Ввод в эксплуатацию новых литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы в виду свойств щелочных металлов, окисляющихся от взаимодействия с кислородом, и особенностей производства уже имеют в себе определённый заряд. Однако следует помнить, что первоначальной ёмкости аккумулятора не достаточно для нормальной эксплуатации. 

Новый аккумулятор нежелательно сразу же эксплуатировать в обычном режиме.  Следует произвести так называемую раскачку аккумуляторной батареи аппарата, т.е. дать возможность аккумулятору набрать максимальную ёмкость для дальнейшей надлежащей эксплуатации. Первоначально литий-ионный аккумулятор требуется полностью разрядить. После полной разрядки аккумулятора его следует полностью зарядить для увеличения рабочей ёмкости и правильной калибровки системы управления аккумулятором. Сразу после разрядки надо обязательно подзарядить аккумуляторную батарею. Для достижения максимальной рабочей ёмкости аккумулятора требуется произвести 3-4 полных цикла зарядки-разрядки батареи. 

Циклы калибровки литий-ионных аккумуляторов можно производить и в последующем при  его эксплуатации. Достаточно одного цикла полного заряда-разряда в 3-4 месяца. Циклы калибровки нужны для корректного отображения рабочей емкости аккумулятора. 

В связи с тем, что эффект «старения» литий-ионных аккумуляторов резко усиливается при высокой температуре, сотовый телефон желательно держать подальше от источников тепла (тело человека, прямые солнечные лучи, радиатор отопления).

Не стоит без особой нужды подзаряжать аккумулятор, т.к. в литий-ионных батареях хоть и в небольшой степени, но всё-таки присутствует так называемый «эффект памяти». Так что если Вы будете реже заряжать аккумулятор, тем самым продлите его срок эксплуатации. Также не надо забывать, что эксплуатация при слишком низкой или слишком высокой температуре также негативно влияет на рабочие свойства и срок службы аккумуляторной батареи. 

Не стоит заряжать аккумулятор, сразу после использования при отрицательной температуре. При температуре ниже 0 градусов по Цельсию, свойства аккумулятора резко ухудшаются. Поэтому зарядку аккумуляторной батареи стоит осуществлять только после того, как она сама достигнет положительной температуры.

Хранение аккумуляторных литий-ионных батарей осуществляется при температуре 15-25 градусов Цельсия.

Советы по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Что представляет собой литий-ионный аккумулятор?

Далеко не все знают, что такое литий-ионный аккумулятор. Давайте для начала рассмотрим его конструкцию на примере смартфона. В данном случае он имеет один аккумуляторный элемент, который чаще всего называется банкой. Его номинальное напряжение обычно составляет 3,7 В. Также в составе аккумулятора есть контроллер, представляющий собой плату с микросхемой, распаянной на ней. Она не допускает перезаряда или глубокого разряда. То есть производители аккумуляторов уже позаботились о том, чтобы избежать проблем с зарядкой и разрядкой батареи. Пользователю нужно только соблюдать простые правила эксплуатации.

Правила по использованию литий-ионных аккумуляторов

Придерживаясь следующих простых правил, вы сможете не только продлить жизненный цикл литий-ионного аккумулятора, но и увеличить время работы устройства, в котором он используется.

Правило 1: не разряжайте полностью аккумулятор

У литий-ионных аккумуляторов нет так называемого «эффекта памяти». Поэтому их необходимо заряжать, не дожидаясь, когда они разрядятся до 0%. Многие производители рассчитывают срок эксплуатации аккумулятора количеством циклов зарядки с нулевого значения. Для качественных АКБ он составляет 400-600 циклов. Чтобы повысить срок службы литий-ионного аккумулятора, нужно чаще заряжать устройство, когда на нем осталось 10-20% зарядки. Благодаря этому можно увеличить количество циклов разряда вплоть до 1700.

Правило 2: разряжайте аккумулятор только 1 раз в 3 месяца

Полный заряд в течение продолжительного времени так же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до 0%. Это приводит к тому, что устройство получает некорректную информацию о количестве заряда. В связи с нестабильным процессом заряда специалисты рекомендуют 1 раз в 3 месяца полностью разряжать АКБ. Причем после следует зарядить его до 100%, а затем продержать на зарядке от 8 до 12 часов. За счет этого обновится максимальное значение, а работа батареи будет стабильнее.

Правило 3: храните неиспользуемый аккумулятор с небольшим количеством заряда

Если вы планируете хранить литий-ионный аккумулятор, который долгое время не будет использоваться, то его уровень заряда должен составлять от 30 до 50%. Причем рекомендуется, чтобы температура в помещении была 15 градусов по Цельсию. Если хранить полностью заряженный аккумулятор, то он потеряет значительную часть емкости. Разряженные до 0% АКБ после длительного хранения, скорее всего, придут в негодность. В таком случае придется обратиться в компанию, которая имеет разрешение на утилизацию литий-ионных аккумуляторов, поскольку выкидывать их с обычным мусором категорически запрещено.

Правило 4: Используйте только оригинальное зарядное устройство

Важно заметить, что зарядное устройство встроено в конструкцию смартфона, планшета, ноутбука и т.д. Поэтому в данном случае внешний адаптер выступает в качестве выпрямителя и стабилизатора напряжения. Видеокамеры и фотоаппараты не оснащены таким устройством. В связи с этим их аккумуляторы следует вынимать и заряжать во внешнем устройстве. Использование сторонних зарядных устройств может оказать негативное воздействие на работу аккумулятора.

Применение несертифицированных зарядных устройств небезопасно. Особенно это касается так называемых «лягушек» китайского производства, которые часто воспламеняются в процессе зарядки. Прежде чем использовать такое универсальное зарядное устройство, сверьтесь с допустимыми значениями, указанными на упаковке. Особое внимание следует обратить на максимальную емкость. Если ограничение меньше емкости, то в лучшем случае аккумулятор не зарядится полностью, а в худшем – его ждет утилизация.

Правило 5: не допускайте перегрева аккумулятора

Высокие температуры крайне негативно воздействуют на литий-ионные аккумуляторы. Поэтому нельзя допускать попадания на мобильные устройства прямого ультрафиолетового излучения. Также запрещено оставлять их в непосредственной близости от источников тепла, к примеру, обогревателей. Низкие температуры тоже губительны для АКБ, но в гораздо меньшей степени. Оптимальная температура, при которой можно использовать литий-ионные аккумуляторы, составляет от -40 до +50 градусов по Цельсию.

Литий-ионный аккумулятор — советы и правила пользования

Из данной статьи вы узнаете, как правильно заряжать ваш литий-ионный аккумулятор, как часто и как долго. А также прочитаете советы по эксплуатации АКБ, рекомендации и правила. В общем, все, что необходимо знать о Li-ion аккумуляторе мы собрали для вас в одну статью-инструкцию.

В наше время портативная техника встречается буквально на каждом шагу. Ее значимость трудно оценить. Современная жизнь диктует свои условия, быть всегда в курсе событий просто необходимо современному человеку, — проверить электронную почту, совершить важный звонок, да и просто скоротать время играя в игры, или слушая mp3-плеер, помогают цифровые помощники. Но, как известно, вся эта идиллия была бы просто невозможна без портативных источников питания. Самым популярным источником энергии в наше время остается литий-ионный аккумулятор. Соотношение габаритов, емкости и цены, а также надежности в эксплуатации по праву сделали их лидерами среди портативных источников питания.

Практически каждый раз приобретая технику, можно услышать от продавца советы по использованию литий-ионных батарей, точнее о их первом шаге во взрослую жизнь. Это и первая зарядка в течении 15 часов, и 3 — 5 полных рабочих цикла, иногда советуют заряжать и разряжать аккумулятор полностью, в общем советов хоть отбавляй, а вот где истина, сейчас попробуем разобраться.

Основные правила ухода за аккумуляторными батареями, обычно, прописаны в инструкции к устройству которое от них питается. Не поленитесь прочитать инструкцию перед началом эксплуатации, а не когда гаджет начинает сбоить, как обычно это делается у нас. И касается это не только эксплуатации батареи.

По поводу первой зарядки в течении 12 часов, выдуманное утверждение, потому как электронная система защиты BMS попросту не даст аккумулятору заряжаться больше положенного времени.

Совет по поводу нескольких рабочих циклов (полностью зарядить аккумулятор и разрядить, дабы он «запомнил» истинную свою емкость), литий-ионные аккумуляторы обладают замечательной «памятью», и запоминают все с первого раза. Может кому-то покажется, что первые несколько дней устройство, будь-то фотоаппарат, мобильник, или что-то иное, быстро разряжается, я советую присмотреться к детям, первые несколько дней они тоже от новой игрушки не отходят, но со временем просто забывают о ней. Здесь мы видим то же самое, пока разберешься в устройстве, пока похвастаешься знакомым, при интенсивном использовании батарея, естественно, садится быстрее. По прошествии некоторого времени устройство входит в свой рабочий режим, использование происходит только по необходимости, а это положительно сказывается на автономности.

Полный цикл заряда/разряда требовался никель-кадмиевым аккумуляторам, они могли при неполном заряде/разряде терять свою номинальную емкость. К литий-ионным батареям это не относится. К тому же полный разряд просто противопоказан литий-ионным аккумуляторам, правда электронная система защиты просто не даст аккумулятору полностью разрядится, но, представьте ситуацию, — разряженная батарея лежит долгое время, заряд естественно утечет, и система защиты попросту заблокирует дальнейшую работу аккумулятора. Избыточный заряд, кстати, тоже вреден, но за этим следит все та же система защиты. Иногда могут посоветовать производить заряд батареи как угодно, но, главное что бы раз в недельку производился полностью заряд (для восстановления памяти аккумулятора). Этот совет актуален для никель-металлгидридных аккумуляторов, у них то же имеется так называемая «память», но, она восстанавливается полностью, в отличии от никель-кадмиевых, после одного-двух полных циклов заряда. Для литий-ионных батарей такой совет может быть актуален только в случае долгого неиспользования батареи.

