Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Речь пойдет именно о литий-ионных аккумуляторах, поскольку в большинстве современных мобильных гаджетов: в планшетах, в ноутбуках, в смартфонах и т. д. — установлены именно литиевые аккумуляторы. И если раньше можно было часто встретить никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые, то сегодня массово применяются литиевые.

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало, что и будет раскрыто далее по тексту. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литиевый аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус. Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий-ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий-ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен.

Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам.

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно — повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

5. Иметь резервный аккумулятор.

Ранее ЭлектроВести писали, что ученые представили новый катодный материал для металл-ионных батарей. Об этом говорится в работе исследователей из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха.

По материалам: electrik.info.

Литий-ионные аккумуляторные батареи – Особенности интерфейса и менеджмента ЛИАБ – ПАО Сатурн

Обеспечение надежности и безопасности ЛИАБ

Защита от перезаряда и переразряда внешне обеспечивается электронным устройством, абсолютно надежным в управлении.

Внутреннее КЗ предотвращается конструктивно: обертыванием (пакетированием) электродов сепараторами и тем, что при этом между электродами находится трехслойный сепаратор, который при достижении критической температуры теряет пористость (заплавляется) и останавливает электрохимический процесс.

Исключение из цепи отказавших или аномально деградировавших аккумуляторов выполняется применением байпасных переключателей.

Основные требования, которые предъявляются к байпасному переключателю для литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата, это надежность, минимальные энергетические потери, минимальная масса, сохранение неразрывности цепи ЛИАБ при переключении и механическая и радиационная стойкость.

Схема подключения байпасного переключателя и временная диаграмма работы переключателя обеспечивает сохранение неразрывности при переключении цепи соединения аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Таким образом, отказ любого элемента не приводит к отказу ЛИАБ. Надежность ЛИАБ обеспечивается также всеобъемлющей квалификацией (в том числе ресурсными испытаниями) и тщательным контролем при изготовлении.

La crosse technology

Литий-ионные аккумуляторы вошли в нашу жизнь вместе с сотовыми телефонами и мобильными устройствами. В быту для других автономных устройств до последнего времени литий-ионные аккумуляторы практически не использовались, основной источник питания таких устройств – никель-металлгидридные аккумуляторы привычных для нас размеров ААА, АА, С, D.

Сейчас их постепенно стали вытеснять аккумуляторы на основе лития, так как их преимущества в работе стали неоспоримы.

• Очень низкий саморазряд. Потери энергии минимальны при правильной эксплуатации.
• Высокая плотность энергии, соответственно более большая энергоемкость без увеличения размеров по сравнению с аналогичными никелевыми аккумуляторами.
• Более высокое напряжение на выходе. В сравнении, минимальное для литиевых 3,6 Вольт при стандартном никелеевом 1,2 Вольт по тому же типоразмеру.
• Уменьшении массы аккумулятора при сохранении габаритов.
• Увеличенное количество циклов разряда-заряда при сохранении работоспособности.
• Незначительное уменьшение работоспособности при потере энергоемкости после многочисленных циклов разряда-заряда.

Учитывая эти преимущества, все большее число профессиональных пользователей переводит свои автономные приборы на цилиндрические литий-ионные аккумуляторы и сборки из них. При этом не все знают, как правильно пользоваться, обслуживать, хранить новые источники питания. А также подобрать их по размеру и токовым параметрам.

Обозначение размеров цилиндрических литий-ионных аккумуляторов отличается от привычных для всех никелевых – он цифровой, например, 14500 или 18650. Такое кодирование непривычно, но при этом удобно для подбора необходимого аккумулятора по размеру слота электронного устройства. Первые две цифры кода обозначают диаметр аккумулятора в миллиметрах, вторые – его высоту. Например, типоразмер 18650: 18мм диаметр, 65мм высота.

Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов и сборок

Литий-ионные аккумуляторы одновременно надежны и капризны, что на первый взгляд кажется парадоксом. Они прихотливы в хранении, обслуживании и эксплуатации. При нарушении условий использования очень быстро выходят из строя. Но при соблюдении всех правил служат долго с высокой производительностью.

