не сходится. К аккумулятору подходят 3 контакта, а к «банке» — только два! Куда делся ещё один?!

А вот посмотрите на оторванную пластиковую «крышечку» аккумулятора:

Обратите внимание на красную деталь с золотистым прямоугольником, расположенную справа. Это ни что иное, как термопереключатель (termoswitch). Вот к нему-то и идет третий (средний) контакт аккумулятора! Другим своим контактом термосвитч соединен с «минусом» аккумулятора.

Этот термосвитч — простое механическое устройство. Внутри находится биметаллическая мембрана, которая при нагреве изгибается и замыкает контакты, сообщая тем самым «наружу» о перегреве аккумулятора.
В нормальном положении контакты — разомкнуты. Поэтому при «прозвонке» контактов может показаться, что средний контакт аккумулятора ни с чем не соединён.

Выламываем термосвитч и смотрим на его маркировку, расположенную на обратной стороне:

Таким образом, установлен тип термосвитча — L82AY.

Надо к этому добавить, что не все литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы построены по такой же схеме термозащиты. Некоторые аккумуляторы имеют не термопереключатель, а полноценный термодатчик, позволяющий измерить температуру аккумулятора. А некоторые — не имеют вообще никакого элемента контроля температуры. Такие аккумуляторы легко отличить по наличию только двух контактов на аккумуляторе (или двух проводов, идущих от аккумулятора).

Далее — спиливаем верхнюю часть «банки», и смотрим, что там внутри:

На этом фото видно, что в результате вспучивания аккумулятора отдельные слои «начинки» аккумулятора разошлись между собой.

Теперь — окончательно раздираем «банку» и достаем её «начинку»:

«Начинка» аккумулятора представляет собой свернутые в рулон четыре ленты: алюминиевую фольгу со слоем пористого углерода (положительный электрод), медную фольгу (отрицательный электрод, тоже со слоем пористого углерода) и два слоя мембраны-разделителя, «прозрачного» для ионов лития. Эта конструкция очень сильно напоминает конструкцию «классического» электролитического конденсатора. Кто разбирал их — тот подтвердит, а кто не разбирал — лучше этого и не делайте: некоторые виды электролитов вредны для здоровья.

В некоторых местах межвиткового пространства заметны повреждения с вкраплениями мелких белых хлопьев:

Далее — полностью разматываем рулон аккумулятора:

Длина рулона оказалась чуть менее 50 см. Видимо, в «их» единицах измерения длина должна была составлять ровно 20 дюймов.

Итак, пора огласить итоги и выводы .

Наш покойный пациент всю жизнь проработал в одном и том же смартфоне, и потому никогда не имел возможности нарушить режим эксплуатации. Тем не менее, и его настиг неизбежный конец в виде выхода из строя.

Таким образом, констатируем, что устройства со съемными аккумуляторами имеют преимущество перед устройствами с несъемными аккумуляторами. У последних, чтобы решить проблему с аккумулятором, для замены придется обратиться в сервис-центр (или помучиться самому с риском полностью испортить устройство). А у первых — просто вытащить старый и вставить новый аккумулятор.

Читайте также:  Как зарядить автомобильный аккумулятор 55ач

Источник

Устройство, эксплуатация и характеристики литий─ионных аккумуляторов

В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.

Как появились литий─ионные батареи?

Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.

На протяжении этих 20 лет исследователи пришли к выводу, что основной проблемой является литиевый электрод. Этот металл очень активный и при эксплуатации протекал ряд процессов, приводивших в итоге к воспламенению. Это стали называть вентиляцией с образованием пламени. Из-за этого в начале 90-х годов производители были вынуждены отозвать батареи, выпущенные для мобильных телефонов. Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.

Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем литиевые аккумуляторы. Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта. Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели. Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода. Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями: положительный электрод LiCoO 2 → Li 1-xCoO 2 + xLi + + xe — отрицательный электрод С + xLi + + xe — → CLi x В процессе разряда реакции идут в обратном направлении. На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде. [caption align="aligncenter" width="300"]

Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод. Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.

Источник