Продолжительность жизни

Продолжительность жизни литий-ионных батарей зависит как от циклов заряда/разряда, так и от времени использования. Дело в том, что пролежавший год в шкафу аккумулятор потеряет в среднем 5-10% емкости, поэтому рекомендовано при покупке портативной техники обращать внимание на дату выпуска батареи.

Продолжительность жизни от колличества циклов заряда наглядно показана в таблице:

Глубина заряда	Количество циклов (продолжительность жизни)
100%	500
50%	1500
25%	2500
10%	4700

Как видно, чем меньше мы заряжаем аккумулятор, тем дольше он нам будет служить, хотя 500 циклов — это около 3 лет использования (при условии что зарядка батареи происходит раз в пару дней), как по мне — устройство морально устареет быстрее, чем аккумулятор выйдет из строя …

Температурный режим и хранение

Оптимальным температурным режимом для литий-ионных аккумуляторов является +20 градусов. Стоит помнить, что понижение температуры сказывается на отдаче тока, а при повышении активизируется «процесс старения». 
Заряжать батарею стоит только при плюсовых температурных режимах, в противном случае гарантирован выход аккумулятора из строя. Оптимальным температурным режимом хранения неиспользуемого аккумулятора является температура +5 градусов. Батарея заряжается до уровня 40 — 50%, герметично упаковывается, и в холодильник, только не в морозилку, там температура намного ниже рекомендуемой.

Итак, сделаем вывод:

1. При покупке обязательно проверяйте дату выпуска батареи.
2. Произведите полный цикл заряда перед использованием, обычно это составляет от 1,5 — 2 часов, больше заряжать смысла нет.
3. Постарайтесь избегать полного заряда/разряда батареи, это положительно скажется на долговечности.
4. Не стоит оставлять на долгое время разряженный аккумулятор, можете потерять его безвозвратно.
5. Не стоит производить заряд литий-ионных батарей при отрицательны температурах, выход из строя обеспечен.
6. При долгом хранении извлеките аккумулятор из устройства, и поместите в прохладно место.
7. При хранении периодически заряжайте батарею, предварительно прогрев ее до комнатной температуры.

Следуя этим нехитрым советам вы обеспечите долгую работу вашей АКБ и, следовательно, вашему устройству.

Внимание!

• Используйте аккумуляторы только по назначению.
• Не разбирайте и не ломайте аккумуляторы.
• Не подвергайте аккумуляторы нагреву и воздействию огня.
• Избегайте воздействия прямого солнечного света.
• Не допускайте короткого замыкания аккумуляторов.
• Не храните аккумуляторы беспорядочно в коробке или ящике, где они могут замкнуться друг на друга или другие металлические предметы.
• Не подвергайте аккумуляторы механическим ударам.

Как заряжать литий ионные аккмуляторы?

Как заряжать литий ионный аккумулятор, чтобы значительно продлить срок его службы и добиться длительной эффективной работы? Соблюдение простых правил эксплуатации, рекомендованных производителем, позволит продлить срок жизни батареи питания и избежать больших затрат на дорогостоящую покупку. Принцип работы литий-ионных батарей отличается от никель-кадмиевых и других устройств, поэтому и требования к циклам заряда и разряда будут совсем другими.

Основные правила зарядки аккумуляторов

Одна из главных особенностей: литий-ионные аккумуляторы не требуется полностью заряжать и разряжать. В отличие от никель-кадмиевых элементов питания, такие батареи не имеют эффекта памяти, следовательно при неполной зарядке их емкость не уменьшается, и продолжительность автономной работы не сокращается. Более того, полная разрядка приводит к сокращению срока работы аккумулятора, продолжать использовать ноутбук нежелательно уже при 20%-ной отметке.

Можно перечислить несколько основных правил правильной зарядки и эксплуатации литий-ионных аккумуляторов:

• Нельзя хранить долгое время разряженную батарею. Если разряженный аккумулятор пролежал на полке несколько месяцев, его можно выбрасывать: зарядить его заново уже не получится. Это одна из самых распространенных причин, по которым литий-ионные батареи полностью выходят из строя.
• Нежелательно постоянно поддерживать аккумулятор на зарядке во время работы ноутбука. Если он используется в качестве стационарного компьютера дома, на время работы можно вынимать аккумулятор и использовать только сеть от розетки. При этом несколько раз в месяц батарею необходимо подключать для полноценной зарядки и разрядки.
• Оптимальный уровень заряда для хранения аккумулятора – 30-50%. При таком уровне батарея сама практически не теряет заряд и сохраняет свои свойства в течение длительного времени.
• Нельзя допускать перегрева и переохлаждения батареи питания. Ее нежелательно оставлять на открытом солнце или вблизи обогревателей, нельзя включать ноутбук на улице при температуре ниже нуля. И то, и другое приводит к ускоренному износу, и скоро придется покупать новый аккумулятор.

Литий-ионные батареи любого типа рекомендуется подзаряжать только оригинальными зарядными устройствами. Это касается как ноутбуков, так и смартфоном или планшетов. Если блок питания вышел из строя, необходимо приобрести новый той же марки и с теми же характеристиками.

Как увеличить срок работы аккумулятора?

Правильно зарядить литий-ионный аккумулятор – значит обеспечить ему длительную автономную работу и долгую работоспособность. Стандартный срок эксплуатации для батарей такого типа составляет от 400 до 600 циклов зарядки и разрядки, однако правильная эксплуатация с соблюдением всех рекомендаций способна увеличить этот показатель до 1000 циклов. Заботиться о батарее питания будет намного проще, если поставить на ноутбук специальные утилиты, позволяющие контролировать уровень зарядки литий-ионного аккумулятора и степень его изношенности, а также своевременно закрывать все ненужные программы.

Для увеличения времени автономной работы необходимо правильно экономить энергию. При временном прекращении работы ноутбук нужно переводить в режим гибернации – это значительная экономия заряда батареи. Также нужно отключать все невостребованные в данный момент функции, закрывать лишние программ и не допускать слишком большого списка автозагрузки. Если батарея все же вышла из строя, не стоит пытаться разбирать ее самостоятельно и пытаться ремонтировать.

Литий-ионные аккумуляторы cat® — Пора переключиться?

Технологий литий-ионных аккумуляторов доступны в качестве опции практически на всех моделях вилочной и складской электротехники Cat®. Пока свинцово-кислотные аккумуляторы остаются довольно популярным решением среди заказчиков, и бесспорно, предлагают множество преимуществ, тем не менее, Литий-ионным решениям есть что предложить взамен.

Возможно самым заметным преимуществом перехода на Li-ion является возможность подзарядки. Вместо того, чтобы менять АКБ между сменами, Вы можете быстро подзарядить батарею во время короткого перерыва и использовать её 24/7. Вместе с другими преимуществами, такими как: эффективность, экологичность и безопасность — это делает Li-ion отличной альтернативой.

Преимущества Cat Li-ion относительно свинцово-кислотных аналогов

Литий-ионные батареи предоставляют огромные преимущества по сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами в части экономии электроэнергии, оборудования, персонала и сокращении простоев.

• Больший срок службы – примерно в 3-4 раза в сравнении со свинцово-кислотными – сокращают расходы на АКБ
• Повышенная эффективность – при зарядке и разрядке потери энергии ниже на 30%, поэтому снижается потребление электроэнергии.
• Более длительное время работы – благодаря более эффективной работе АКБ и использованию возможных зарядов, которые могут быть предоставлены в любое время без повреждения батареи или сокращения срока ее службы.
• Неизменно высокая производительность – с более стабильной кривой напряжения – поддерживает более высокую производительность погрузчика, даже в конце смены
• Более быстрая зарядка – обеспечивает полную зарядку всего за 1 час с помощью самых быстрых зарядных устройств
• Без замены батареи – возможность быстрой подзарядки – 15 минут заряд достаточно для нескольких часов дополнительного времени работы — обеспечение непрерывной работы с одним аккумулятором и минимизация потребности в покупке, хранении и обслуживании запасных частей.
• Без обслуживания – батарея остается на борту погрузчика во время зарядки, не нужно доливать воду или проверять уровень электролита.
• Отсутствует выделение вредных газов – и кислоты — позволяет сэкономить на месте, оборудовании и расходах по содержанию помещения для зарядки аккумуляторов и вентиляционной системы.
• Встроенная защита — интеллектуальная система управления аккумулятором (BMS) автоматически предотвращает чрезмерные значения разряда, зарядки, напряжения и температуры, а также практически исключая ошибки приложений.

В наличии есть аккумуляторы и зарядные устройства различной емкости. Ваш дилер определит лучшее сочетание исходя из Ваших задач. Уточняйте у дилера информацию о дополнительной 5-летней гарантии и условиях ежегодной проверки, которые обеспечат более комфортную эксплуатацию.

К погрузчикам Cat с опциями литий-ионного аккумулятора относятся следующие:

Электрические тележки с вилочным захватом для поддонов:

• NPP16PD
• NPV20-25N3/NPF20-25N3(R)(S)
• NPV20PD

Погрузчики-штабелеры:

Рич-траки:

Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторов

Практически все наши покупатели задают вопросы о сроке службы и эксплуатации электросамокатов CityCoco и в большей степени они касаются аккумуляторных батарей. Наиболее часто задаваемые вопросы касаются  долговечности АКБ: — Сколько служит аккумулятор? — Как правильно заряжать аккумулятор? — Надо ли его полностью разряжать перед тем, как ставить на зарядку?   — Как продлить срок службы АКБ? и так далее.

Все эти вопросы просто обязывают нас ещё раз вернуться к теме обсуждения аккумуляторных батарей, которые устанавливаются на электрические самокаты CityCoco. В своей статье «Что скрывает аккумулятор?» https://electrodrive.by/news/Chto_skryvaet_akkumulator_CityCoco от 27.08.18г. мы постарались максимально расписать, как устроена литий-ионная аккумуляторная батарея, какие подводные камни могут ждать покупателей при приобретении самокатов с некачественными аккумуляторами, рассказали, какие батареи используем мы и так далее. Но одного обзора не достаточно, что бы дать ответы на все вопросы. Поэтому сейчас кратко пройдёмся по самым основным моментам, которые касаются непосредственно эксплуатации и хранения литий-ионных аккумуляторов.