Основные ограничения:

• Минимальное напряжение для литий-ионных аккумуляторов не должно быть меньше 2,2-2,5 Вольт.
• Максимальное напряжение для литий-ионных аккумуляторов не должно быть больше 4,25-4,35 Вольт.
• Литий-ионные аккумуляторы неплохо работают при минусовой температуре, но при этом заряжать их на холоде нельзя, тем более если температура ниже нуля градусов.
• Ток заряда литий-ионных аккумуляторов должен быть не выше половины их емкости. Например, для аккумулятора 2000мАч максимальный ток заряда должен быть 900-1000 мА.
• Ток разряда (рабочий) не должен быть выше 2-кратного значения емкости аккумулятора. Например, для аккумулятора емкостью 2000мАч максимальный ток разряда 4000мА.
• Исключения составляют высокомощные литий-ионные аккумуляторы, ток разряда которых может превышать их энергоемкость в 5-10 раз. Такие аккумуляторы маркируются соответствующей надписью.

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы часто используются для больших батарейных сборок. Аккумуляторные сборки обладают более высокой мощностью и длительным сроком одного цикла работы. Такие аккумуляторные сборки используются в высокомощных устройствах. Вот так выглядит литий-ионная аккумуляторная батарея мощного шуруповерта или дрели.

При самостоятельной сборке аккумуляторной батареи следует помнить, что литий-ионные аккумуляторы не терпят перегрева, поэтому ПАЯТЬ их НЕЛЬЗЯ! Такая аккумуляторная сборка работать не будет, так как с уверенностью можно сказать, что пайка контактов вывела аккумуляторы из строя.

При сборке аккумуляторной батареи применяется специальная сварочная лента и контактная сварка.

Для безопасной работы батареи необходим контроллер заряда-разряда.

При сборке аккумуляторных батарей используются только незащищенные литий-ионные аккумуляторы! Используя их можно собрать большой очень энергоемкий аккумулятор (аккумуляторную батарею), которая может использоваться в мощных электроприборах, служить дополнительным источник питания.

Такие батареи стоят в электродрелях, шуруповертах, прожекторах, фото- и видеотехнике, ноутбуках, мониторах и т.д. с обязательным дополнением защиты от перенапряжения, перегрева и короткого замыкания в виде платы контроллера.

Защищенные или незащищенные литий-ионные аккумуляторы

В чем отличия и какой выбрать? – главный вопрос волнующий обычного пользователя. Ответ находится в названии: защищенные имеют собственную плату защиты от перегрева и перенапряжения и не нуждаются в дополнительном контроллере заряда-разряда.

Если вы хотите собрать собственную батарею из литий-ионных аккумуляторов или заменить аккумулятор в готовой батарее электроустройства (например, шуруповерта), вам необходим незащищенный литий-ионный аккумулятор.

В остальных случаях — при замене оригинальных аккумуляторов приборов или переводе их с никель-металлгидридных на литиевые – необходимо купить защищенный литий-ионный аккумулятор.

Если вскрыть оболочку защищенного литий-ионного аккумулятора, то под ней найдем обычный незащищенный с теми же параметрами, что указаны на внешней оболочке.

Главное отличие защищенного аккумулятора от незащищенного – приваренная к одному из контактов электронная плата защиты.

Плата защиты при помощи сварочной ленты приваривается к одному из контактов не защищенного литий-ионного аккумулятора.

Затем все упаковывается в пленку с маркировкой производителя защищенных аккумуляторов. Добросовестные производители, указывают на внешней упаковке производителя используемого незащищенного аккумулятора и параметры в соответствии с маркировкой незащищенного аккумулятора.

При выборе защищенного аккумулятора для своего устройства следует учитывать один очень важный момент. Из-за приваренной платы защиты и упаковки в пленку размер аккумулятора становится чуть больше заявленного, изначального размера незащищенного аккумулятора.

Высота увеличивается на 3-5мм.

Диаметр становится больше примерно на 0,5 мм.

При выборе защищенного аккумулятора необходимо поинтересоваться изготовителем незащищенного. К сожалению, не все производители указывают его на упаковке, хотя нередко используют незащищенные аккумуляторы не собственного производства. К примеру, приваривают защиту и упаковывают незащищенные аккумуляторы известных брендов Panasonic, Sony, Samsung и других. Не следует покупать защищенные аккумуляторы, если на них не указаны все параметры «начинки»: энергоемкость, напряжение, плата защиты. Стоит проверить защищенные аккумуляторы на ощупь – не смещается ли при нажатии плата защиты на плюсовом контакте, она обязательно должна быть приварена.