Итак, в электрических самокатах (электроскутерах) CityCoco используются li-ion аккумуляторные батареи, имеющие в среднем не менее чем 80% от первоначальной ёмкости после 500 циклов (полных зарядов и разрядов). После этого батарея продолжит работать, просто её ёмкость будет постепенно снижаться. То есть при правильной эксплуатации, например, если электросамокат в среднем проезжает 40 км на одном заряде, то Вашего аккумулятора хватит не менее чем на 20 000 км общего пробега. А это для 2-х колёсного транспорта совсем не мало. И даже после этого он прослужит еще некоторое время. Просто запас хода будет постепенно снижаться. А если учесть, что хороший райдер за сезон проезжает максимум 4 000 км, то не трудно высчитать срок службы Вашего аккумулятора, и составит он минимум 5 лет.

Данные расчеты актуальны только для качественных li-ion аккумуляторов и при условии надлежащей их эксплуатации и хранения. Так как срок службы аккумулятора может значительно изменяться при определенных условиях.

Производитель же аккумуляторных батарей, используемых в электрических самокатах CityCoco ElectroDrive, заявляет не менее 1000 циклов при правильных условиях эксплуатации.

Li-ion аккумуляторы не обладают эффектом памяти, поэтому нет необходимости специально разряжать батарею до конца перед тем, как поставить её на зарядку. Следует помнить, что полные заряд и разряд быстрее изнашивают батарею, а неполные циклы, напротив, продлевают ей жизнь (таблица А). Поэтому, по возможности, заряжайте аккумулятор, когда он еще не разрядился. При полной же разрядке аккумулятора постарайтесь поставить его на зарядку в течение первых суток и не в коем случае не оставляйте полностью разряженный аккумулятор на длительное время. Иначе балансировочная плата BMS может уйти в защиту и не даст включить Ваш аккумулятор. Также не оставляйте электроскутер на зарядке более чем на сутки. Контроллер хоть и отключает зарядное устройство при полном наборе ёмкости АКБ, но периодически подача тока будет включаться, и постоянное пренебрежение этим пунктом будет изнашивать аккумулятор. Несмотря на то, что неполные циклы продлевают срок службы батареи, рекомендуется все же заряжать аккумулятор до конца хотя бы один из 10 раз и после этого оставлять на несколько часов подключенным к зарядному устройству. Это делается для балансировки АКБ. Как уже известно из предыдущей статьи, li-ion батарея Citycoco состоит из большого количества маленьких элементов размером 18650, напряжение на которых должно быть всегда одинаково. При разряде аккумуляторной батареи возникает небольшая разница в напряжении на каждом из элементов. Поэтому для их стабилизации существует балансировочная плата, которая при окончании заряда выравнивает напряжение на всех элементах питания. Если никогда не заряжать батарею до конца и не давать ей выровнять напряжение, то ее ресурс снизится! Также стоит учесть, что использование очень длинного, либо некачественного удлинителя может снизить напряжение сети, следовательно и напряжение на выходе зарядного устройства тоже будет ниже, что может привести к неполному заряду батареи и невозможности запуска процесса балансировки.

Ещё один фактор, влияющий на срок службы АКБ в зависимости от условий эксплуатации – это сила тока при зарядке. Чем она больше тем меньше срок службы Вашего аккумулятора. Особенно это следует учитывать при эксплуатации электросамоката в холодную пору года и при отрицательных температурах. Большой ток зарядки при температуре ниже 0°С может значительно снизить ресурс аккумулятора. Если у Вас есть необходимость заряжать электросамокат при минусовых температурах, пользуйтесь зарядным устройством с маленьким током заряда. Но по возможности старайтесь заряжать аккумулятор в тепле, а уже перед поездкой устанавливайте его на самокат. Хоть в руководстве и написано, что эксплуатировать электросамокат можно при температурах от -10°С до +45°С, следует помнить, что при отрицательных температурах запас хода естественно будет снижаться. Вместе с этим будет проседать и ёмкость АКБ. Поэтому при постоянной эксплуатации в зимнее время ресурсный срок службы аккумулятора тоже будет снижаться. Помните: при езде в мороз следует избегать резких стартов и движений на высокой скорости, особенно в первые 5-10 минут эксплуатации. Аккумулятор должен прогреть себя сам изнутри.

Если Вы не собираетесь использовать электросамокат в холодное время года (3-5 месяцев), зарядите аккумулятор до 60-80% от его ёмкости и отключите его от сети питания скутера. Подзаряжать хорошую качественную батарею в течение такого периода времени не нужно.

Если же Вы не собираетесь использовать электроскутер долгое время (больше 5 месяцев), но хотите сберечь его аккумулятор в рабочем состоянии, знайте, что вопреки бытующему мнению о хранении аккумуляторов в тепле, лучше всего литий-ионные батареи хранятся при температуре  от 0°С до +5°С. Чем выше температура окружающей среды и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее батарея стареет и теряет емкость (см. таблицу Б). Лучше всего зарядить её до 60%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет и положить в холодильник (не путать с морозильной камерой!) или подвал (погреб). В этом случае раз в 3-4 месяца необходимо проверять ёмкость батареи и при необходимости подзаряжать её.

 

Глубина разряда Количество циклов разряда 100% 500 50% 1500 25% 2500 10% 4700	Температура, °C 40%-ный уровень заряда 100%-ный уровень заряда 0°C 98% через 1 год 94% через 1 год 25°C 96% через 1 год 80% через 1 год 40°C 85% через 1 год 65% через 1 год 60°C 75% через 1 год 60% через 1 год
Таблица А. Срок службы (количество циклов) в зависимости от глубины разряда	Таблица Б. Деградация характеристик литий-ионных аккумуляторов в связи с температурой хранения и степенью заряда

 

Соблюдая все вышеуказанные рекомендации, Вы можете, как минимум сохранить, а как максимум — продлить срок службы li-ion аккумулятора Вашего электросамоката.

 

Ну и не следует забывать, что сейчас на рынке достаточно много случаев, когда продавец, либо его поставщик экономят и ставят аккумуляторную батарею плохого качества или не соответствующую заявленным характеристикам, о чём мы писали ранее. Поэтому доверяйте только проверенным продавцам.

У нас в магазинне в Минске Вы можете выбрать литий-ионные аккумуляторы различной ёмкости и формы. Все они находится на гарантии и соответствуют заявленным характеристикам.

Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов | KV.by

Как и обещалось в предыдущей статье цикла («КВ» №29), посвящённого аккумуляторам и аккумуляторным батареям, мы приступаем к изучению конкретики эксплуатации литий-ионных аккумуляторов в связи с их областью применения.

Правильная эксплуатация аккумуляторов сотовых телефонов

Электроды литий-ионных аккумуляторов из-за процесса производства уже наполовину заряжены, однако свежий аккумулятор нежелательно сразу же проверять под нагрузкой. Первоначально литий-ионный аккумулятор требуется полностью зарядить. Использование аккумулятора без первоначальной подзарядки может резко сократить доступную пользователю ёмкость.

После первоначальной зарядки аккумулятора желательно его полностью разрядить для калибровки системы управления аккумулятором. Сразу же после разрядки подзарядите аккумулятор. Циклы калибровки для сотовых телефонов с литий-ионными аккумуляторами не следует производить часто (обычно хватает одного цикла полного заряда-разряда в 3 месяца). Сами циклы калибровки нужны только для правильного отображения прогноза оставшейся ёмкости аккумулятора. Рекомендуемые же некоторыми пользователями и продавцами трёх-, четырёхкратные глубокие циклы заряда-разряда могут оказаться фатальными для не нового литий-ионного аккумулятора.

Желательно использовать оригинальные аккумуляторы от производителя мобильного телефона. Так как функции системы управления аккумуляторной батареей для мобильников сильно урезаны, а зарядом руководит система подзарядки сотового телефона, то аккумулятор от стороннего производителя проживёт меньше, поскольку система подзарядки не знает особенностей не оригинальных аккумуляторов.

В связи с тем, что эффект «старения» литий-ионных аккумуляторов резко усиливается при высокой температуре, сотовый телефон желательно держать подальше от источников тепла (тело человека, прямые солнечные лучи, радиатор отопления).

Желательно часто не заряжать аккумулятор сотового телефона полностью, а также ставить аккумулятор на подзарядку раньше, чем уровень заряда достигнет красного значения индикатора заряда (примерно 20% остаточной ёмкости).

Старение литий-кобальтовых аккумуляторов (наиболее распространённых аккумуляторов для сотовых) напрямую зависит от уровня нагрузки. Говорите по мобильному меньше и реже — это позволит сохранить здоровье не только вашему аккумулятору, но и вам самим.

Не заряжайте аккумулятор, побывавший на морозе, до тех пор, пока он не прогреется до положительной (по Цельсию) температуры — это важное требование безопасности эксплуатации литий-ионных аккумуляторов.

Правильная эксплуатация аккумуляторных батарей ноутбуков

Аккумуляторная батарея ноутбука содержит полноценную систему управления, что часто позволяет пользователю забыть о том, правильно ли он эксплуатирует батарею. Однако при работе с ноутбуком следует помнить о некоторых вещах.

При первом подключении аккумуляторную батарею ноутбука следует полностью зарядить, после чего произвести калибровку системы управления. Калибровка осуществляется полным разрядом батареи при постоянной нагрузке (необходимо войти в настройки BIOS и оставить ноутбук работать при отключении от сети до выключения, во многих настройщиках BIOS есть специальный пункт Calibration, предназначенный для выполнения данной задачи). Не забудьте сразу же зарядить батарею своего ноутбука после полной разрядки.

Калибровка аккумуляторной батареи ноутбука обычно осуществляется раз в 1-3 месяца для исключения эффекта «цифровой памяти» — в процессе работы от аккумулятора постепенно накапливаются ошибки определения остаточной ёмкости, из-за чего снижается время автономной работы ноутбука.

Для некоторых моделей ноутбуков существуют утилиты производителя для задания уровня разряда батареи, при котором начинает производиться заряд. Если аккумулятор ноутбука служит как источник бесперебойного питания (работа осуществляется стационарно с питанием от сети), то установка уровня допустимого разряда в 40% и поддержание аккумуляторной батареи в полуразряженном состоянии позволит продлить жизнь батареи в два раза.

Часть ноутбуков поставляются с дополнительной батареей. Если вы долго не пользуетесь ей, имеет смысл разрядить дополнительную батарею до 40%, упаковать в полиэтиленовый пакет с вакуум-замком и оставить пакет в холодильной камере холодильника при температуре 3-4°C.

Правильная эксплуатация батарей Power Tools и видеокамер

Правила эксплуатации батарей Power Tools (в основном, батарей шуруповертов и видеокамер) мало отличаются от правил эксплуатации аккумуляторов сотовых телефонов.

Отличием является то, что использование этих устройств в быту осуществляется довольно редко, а стоимость аккумуляторов высока и эти аккумуляторы со временем становятся мало доступны. Для обеспечения длительной жизни таких аккумуляторов следует хранить их в полуразряженном состоянии в холодильнике при температуре 3-4°C, предварительно упаковав в полиэтиленовый пакет с вакуум-замком. Перед использованием аккумулятор необходимо полностью зарядить с помощью штатного зарядного устройства и при работе не допускать полного разряда аккумулятора (при первой же возможности подзаряжайте батарею в процессе работы).

В заключение статьи хочу сказать, что хоть правила эксплуатации и позволяют сохранить параметры аккумулятора длительное время, однако жизнь диктует свои условия работы, часто не совместимые с понятием правильной эксплуатации такой высокотехнологичной вещи, как литий-ионный аккумулятор.

В следующей статье цикла мы будем знакомиться с внутренним устройством литий-ионной аккумуляторной батареи, узнаем о типах литий-ионных аккумуляторов и разберём преимущества и недостатки различных конструктивных решений. До новых встреч на страницах «КВ»!

Дмитрий СПИЦЫН,
sdisle.com/battery

При существующем темпе роста смышлёности (SMART) контроллеров устройств мы скоро будем нижайше кланяться своему аккумулятору с просьбой отдать толику его энергии для работы так нужного нам устройства. А также заключать договор о своевременной кормёжке аккумулятора электроэнергией и вносить взносы в фонд социального страхования аккумуляторов. Кроме того, придётся оплачивать аккумулятору медицинскую страховку и пай в пенсионном фонде :).

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные батареи чрезвычайно популярны и универсальны. Эти аккумуляторные батареи, которые используются в сотовых телефонах, автомобилях, электроинструментах и ​​некоторых других типах электронных устройств, также оказывают влияние на оборудование для погрузочно-разгрузочных работ и наземного обслуживания аэропортов.

Технология, лежащая в основе литий-ионных аккумуляторов, делает их отличным выбором из-за их явных преимуществ и экологических преимуществ.

Но как именно работают литий-ионные аккумуляторы? И что делает их такими популярными во многих приложениях?

Вот что вам нужно знать о компонентах, из которых состоит литий-ионный аккумулятор, и о том, как они работают вместе для создания высокоэффективных и долговечных источников энергии.

Компоненты

Литий-ионные батареи

доступны во многих различных формах и размерах. Однако внутри они обычно выглядят одинаково. Чтобы понять, как работает литий-ионный аккумулятор, важно знать роль, которую играют отдельные части.

Ячейка

Литий-ионный аккумулятор состоит из нескольких частей. Элемент, служащий рабочей лошадкой батареи, является наиболее важным компонентом батареи.

Элемент состоит из следующих материалов батареи:

• Электроды — это два конца батареи. Один — анод, другой — катод.
• Анод накапливает литий и обычно изготавливается из углерода.
• Катод также накапливает литий и сделан из химического соединения, которое представляет собой оксид металла.
• Сепаратор блокирует поток отрицательных и положительных электронов внутри батареи, но позволяет ионам проходить через нее.
• Электролит , жидкость находится между двумя электродами. Он переносит положительно заряженные ионы лития от анода к катоду и наоборот, в зависимости от того, заряжается батарея или разряжается.

Аккумулятор

Батарейный блок, в котором находятся литий-ионные элементы, работает как компьютер. Он содержит следующее:

• Как минимум один датчик температуры для контроля температуры батареи.
• Преобразователь напряжения и схема регулятора , которая фокусируется на поддержании напряжения и тока на безопасных уровнях.
• Разъем евро, который позволяет питанию и информации поступать в аккумуляторную батарею и извлекаться из нее.
• Элемент отвод , который контролирует напряжения элементов в аккумуляторной батарее.
• Система мониторинга батареи , небольшой компьютер, который контролирует всю батарею и обеспечивает безопасность пользователя.

Движение в камере

Так как же ячейка обеспечивает питание оборудования?

Когда вы подключаете литий-ионную батарею к устройству или части оборудования, положительно заряженные ионы перемещаются от анода к катоду.В результате катод становится более положительно заряженным, чем анод. Это, в свою очередь, притягивает к катоду отрицательно заряженные электроны.

Сепаратор в ячейке включает электролиты, которые образуют катализатор. Это способствует перемещению ионов между ними. Движение ионов через раствор электролита — это то, что заставляет электроны перемещаться через устройство, в которое вставлен аккумулятор.

Литий-ионные батареи

перезаряжаемые. При перезарядке ионы лития проходят тот же процесс, но в противоположном направлении.Это восстанавливает аккумулятор для дополнительного использования.

Общая конструкция литий-ионной батареи обеспечивает множество преимуществ для пользователей оборудования:

• Время работы значительно увеличивается с их использованием по сравнению с батареями других типов.
• Возможности быстрой зарядки сокращают время простоя сменных рабочих и повышают производительность.
• Они имеют плоские кривые разряда и обеспечивают более высокую постоянную мощность. Это означает, что больше не будет раздражающей медлительности в работе оборудования при снижении уровня заряда аккумулятора.

Система управления батареями (BMS)

Система управления играет важную роль в обеспечении максимальной работы аккумуляторной батареи. Это также влияет на работу аккумулятора, предлагая несколько защит и функций.

Например:

• BMS поддерживает температуру элементов в идеальном рабочем диапазоне, чтобы предотвратить перегрев или замерзание.
• BMS контролирует ток и напряжение, чтобы поддерживать их на безопасном уровне.Дендриты начинают формироваться в ячейке, если напряжение падает слишком низко, что может привести к короткому замыканию ячейки, поэтому важно, чтобы литий-ионный аккумулятор имел систему, позволяющую контролировать это.
• В аккумуляторе нет встроенной «памяти», поэтому частичные разряды не повреждают аккумулятор. Литий-ионные аккумуляторы могут заряжаться и разряжаться в наиболее удобное для оператора оборудования время.
• Встроенные контроллеры предотвращают перезарядку, чтобы предотвратить образование, которое может привести к значительному повреждению литий-ионных аккумуляторов.
• Балансировка ячеек контролируется, поэтому выравнивающие заряды никогда не требуются. Поскольку литий-ионные батареи не нуждаются в уравнительном заряде, они не выделяют опасные газы.
• Система управления батареями также позволяет менеджерам отслеживать состояние батареи своего флота с помощью бортовых компьютеров, которые отправляют жизненно важные данные через облачные сервисы.

Литий-ионные батареи содержат несколько элементов передовых технологий, которые работают вместе, чтобы обеспечить пользователям явные преимущества.

Вы можете узнать о том, почему литий-ионные батареи являются лучшим вариантом, чем свинцово-кислотные, в нашей статье Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков лучше, чем свинцово-кислотные?

Информация о литиевых батареях — Battery University

Узнайте, почему литий-ионная аккумуляторная система является превосходной.

Пионерские работы по созданию литиевой батареи начались в 1912 году под руководством Г. Льюиса, но только в начале 1970-х годов первые неперезаряжаемые литиевые батареи стали коммерчески доступными.Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в 1980-х годах, но потерпели неудачу из-за нестабильности металлического лития, используемого в качестве материала анода. (В металло-литиевой батарее в качестве анода используется литий; в литий-ионных батареях в качестве анода используется графит, а в качестве активных материалов в катоде используются активные материалы.)

Литий — самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию на вес. Перезаряжаемые батареи с металлическим литием на аноде могут обеспечивать чрезвычайно высокую плотность энергии; однако в середине 1980-х было обнаружено, что при циклическом воздействии на аноде образуются нежелательные дендриты.Эти частицы роста проникают в сепаратор и вызывают короткое замыкание. Температура элемента быстро возрастет и приблизится к температуре плавления лития, что приведет к тепловому выходу из строя, также известному как «выброс пламени». Большое количество перезаряжаемых металлических литиевых батарей, отправленных в Японию, было отозвано в 1991 году после того, как батарея в мобильном телефоне выпустила горящие газы и причинила ожоги лицу человека.

Неустойчивость, присущая металлическому литию, особенно во время зарядки, сместила исследования в сторону неметаллических растворов с использованием ионов лития.В 1991 году Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор, и сегодня этот химический состав стал наиболее многообещающим и быстрорастущим аккумулятором на рынке. Несмотря на меньшую удельную энергию, чем у металлического лития, ион лития безопасен при соблюдении ограничений по напряжению и току. (См. BU-304a: Проблемы безопасности при использовании литий-ионных аккумуляторов.)

Благодарность за изобретение литий-кобальтооксидной батареи должна принадлежать Джону Б. Гуденафу (1922). Говорят, что во время разработки, аспирант, нанятый Nippon Telephone & Telegraph (NTT), работал с Гуденафом в США.Вскоре после открытия студент вернулся в Японию, взяв с собой открытие. Затем, в 1991 году, Sony объявила о выдаче международного патента на катод из оксида лития и кобальта. Последовали годы судебных разбирательств, но Sony смогла сохранить патент, а Гуденаф ничего не получил за свои усилия. В знак признания вклада в разработку литий-ионных аккумуляторов Национальная инженерная академия США наградила Гуденафа и других участников Премией Чарльза Старка Дрейпера в 2014 году. В 2015 году Израиль наградил Гуденаф призом в 1 миллион долларов, который он передаст компании Texas Materials. Институт помощи в исследовании материалов.

Ключом к превосходной удельной энергии является высокое напряжение ячейки 3,60 В. Улучшения в активных материалах и электролитах могут еще больше повысить плотность энергии. Нагрузочные характеристики хорошие, а плоская кривая разряда обеспечивает эффективное использование накопленной энергии в желаемом и плоском спектре напряжения 3,70–2,80 В / элемент.