Заряжать цилиндрические литий-ионные аккумуляторы можно только специальными зарядными устройствами. В связи с популяризацией литий-ионных аккумуляторов ассортимент зарядных устройств для Li-Ion растет. При выборе зарядного устройства необходимо обратить внимание на его параметры заряда-разряда, размер слотов и соотнести их с используемыми литий-ионными аккумуляторами для правильной эксплуатации и сохранения работоспособности.

Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах

Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т.д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.

Перейти на страницу товара: Li-Ion тяговая батарея→

---

Миф первый

Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться

Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.

В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.

Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.

Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.

А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.

---

Миф второй

Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно

Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.

Перечислим пять самых критичных:

• Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
• Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
• В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
• В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
• В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.

Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.

Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.

---

Миф третий

Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам

Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.

Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.

Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.

---

Миф четвёртый

Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает

На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.

Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.

Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.

---

Миф пятый

Литий-ионные батареи слишком дорогие.

Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют

Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.

Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.

Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.

Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.

---

Подведем итог:

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.

При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.

Перейти на страницу товара: Li-Ion тяговая батарея→

Литий-ионные технологии продления срока службы

Литий-ионные аккумуляторные батареи радикально меняют рынок промышленных электрических погрузчиков. И неудивительно: по своим выдающимся характеристикам и потрясающей добавленной ценности мощные энергоносители существенно превосходят обычные свинцово-кислотные АКБ. Благодаря продолжительной работе литий-ионные аккумуляторные батареи помогут вам опередить конкурентов, повышая эффективность складских операций и обработки товаров. Боле того, небольшое время зарядки и отсутствие необходимости в обслуживании гарантируют непрерывность работы. Обладая длительным сроком службы, литий-ионные батареи обеспечат вам максимум преимуществ. На литий-ионные батареи собственного производства компания Jungheinrich дает 5 лет гарантии при 10000 часов эксплуатации. Это лучшее предложение на рынке. Литий-ионные аккумуляторы Jungheinrich — залог успеха в Вашей конкурентной борьбе.
 

5 лет без забот. Гарантировано.

Давая 5 лет гарантии на литий-ионные аккумуляторы, мы подтверждаем их долгую безукоризненную работу независимо от часов эксплуатации.

Встроенный контент требует вашего подтверждения

К сожалению, содержимое этой страницы недоступно из-за ваших текущих настроек cookie.

Пожалуйста, разрешите «маркетинговые» cookie для отображения контента.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Высокая мощность, быстрая зарядка, отсутствие потребности в обслуживании и долговечность — узнайте, как литий-ионные АКБ помогут Вам быть впереди конкурентов.

Подробно

Быстрый возврат к работе.

Невероятно быстрая зарядка.

Литий-ионные аккумуляторы всегда заряжены и готовы к работе даже в несколько смен. Промежуточный заряд длительностью всего 30 минут обеспечит батарее на 24 В заряд до 50 % емкости. Чтобы зарядить наполовину аккумулятор на 80 В, достаточно всего 53 минут. Полная зарядка батареи на 24 В занимает 80 минут, а на 80 В — 105 минут. Технологии ускоренного и промежуточного заряда, например, в перерывах и во время спонтанных пауз, гарантируют непрерывную готовность техники, что повышает гибкость ежедневных складских операций.  

Максимальная мощность в любое время.

Неизменно высокие рабочие характеристики.

Литий-ионные АКБ обладают более высокой производительностью по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Более глубокий разряд и постоянные характеристики напряжения гарантируют, что даже при низком заряде литий-ионная АКБ может выдать больше мощности, чем свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. При каждом торможении батарея набирает заряд, а высокая общая эффективность позволяет аккумулировать до 20 % больше энергии. Кроме того, обмен данными между батареей и зарядным устройством гарантирует эффективную и быструю зарядку.

Всегда готовы к работе.

Без вынужденных простоев.

Литий-ионные аккумуляторы всегда готовы к работе. Им не нужен отдых. Они не требуют обслуживания и не выделяют вредных газов. Это значит, что Вам не придется тратить время и деньги на обслуживание аккумуляторных батарей или дополнительную инфраструктуру. С литий-ионными аккумуляторными батареями вынужденные простои останутся в прошлом.