В 1994 году стоимость производства литий-ионного цилиндрического элемента 18650 превышала 10 долларов США, а емкость составляла 1100 мАч. В 2001 году цена упала ниже 3 долларов, а емкость выросла до 1900 мАч.Сегодня элементы 18650 с высокой плотностью энергии обеспечивают более 3000 мАч, и затраты на них снижаются. Снижение затрат, повышенная удельная энергия и отсутствие токсичных материалов проложили путь к тому, чтобы литий-ионный аккумулятор стал универсальным аккумулятором для портативных устройств, тяжелой промышленности, электрических силовых агрегатов и спутников. 18650 имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. (См. BU-301: Взгляд на старые и новые аккумуляторные блоки.)

Литий-ионный аккумулятор — это аккумулятор, не требующий особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химикатов.Батарея не имеет памяти и не требует упражнений (преднамеренной полной разрядки), чтобы поддерживать ее в хорошем состоянии. Саморазряд в два раза меньше, чем у систем на основе никеля, и это помогает приложениям для измерения уровня топлива. Номинальное напряжение ячеек 3,60 В может напрямую питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, предлагая упрощения и снижение затрат по сравнению с многоячеечными конструкциями. Недостатки — необходимость в схемах защиты для предотвращения злоупотреблений, а также высокая цена.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный использует катод (положительный электрод), анод (отрицательный электрод) и электролит в качестве проводника.(Анод разряжающейся батареи отрицательный, а катод — положительный (см. BU-104b: Блоки для сборки батареи). Катод — это оксид металла, а анод — из пористого углерода. Во время разряда ионы текут от анода к катоду через электролит и сепаратор; заряд меняет направление, и ионы текут от катода к аноду.Этот процесс показан на рисунке 1.

Рис. 1: Ионный поток в литий-ионной батарее. Когда элемент заряжается и разряжается, ионы перемещаются между катодом (положительный электрод) и анодом (отрицательный электрод). При разряде анод подвергается окислению или потере электронов, а катод — уменьшению или увеличению количества электронов. Заряд переворачивает движение.

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных видов, но все они имеют одну общую черту — лозунг «литий-ионный». Хотя эти батареи на первый взгляд поразительно похожи, они различаются по характеристикам, а выбор активных материалов придает им уникальные особенности.(См. BU-205: Типы литий-ионных аккумуляторов.)

В оригинальной литий-ионной батарее Sony в качестве анода (угольного продукта) использовался кокс. С 1997 года большинство производителей литий-ионных аккумуляторов, включая Sony, перешли на графит, чтобы получить более пологую кривую разряда. Графит — это форма углерода, которая имеет долгосрочную циклическую стабильность и используется в графитных карандашах. Это наиболее распространенный углеродный материал, за которым следуют твердый и мягкий углерод. Углерод с нанотрубками еще не нашел коммерческого применения в литий-ионных батареях, поскольку они имеют тенденцию запутываться и снижать производительность.Будущий материал, который обещает улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов, — это графен.

На рис. 2 показана кривая напряжения разряда современного литий-ионного аккумулятора с графитовым анодом и раннего коксового варианта.

Рис. 2: Кривая напряжения разрядки литий-ионного аккумулятора. Аккумулятор должен иметь пологую кривую напряжения в рабочем диапазоне разряда. Современный графитовый анод справляется с этим лучше, чем ранняя коксохимическая версия. Предоставлено Cadex

Было опробовано несколько добавок, включая сплавы на основе кремния, для улучшения характеристик графитового анода. Для связывания с одним ионом лития требуется шесть атомов углерода (графита); один атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития. Это означает, что кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графит, но расширение анода во время зарядки является проблемой. Поэтому чистые силиконовые аноды непрактичны, и только 3-5 процентов кремния обычно добавляют в анод на основе кремния для достижения хорошего срока службы.

Использование наноструктурированного титаната лития в качестве анодной добавки показывает многообещающий срок службы, хорошую нагрузочную способность, отличные низкотемпературные характеристики и превосходную безопасность, но при этом низкая удельная энергия и высокая стоимость.

Эксперименты с материалом катода и анода позволяют производителям усилить внутренние качества, но одно улучшение может поставить под угрозу другое. Так называемый «Энергетический элемент» оптимизирует удельную энергию (емкость) для достижения длительного времени работы, но при более низкой удельной мощности; «Power Cell» предлагает исключительную удельную мощность, но при меньшей мощности.«Гибридная ячейка» — это компромисс, предлагающий и то, и другое. (Подробнее о BU-501: Основы разрядки.)

Производители могут относительно легко получить высокую удельную энергию и низкую стоимость, добавляя никель вместо более дорогого кобальта, но это делает элемент менее стабильным. Хотя начинающая компания может сосредоточиться на высокой удельной энергии и низкой цене, чтобы получить быстрое признание на рынке, безопасность и долговечность не могут быть поставлены под угрозу. Авторитетные производители придают большое значение безопасности и долговечности.В таблице 3 приведены преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов.

Большинство литий-ионных аккумуляторов имеют аналогичную конструкцию, состоящую из положительного электрода из оксида металла (катода), нанесенного на алюминиевый токосъемник, отрицательного электрода (анода) из углерода / графита, покрытого медным токосъемником, сепаратора. и электролит из литиевой соли в органическом растворителе. В таблице 3 приведены преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов.

Преимущества	Высокая удельная энергия и высокая нагрузка с силовыми ячейками Длительный цикл и увеличенный срок хранения; не требует обслуживания Высокая емкость, низкое внутреннее сопротивление, хорошая кулоновская эффективность Простой алгоритм зарядки и достаточно короткое время зарядки Низкий саморазряд (менее половины от NiCd и NiMH)
Ограничения	Требуется схема защиты для предотвращения теплового разгона при напряжении Разлагается при высокой температуре и при хранении под высоким напряжением Невозможна быстрая зарядка при отрицательных температурах (<0 ° C, <32 ° F) Требуются правила транспортировки при транспортировке больших количество

Таблица 3: Преимущества и ограничения литий-ионных аккумуляторов

Обновлено 01.06.2018

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта.Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык, избегая спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: [email protected]. Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

Предыдущий урок Следующий урок

или перейти к другой артикуле

Батареи как источник питания

границ | Понимание проблемы выделения газов в литий-ионной батарее

Газообразование (а именно, объемное разбухание аккумулятора или выделение газа) является обычным явлением ухудшения характеристик аккумулятора, которое обычно является результатом разложения электролита, происходящего в течение всего срока службы литий-ионных аккумуляторов, независимо от того, батарея в строю или нет.Условия неправильного использования, такие как перезарядка и перегрев, усугубляют выделение газа или даже приводят к катастрофическим авариям. При перезарядке выделение газа происходит в основном за счет электрохимического окисления растворителей электролита на катоде, при этом ионы Li ⁺ из электролита восстанавливаются до металлического Li на аноде. При перегреве газообразование происходит не только за счет окислительно-восстановительного разложения, но и за счет химического разложения растворителей электролита как на аноде, так и на катоде, помимо расширения паров летучих растворителей электролита.В этой статье рассматривается только газообразование, происходящее при нормальных условиях эксплуатации и хранения.

Если предположить, что литий-ионный аккумулятор хорошо сформирован при изготовлении и правильно эксплуатируется в эксплуатации, образование газа можно отнести к химическому разложению и окислительно-восстановительному разложению растворителей электролита на аноде и катоде. При химическом разложении диалкилкарбонатных растворителей образуется эфир и CO ₂ , как описано уравнением.1, который может иметь место как на аноде, так и на катоде. Образующийся CO ₂ может быть восстановлен до CO вместе с потреблением ионов Li ⁺ , которые в конечном итоге образуются с катода либо в результате химического восстановления (уравнение 2), либо в результате электрохимического восстановления (уравнение 3) на катоде. анод.

CO2 + 2LiC6 → Li2O + C6 + CO (2) CO2 + 2Li ++ 2e → Li2O + CO (3)

Следовательно, CO ₂ и CO часто сосуществуют внутри батареи.В частности, химическое разложение увеличивается с повышением температуры, а окислительно-восстановительное разложение увеличивается с уровнем заряда (SOC) батареи. Химическое разложение карбонатных растворителей катализируется анодом, катодом, проводящим углеродом и частицами примесей и длится весь срок службы литий-ионной батареи. Поскольку катализатор может быть эффективно дезактивирован очень небольшими количествами отравляющих веществ, добавки к электролиту оказываются очень эффективными в подавлении газообразования.

Что касается образования газа, вызванного окислительно-восстановительным разложением растворителей электролита на двух электродах, рисунок 1 показывает, что коэффициент набухания элемента графит / LiCoO ₂ остается почти постоянным, когда SOC ниже 80%, однако резко увеличивается по мере того, как SOC превышает 80% (Lee et al., 2003). Профили потенциальной емкости процесса зарядки показывают, что потенциал графитового анода очень плоский и составляет ~ 0,25 В относительно Li / Li ⁺ , тогда как потенциал катода LiCoO ₂ линейно увеличивается с увеличением SOC (Zhang et al. ., 2006). Это наблюдение предполагает, что газообразование ниже 80% SOC может быть связано с уменьшением количества растворителей электролита на аноде, а повышенное газообразование выше 80% SOC — с окислением растворителей электролита на катоде. Относительное окислительно-восстановительное образование газа тесно связано с материалами анода и катода, которые обсуждаются ниже.

Рис. 1. Тенденция коэффициента набухания с SOC для графита / LiCoO ₂ призматических ячеек, хранящихся при 90 ° C в течение 4 часов .По данным Lee et al. (2003).

на аноде

В газах от графитового анода преобладают восстановительные газы, такие как H ₂ , CO, олефины и алканы. Слабоокислительный СО ₂ обычно является продуктом каталитического разложения карбонатных растворителей. На восстановление растворителей электролита в значительной степени влияет граница раздела твердого электролита (SEI) на поверхности графита, которая образуется в результате электрохимического восстановления растворителей или добавок электролита при более высоких потенциалах, чем при интеркалировании ионов Li ⁺ в графит. .Газы, образующиеся при образовании SEI, были дегазированы перед герметизацией батареи. Дальнейшее газообразование сопровождается ростом SEI из-за паразитного восстановления растворителя или выхода из строя предварительно сформированного SEI. Следовательно, формирование надежного SEI является ключом к подавлению газообразования на аноде на основе графита. Особенно важно отметить, что выделение газа из анода Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ (LTO) происходит из-за внутренней окислительно-восстановительной реакции между LTO и карбонатными растворителями на границе LTO – электролит (He et al. ., 2012). В результате окислительно-восстановительной реакции, с одной стороны, образуются H ₂ , CO и CO ₂ , а с другой стороны, кристаллическая структура поверхности LTO преобразуется из плоскости (111) в плоскость (222), что приводит к образованию новая фаза TiO ₂ . Покрытие поверхности наноразмерными частицами углерода очень эффективно подавляет межфазную реакцию и возникающее в результате образование газа на аноде LTO.

на катоде

В газах от катода преобладает умеренно окислительный СО ₂ , который может образовываться как при окислительном, так и при химическом разложении растворителей электролита.Литированные оксиды переходных металлов имеют очень сильную щелочность. Даже при кратковременном контакте с воздухом они быстро поглощают CO ₂ и H ₂ O с образованием Li ₂ CO ₃ и LiOH, что приводит к удалению ионов Li ⁺ с поверхности катодных частиц. , что изменяет не только химический состав, но и решеточную структуру поверхности катодной частицы. Карбонаты щелочных металлов (M ₂ CO ₃ , M = K, Na и Li) являются известным катализатором прямого синтеза диалкилкарбонатов из CO ₂ и спирта (Yang et al., 2013). По тому же принципу Li ₂ CO ₃ на поверхности катодных частиц может катализировать и участвовать в химическом разложении диалкилкарбонатных растворителей с образованием CO ₂ , как показано уравнением. 4. Кроме того, Li ₂ CO ₃ может реагировать с LiPF ₆ из электролита с образованием CO ₂ , как описано уравнением. 5.

Li2CO3 + LiPF6 → 2LiF + LiPOF4 + CO2 (5)

В качестве доказательства вышеуказанных реакций показано, что простое удаление Li ₂ CO ₃ с поверхности LiNi _0.83 Co _0,15 Al _0,02 O ₂ катодных частиц путем промывки водой может значительно снизить газообразование катода (Kim et al., 2006). Чтобы уменьшить газообразование, вызванное Li ₂ CO ₃ , следует максимально избегать воздействия воздуха при хранении катодных материалов, а также в процессах нанесения покрытия и сушки катодных листов.

Другая природа катодных материалов — это растворение ионов переходных металлов в растворе электролита (далее для простоты именуемое «растворение металла») с включением и хранением литий-ионных аккумуляторов, которое раньше относили к HF- стимулированное диспропорционирование ионов Mn ³⁺ для шпинели LiMn ₂ O ₄ катода.В дополнение к тем, которые остаются в растворе электролита, растворенные ионы металлов также включаются в SEI двух электродов путем объединения с молекулярными фрагментами разложения растворителя на электродах (как катоде, так и аноде) или восстанавливаются до металла на электродах. анод, что приводит к увеличению сопротивления SEI (Xu, 2014). Интересно отметить, что растворение металла сильно зависит от SOC, показывая резкое увеличение по мере приближения SOC к концу зарядки (Terada et al., 2001; Pieczonka et al., 2013). Это открытие показывает, что растворение металла также связано с прямым окислительно-восстановительным процессом между катодным материалом, лишенным лития (например, MnO ₂ для LiMn ₂ O ₄ ) и растворителями электролита. Сравнение предыдущих результатов (Terada et al., 2001; Lee et al., 2003) указывает на превосходную корреляцию между диаграммой SOC набухания и диаграммой SOC растворения металла, предполагая, что растворение металла должно сопровождаться газом. поколение.Следовательно, стратегии подавления растворения металла также применимы для уменьшения образования газа. Наиболее эффективным подавлением было бы покрытие катода более стабильными соединениями, такими как оксид металла, галогенид, фосфат и предпочтительно твердый электролит (Li et al., 2013). Еще одним преимуществом поверхностного покрытия является снижение основности поверхности катодных частиц, что способствует снижению абсорбции CO ₂ катодом и повышению химической стабильности связующего PVdF, которое в противном случае подвергается дегидрофторированию в сильнощелочных средах (Диас и Маккарти. , 1985).Помимо газообразования, вызванного примесью Li ₂ CO ₃ и растворением металла, каждый тип катодных материалов влияет на образование газа своими особыми способами, которые обсуждаются соответственно ниже.

Материалы слоистых катодов

Газовыделение слоистых катодных материалов в основном связано с выделением O ₂ и растворением металла. Слоистые катодные материалы, такие как LiCoO ₂ , никель-кобальт-алюминий (NCA), никель-марганец-кобальт (NMC) и семейство твердых растворов оксидов переходных металлов с высоким содержанием лития с общей формулой x Li ₂ MnO ₃ ^. (1 — x ) LiMO ₂ (M = Co, Mn, Ni), не имеют явного повышения потенциала, которое можно использовать для определения полностью заряженного состояния (т. Е. Окончания зарядки) зарядным устройством. В процессе обслуживания сопротивление батареи постепенно увеличивается из-за роста SEI на аноде и катоде, который тем временем потребляет ионы Li ⁺ с катода. В результате отношение емкости катода к аноду уменьшается, так что катод можно легко перезарядить, если протокол зарядки не настроен в соответствии с состоянием батареи в реальном времени.Избыточный заряд приводит к образованию O ₂ , во время которого промежуточный анион-радикал кислорода может нуклеофильно атаковать диалкилкарбонатные растворители с образованием CO ₂ и других нерастворимых продуктов, как это произошло в литий-воздушных батареях (Freunberger et al., 2011 ), причем нерастворимые продукты вносят дополнительный вклад в рост резистивного SEI на катоде. Развитие O ₂ приводит к чистым потерям Li ₂ O и, следовательно, изменяет структуру решетки катодных материалов, как описано уравнением.6:

LixMO2−4δe− → Lix − 4δMO2−2δ + 4δLi ++ δO2 (6)

Поскольку «4δLi ⁺ + δO ₂ » в части произведения уравнения. 6 эквивалентно «2δLi ₂ O — 4δe ^— », чистым результатом эволюции O ₂ является потеря Li ₂ O. Вместе с эволюцией O ₂ высвободившийся Li Ионы ⁺ включаются в SEI катода, что приводит к росту SEI катода и способствует необратимой перезарядке.Следовательно, выделение O ₂ , вызванное перезарядкой, является источником не только газообразования, но и роста SEI на катоде. В частности, зарядные потенциалы Li-rich x Li ₂ MnO ₃ ^. (1 — x ) LiMO ₂ (M = Co, Mn, Ni) твердые растворы имеют напряжение более 4,6 В по сравнению с Li / Li ⁺ . Даже в диапазоне нормального рабочего потенциала (2,0–4,6 В) эволюция O ₂ неизбежна, что приводит к необратимому структурному преобразованию решетки катодных материалов (Armstrong et al., 2006; Гу и др., 2013). Выделение O ₂ и возникающие в результате реакции с карбонатными растворителями и даже с проводящим углеродным агентом (т.е. окисление в последнем случае) были признаны основной причиной газообразования и снижения емкости катода с высоким содержанием лития. материалы. Следовательно, своевременная корректировка протокола зарядки, чтобы строго избежать перезарядки и структурной стабилизации путем легирования более стабильными ионами металлов, такими как Al ³⁺ , была бы очень эффективной для подавления образования газа из слоистых катодных материалов.

Материалы катода шпинели

В выделении газа из шпинельных катодных материалов, таких как 4 В Li ₂ Mn ₂ O ₄ и 4,7 В LiNi _0,5 Mn _1,5 O ₄ , преобладает окисление растворителей электролита. . Конечными продуктами окисления карбонатных растворителей являются CO ₂ и H ₂ O, а органические кислоты (H ⁺ ) являются возможным промежуточным продуктом окисления растворителя (Armstrong et al., 2005). Следовательно, окисление очень вероятно инициирует другие проблемы, такие как гидролиз соли LiPF ₆ и образование H ₂ , когда промежуточное соединение H ₂ O и органическая кислота диффундируют на анод и восстанавливаются там. Электрохимическое окисление происходит только в процессе зарядки, тогда как химическое окисление длится весь срок службы и часто сопровождается растворением металла. Покрытие поверхности более прочными соединениями, такими как AlPO ₄ , AlF ₃ , Al ₂ O ₃ , ZnO, Bi ₂ O ₃ (Liu and Manthiram, 2009) и твердым электролитом (Li и другие., 2013) показывает высокую эффективность в подавлении растворения металла, эта стратегия, безусловно, применима к снижению газообразования. Бис (оксалато) борат лития (LiBOB) очень эффективен в подавлении растворения металлов, однако он окисляется с образованием CO ₂ при высоких потенциалах. Некоторые добавки к электролиту, такие как фторированные карбонаты (Zhang et al., 2013) и фосфаты (Cresce and Xu, 2011), обладают способностью образовывать устойчивый SEI на поверхности катода в результате химической реакции и, следовательно, могут предложить альтернативный подход для покрытие in situ для защиты 4.7 В LiNi _0,5 Mn _1,5 O ₄ катод от прямого контакта с жидким электролитом. Вышеупомянутые подходы также применимы к другим высоковольтным катодным материалам, таким как слоистые оксиды с высоким содержанием лития и LiCoPO ₄ . Для катода LiNi _0,5 Mn _1,5 O ₄ , примесь Li _x Ni _{1- x} O также ответственна за образование газа, потому что выше 4,5 В по сравнению с Li / Li ⁺ он выделяет O ₂ , в ходе которого промежуточный анион-радикал кислорода взаимодействует с карбонатными растворителями с образованием CO ₂ .Комбинация покрытия поверхности с использованием добавки электролита и очищающего катодного материала, вероятно, приводит к синергетическому эффекту для подавления газовыделения высоковольтного катода LiNi _0,5 Mn _1,5 O ₄ .

Таким образом, образование газа в литий-ионных батареях включает в себя множество сложных реакций, связанных с химическим и окислительно-восстановительным разложением растворителей электролита. Химическое разложение катализируется активным электродным материалом, проводящим углеродом и примесью Li ₂ CO ₃ .Окислительно-восстановительное разложение может быть электрохимическим или / или химическим процессом, в котором первый происходит только в процессе зарядки, тогда как второй длится весь срок службы батареи и часто сопровождается растворением металла. Растворенные ионы металлов участвуют в постепенном образовании SEI на катоде и аноде, что приводит к росту резистивного SEI и отрицательно сказывается на характеристиках литий-ионных аккумуляторов. Учитывая, что все материалы имеют высокую чистоту и строго высушены, комбинация поверхностного покрытия и электролитной добавки может предложить наиболее эффективное решение проблемы газовыделения литий-ионных аккумуляторов.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Автор благодарит доктора К. Лундгрена за ее критическое прочтение рукописи и ценные предложения.

Список литературы

Армстронг, А. Р., Хольцапфель, М., Новак, П., Джонсон, К. С., Канг, С. Х., Теккерей, М. М. и др. (2006). Демонстрация потери кислорода и связанной с этим структурной реорганизации в катоде литиевой батареи Li [Ni _0,2 Li _0,2 Mn _0,6 ] O ₂ . J. Am. Chem. Soc. 128, 8694–8698. DOI: 10.1021 / ja062027 +

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Армстронг А. Р., Робертсон А. Д. и Брюс П. Г. (2005). Избыточная загрузка оксидов марганца: извлечение лития сверх Mn ⁴⁺ . J. Источники энергии 146, 275–280. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2005.03.104

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кресче, А.В., Сюй, К. (2011). Добавка к электролиту для поддержки химического состава литий-ионных аккумуляторов 5 В. J. Electrochem. Soc . 158, A337 – A342. DOI: 10,1149 / 1,3532047

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Диас, А. Дж., И Маккарти, Т. Дж. (1985). Дегидрофторирование поливинилиденфторида в растворе диметилформамида: синтез технологически растворимого полупроводникового полимера. J. Polym. Sci. Полим. Chem. 23, 1057–1061. DOI: 10.1002 / pol.1985.170230410

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрейнбергер, С. А., Чен, Ю., Пенг, З., Гриффин, Дж. М., Хардвик, Л. Дж., Барде, Ф., и др. (2011). Реакции в литиевой аккумуляторной батарее – O ₂ с алкилкарбонатными электролитами. J. Am. Chem. Soc. 133, 8040–8047. DOI: 10.1021 / ja2021747

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гу, М., Belharouak, I., Zheng, J., Wu, H., Xiao, J., Genc, ​​A., et al. (2013). Образование шпинельной фазы в слоистом композитном катоде, используемом в литий-ионных батареях. ACS Nano 7, 760–767. DOI: 10.1021 / nn305065u

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

He, Y. B., Li, B., Liu, M., Zhang, C., Lv, W., Yang, C., et al. (2012). Газообразование в Li ₄ Ti ₅ O _{12 аккумуляторах на основе} и способы их устранения. Sci. Реп. 2, 913. doi: 10.1038 / srep00913

Pubmed Реферат | Pubmed Полный текст | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж., Хонг, Ю., Рю, К. С., Ким, М. Г., и Чо, Дж. (2006). Эффект промывки катода из LiNi _0,83 Co _0,15 Al _0,02 O ₂ в воде. Electrochem. Solid State Lett. 9, A19 – A23. DOI: 10.1149 / 1.2135427

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Дж., Баггетто, Л., Марта, С. К., Вейт, Г. М., Нанда, Дж., Лян, К. и др. (2013). Искусственная граница раздела фаз из твердого электролита позволяет использовать катод LiNi _0,5 Mn _1,5 O ₄ 5 В с обычными электролитами. Adv. Energy Mater. 3, 1275–1278. DOI: 10.1002 / aenm201300378

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Дж. И Мантирам А. (2009). Понимание улучшения электрохимических свойств поверхностно-модифицированного 5 В LiMn _1.42 Ni _0,42 Co _0,16 O ₄ шпинельные катоды в литий-ионных элементах. Chem. Матер. 21, 1695–1707. DOI: 10,1021 / см

43

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pieczonka, N. P. W., Liu, Z., Lu, P., Olson, K. L., Moote, J., Powell, B. R., et al. (2013). Понимание поведения растворения переходных металлов в LiNi _0,5 Mn _1,5 O ₄ высоковольтная шпинель для литий-ионных аккумуляторов. Дж.Phys. Chem. C 117, 15947–15957. DOI: 10.1021 / jp405158m

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Терада, Ю., Нишиваки, Ю., Накаи, И., и Нисикава, Ф. (2001). Исследование растворения Mn из шпинелевых электродов LiMn ₂ O ₄ с использованием in situ рентгенофлуоресцентного анализа с полным отражением и флуоресцентного метода XAFS. J. Источники энергии 9, 420–422. DOI: 10.1016 / S0378-7753 (01) 00741-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, К., Ван, Х., Дин, X., Ян, X., и Ван, Y. (2013). Однорычажный синтез диметилкарбоната из диоксида углерода, оксида циклогексена и метанола. Res. Chem. Промежуточный. 1–11. DOI: 10.1007 / s11164-013-1514-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, Z., Hu, L., Wu, H., Weng, W., Koh, M., Redfern, P.C, et al. (2013). Фторированные электролиты для литий-ионных аккумуляторов 5 В. Energy Environ. Sci . 6, 1806–1810. DOI: 10.1039 / C3EE24414H

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как работают литий-ионные батареи?

Как работают батареи

Батареи — это устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую.Перезаряжаемые батареи, также известные как аккумуляторы, могут принимать и накапливать электрическую энергию и выделять ее при необходимости. Это означает, что их можно разряжать и снова заряжать обратимым процессом. Одноразовые электрические батареи поставляют электричество Форму энергии, возникающую в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику … к внешней цепи, пока они не разрядятся.

Литий-ионные батареи могут хранить в три-четыре раза больше энергии на единицу массы, чем батареи, использующие другие технологии

Батареи содержат два электрода, погруженные в электролит — проводящую жидкость или твердое тело — и соединенные за пределами электролита проводящим проводом.При разряде отрицательный электрод (анод) высвобождает электроны, которые движутся по проводу и поглощаются положительным электродом (катодом). Это движение электронов создает электрический ток, который затем может быть преобразован в энергию. В физике мощность — это количество энергии, поставляемой системой в единицу времени. Проще говоря, мощность можно рассматривать как выход энергии … двигатель или электронное устройство. Чтобы уравновесить электрон, Материя состоит из атомов. Атом состоит из ядра, состоящего из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральный заряд)… обмена положительные ионы проходят через электролит между двумя электродами. Когда аккумулятор снова заряжается от внешнего источника электричества, этот процесс меняется на противоположный.

Различные типы аккумуляторных батарей В аккумуляторных батареях

используются комбинации материалов, которые могут легко и надолго обмениваться электронами и положительными ионами. В автомобилях с двигателями внутреннего сгорания чаще всего используются свинцово-кислотные аккумуляторы, которые содержат отрицательный электрод из свинца, положительный электрод из оксида свинца и электролит, состоящий из серной кислоты и воды.Другие материалы, используемые в батареях, включают никель, кадмий, натрий и серу ¹ .

Ученые особенно заинтересовались литием для батарей, поскольку это очень легкий металл (третий элемент в периодической таблице после водорода. Самый простой и легкий атом, самый распространенный элемент во Вселенной. и гелий). Атомы лития могут легко высвободить один из своих трех электронов, создавая положительно заряженные ионы Li +. Изначально производители использовали металлический литий для отрицательного электрода, который излучает электроны.Однако они заметили, что повторяющиеся циклы использования и перезарядки изменили металл. Чтобы избежать этого, катоды в настоящее время часто изготавливают из оксида кобальта и небольшого количества лития с графитовым анодом. Электролит состоит из солей лития в растворителе, а это означает, что он содержит очень много ионов лития. Отсюда и название «литий-ионный аккумулятор».

Литий-ионные элементы

Основным компонентом литий-ионной батареи является элемент, который немного похож на слоеное тесто, с алюминиевой пластиной для сбора тока, за которой следуют катод, электролит, анод и, наконец, медная пластина (см. Диаграмму) .

Когда батарея заряжается, ионы лития Li + покидают положительный электрод (катод) и накапливаются в отрицательном электроде (аноде). Когда он разряжается для образования электрического тока, ионы Li + движутся в противоположном направлении ² .

Эти элементы, каждая из которых имеет напряжение в несколько вольт, могут быть сгруппированы вместе в различное количество, в зависимости от емкости, необходимой для питания сотового телефона или автомобильного аккумулятора.

Преимущества и недостатки

Литий-ионные батареи имеют высокую плотность энергии Количество энергии, запасенной в объекте, выраженное в ватт-часах на килограмм (1 Втч / кг = 3.6 кДж / кг) … Это означает, что они могут хранить в три-четыре раза больше энергии на единицу массы, чем батареи, использующие другие технологии. Они быстро заряжаются и могут использоваться снова и снова, выполнив не менее 500 циклов разрядки / зарядки при 100%.

Однако они подвержены риску внезапного возгорания и выделения токсичных газов из-за перегрева электролита выше 100 ° C, известного как тепловой разгон. Это привело к тому, что в последние годы производители отозвали тысячи сотовых телефонов и планшетов.В 2013 году в самолете Boeing 787 после приземления загорелась батарея.

Исследования показали, что перегрев чаще всего вызывается коротким замыканием, вызванным неправильной сборкой или ударами. В результате от производителей теперь требуется строгое соблюдение процессов и установка литий-ионных батарей, которые они производят, с электронной системой управления батареями (BMS), которая отключает питание при обнаружении аномалии.

Кроме того, производители изучают инновационные технологии, которые могут помочь предотвратить перегрев, например твердые электролиты из ультратонких полимерных пленок.

На рынке аккумуляторов доминируют азиатские компании, что можно рассматривать как геополитический риск, учитывая стратегическое значение этого оборудования для мировой экономики. Еще одна проблема — крайне неравномерное распределение ресурсов лития по всему миру, что может привести к экологическим осложнениям при их добыче. См. Отчет по редким металлам.

(1) Сравнение батарей — Lycée Eiffel (на французском языке)

(2) Посмотреть анимацию BASF

Визуализация работы литий-ионной батареи

Исследователи измеряют в реальном времени изменения размера электродов батареи

Джимми О’Ди

По мере того, как ионы лития входят в кремниевый электрод и выходят из него, результирующий рост и усадка кремния измеряется с использованием света, падающего и отраженного от барабана.

Были ли у вас портативные компьютеры, аккумулятор которых со временем разбухал? Не нужно быть специалистом, чтобы сказать вам, что аккумулятор не должен высовываться из корпуса компьютера. Однако понимание того, почему и как литий-ионные батареи меняют размер во время использования, представляет собой проблему для ученых, пытающихся создать батареи с более длительным сроком службы, которые бы работали дольше, чем современные батареи.

Так же, как вода оказывает нежелательное воздействие на трубы, поскольку она расширяется при отрицательных температурах, введение ионов лития может вызвать нежелательные силы в электродах батареи.Эти силы могут измельчить аккумуляторный электрод, что приведет к потере электрического контакта и аккумулятору, который не работает.

Новая методика, разработанная исследователями из Nanostructures for Electrical Energy Storage (NEES), позволяет в реальном времени отслеживать расширение и сжатие батареи и возникающее внутреннее напряжение. По сравнению с аналогичными методами этот метод представляет собой платформу для быстрого изучения и проверки материалов, рассматриваемых для литий-ионных аккумуляторов.

Аккумуляторы нового поколения, содержащие сплавы лития с кремнием, оловом, алюминием и т. Д., поскольку отрицательный электрод или анод может хранить больше заряда для данной массы, чем современные технологии, а это означает, что эти батареи прослужат дольше, чем современные батареи. Обратной стороной этих новых материалов является то, что они значительно расширяются и сжимаются, когда ионы лития вводятся и удаляются соответственно.

В проекте, возглавляемом Резой Годсси из NEES, исследователи разработали основанный на оптике метод обнаружения изменений объема кремниевого анода при входе и выходе ионов лития. Эти изменения в размере связаны с напряжением в активном материале батареи.

Новый метод заключается в формировании батареи под миниатюрным барабаном. Поскольку ионы лития циклически входят в кремниевый анод и выходят из него, результирующее расширение и сжатие кремния измеряется по конструктивным и деструктивным интерференциям света, падающего и отраженного от барабана. Контрольный эксперимент позволил установить корреляцию между прогибом барабана и напряжением в батарее.

Метод оптического отклонения выявляет обратимые и необратимые деформации, связанные с внедрением и извлечением ионов лития из кремниевых анодов.Такое понимание механизмов имеет решающее значение для понимания и сдерживания расширения / сжатия материалов из литиевых сплавов.

Поскольку соединения лития чувствительны к воздуху, предыдущие оптические измерения расширения и сжатия батареи проводились в перчаточном ящике. Однако команда NEES модифицировала корпус стандартной батареи с прозрачным окном, чтобы проводить измерения в условиях окружающей среды на батареях, собранных в перчаточном ящике, что значительно упростило процесс.

В то время как в своей первоначальной работе исследователи сосредоточились на кремниевых анодах, конструкция барабана подходит для изучения других материалов, размер которых изменяется в результате электрохимических процессов.Кроме того, их методика позволяет изготавливать сразу несколько барабанов, что потенциально позволяет проводить комбинаторные исследования материалов батарей.

Об авторе (ах):

• Джимми О’Ди — научный сотрудник Центра энергетических материалов в Корнелле (emc ² ), специализирующийся на сканирующей зондовой микроскопии энергетических материалов. Этой осенью он начнет стипендию Конгресса США по исследованию материалов / Оптического общества науки и техники в Вашингтоне, округ Колумбия.С.

Ученые разрабатывают метод, позволяющий отслеживать набухание, вызванное химическим воздействием, по мере его возникновения

Новый метод позволяет ученым измерять расширение и сжатие внутри литий-ионных батарей, обеспечивая новые идеи для тех, кто разрабатывает накопитель энергии следующего поколения.

Используемые в сотовых телефонах и других устройствах, современные литий-ионные батареи и батареи, предназначенные для их замены, могут выйти из строя из-за набухания электродов батареи.Новое устройство позволяет ученым измерять изменения электродов по мере их возникновения. Внутри устройства под крошечным барабаном из нитрида кремния встроена батарея. Атомы в электроде батареи толкаются и расслабляются относительно более гибкого барабана. Расширение и сжатие барабана измеряется по отражению света от барабана; цифровая камера записывает световые узоры. Анализируя закономерности, ученые измеряют изменения электродов во время работы батареи. Подход команды не ограничивается электродами. Исследователи из Центра наноструктур для электроэнергии, возглавляемого Мэрилендским университетом, выполнили эту работу.

Как работают литий-ионные батареи | HowStuffWorks

Литий-ионные аккумуляторные батареи бывают всех форм и размеров, но все они выглядят примерно одинаково внутри. Если бы вы разобрали аккумуляторную батарею ноутбука (что-то, что мы НЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания аккумулятора и возникновения пожара), вы обнаружите следующее:

• Литий-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими батареями, которые почти идентичны элементам AA, либо они могут быть призматическими , что означает, что они имеют квадратную или прямоугольную форму. Компьютер, который включает:
• Один или несколько датчиков температуры для контроля температуры батареи
• A Схема преобразователя и регулятора напряжения для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
• Экранированный разъем для ноутбука , который позволяет питанию и информации поступать в аккумуляторный блок и из него
• Отвод напряжения , который контролирует энергоемкость отдельные элементы в аккумуляторном блоке
• Монитор состояния заряда аккумулятора , который представляет собой небольшое вычисление r, который выполняет весь процесс зарядки, чтобы аккумуляторы заряжались как можно быстрее и полностью.

Если аккумуляторная батарея становится слишком горячей во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться остыть. Если вы оставите свой ноутбук в очень горячей машине и попытаетесь использовать его, этот компьютер может не дать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы когда-либо полностью разряжаются, аккумуляторная батарея отключится из-за разрушения элементов. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы измеритель заряда батареи ноутбука мог сказать вам, сколько заряда осталось в аккумуляторе.

Это довольно сложный маленький компьютер, питающийся от батарей. Такое энергопотребление является одной из причин, по которой литий-ионные батареи теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц, когда они простаивают.

Литий-ионные элементы

Как и у большинства батарей, внешний корпус сделан из металла. Здесь особенно важно использование металла, потому что аккумулятор находится под давлением. В этом металлическом корпусе есть какое-то чувствительное к давлению вентиляционное отверстие . Если аккумулятор когда-либо станет настолько горячим, что может взорваться от избыточного давления, это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление.Батарея, вероятно, впоследствии станет бесполезной, так что этого следует избегать. Отверстие строго предусмотрено в качестве меры безопасности. То же самое и с переключателем с положительным температурным коэффициентом (PTC) , устройством, которое должно предохранять аккумулятор от перегрева.

Этот металлический корпус содержит длинную спираль, состоящую из трех спрессованных вместе тонких листов:

• A Положительный электрод
• A Отрицательный электрод
• A сепаратор

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит.Эфир — один из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист пластика с микроперфорацией. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через них.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO ₂ . Отрицательный электрод изготовлен из углерода. Когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному и прикрепляются к углю. Во время разряда ионы лития возвращаются в LiCoO ₂ из углерода.

Движение этих ионов лития происходит при достаточно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка производит 3,7 вольт. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычного щелочного элемента AA, который вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные батареи более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. См. Раздел «Как работают батареи» для получения подробной информации о различном химическом составе батарей.

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, и выясним, почему они могут взорваться в следующий раз.

Новый химический состав аккумуляторов обещает более безопасные высоковольтные литий-ионные аккумуляторы — ScienceDaily

Впервые исследователи, изучающие физические и химические свойства аккумуляторов электроэнергии, нашли новый способ улучшения литий-ионных аккумуляторов.Они успешно увеличили не только подачу напряжения литий-ионной батареи, но и ее способность подавлять опасные условия, влияющие на текущий диапазон батарей. Эта улучшенная литий-ионная батарея может сделать возможными более длительные поездки на электромобилях и привести к созданию нового поколения домашних аккумуляторов энергии с улучшенной пожарной безопасностью.

Давайте немного подумаем об аккумуляторах. Они питают практически все устройства, которые не подключены к стене, возможно, даже ваш автомобиль.Однако, несмотря на их полезность, большинство людей обращают на них внимание только тогда, когда у них заканчивается электричество. Но есть проблемы с безопасностью существующих литий-ионных аккумуляторов, которые могут повредить оборудование и, как известно, могут вызвать возгорание. Исследователи из Высшей школы инженерии и Высшей школы наук при Токийском университете придумали способ повышения безопасности и повышения заряда.

«Напряжение батареи ограничено материалом электролита. Растворитель электролита в литий-ионных батареях такой же, как и во время коммерциализации батарей в начале 1990-х», — сказал профессор Атсуо Ямада.«Мы думали, что есть возможности для улучшения, и мы это нашли. Наш новый электролит на основе фторированного циклического фосфатного растворителя (TFEP) значительно улучшает существующий этиленкарбонат (EC), который сегодня широко используется в аккумуляторах».

EC, как известно, легко воспламеняется и нестабилен при напряжении выше 4,3 вольт; TFEP, с другой стороны, негорючий и может выдерживать более высокие напряжения до 4,9 вольт. Это дополнительное напряжение в корпусе идентичного размера может означать, что батареи могут прослужить дольше, прежде чем им понадобится еще один заряд.По мере распространения электромобилей на литий-ионных двигателях этот дополнительный запас хода и безопасность, несомненно, окажутся чрезвычайно полезными.

«Мы гордимся этой разработкой, и ее эффективность стала немного неожиданностью.