Работают в три раза дольше.

Благодаря продолжительному сроку службы.

Подобно хорошему спринтеру, литий-ионные АКБ эффективны на любом этапе соревнований. Потому что они работают в три раза дольше, чем традиционные аккумуляторы. Выдающаяся выносливость и более высокая общая эффективность защитят Ваши инвестиции за счет сокращения расходов на электроэнергию.

Д-р Ларс Бржоска (Lars Brzoska)

Председатель Совета директоров

«На сегодняшний день большинство используемой в мире подъемно-погрузочной техники с литий-ионными аккумуляторами выпущены под маркой Jungheinrich». 

Максимальный результат с лучшей командой.

Идеально синхронизированная система.

Чтобы спортсмен мирового класса выложился на полную, ему нужна надежная команда. То же самое относится и к литий-ионным АКБ. Полного раскрытия потенциала можно добиться лишь в том случае, если все элементы системы работают согласованно. Компания Jungheinrich — единственный производитель складской техники, который предлагает Вам комплексную взаимосвязанную систему, в которой АКБ, зарядное устройство и погрузчик эффективно взаимодействуют друг с другом, значительно снижая потребности в электроэнергии. Подобный уровень эффективности стал закономерным следствием того, что на сегодняшний день Jungheinrich — единственная в мире компания, занимающаяся разработкой и вводом в эксплуатацию электрических погрузчиков с литий-ионными аккумуляторами собственного производства. Суть нашей командной работы заключается в том, что мы всегда готовы оказать поддержку на каждом этапе Вашего проекта, в котором используются литий-ионные АКБ. Вне зависимости от того, что требуется в данный момент: заменить АКБ на одной машине или перевести на литий-ионные АКБ целый парк техники. Наши консультанты будут рады помочь Вам на любом этапе процесса: от планирования до введения в эксплуатацию.

Обратитесь к нам уже сегодня!

Идеальная согласованность на пути к успеху.

Комплексная система Jungheinrich.
У Jungheinrich есть все, что связано с литий-ионными АКБ:
аккумуляторы (1), зарядные устройства (2), техника (3) и поддержка (4).

Аренда вместо покупки.

Переоснастите Ваш парк погрузочной техники и воспользуйтесь преимуществами литий-ионных АКБ и зарядных устройств в рамках комплексной программы аренды Li-Ion Performance Rental. Это позволит снизить затраты и одновременно быстро и легко повысить производительность Ваших электроштабелеров.

Подробнее о программе аренды литий-ионных аккумуляторов

Универсальное зарядное устройство SLH 300 позволяет легко заряжать литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы.

Новатор в сфере технологий литий-ионных АКБ.

Серийное производство готовой к эксплуатации подъемно-погрузочной техники с 2011 года.

В сфере электрической мобильности для складской логистики компания Jungheinrich уверенно завоевала лидерство и добилась непревзойденных успехов в разработке технологий для литий-ионных АКБ. Уже в 2011 году электротележка EJE 112i стала первой в своем роде моделью на литий-ионных батареях, готовой к серийному производству. С тех пор подразделение Jungheinrich Energy and Drive Systems (EDS) последовательно совершенствует эту технологию, непрерывно пополняя линейку складской техники с литий-ионными АКБ. Сегодня практически все модели техники Jungheinrich могут оснащаться литий-ионными АКБ.

Встроенный контент требует вашего подтверждения

К сожалению, содержимое этой страницы недоступно из-за ваших текущих настроек cookie.

Пожалуйста, разрешите «маркетинговые» cookie для отображения контента.

Безопасность при достижении целей — в любое время.

Литий-ионные АКБ Jungheinrich отличаются высоким уровнем безопасности.

Литий-ионные аккумуляторы Jungheinrich гарантируют безопасность работ в любых условиях. Наши АКБ изготовлены с использованием самых надежных компонентов для аккумуляторов (литий-железо-фосфат). Они нетоксичны и не выделяют вредных газов. Благодаря развитому набору функций разработанная нами система управления АКБ контролирует каждый элемент, плавно выключая АКБ при отклонениях в работе. Транспортировку и утилизацию осуществляет наша собственная сервисная служба. Это означает максимальную безопасность людей и техники.

Новый выносливый профессионал для повышения скорости обработки грузов.

ETV 216i — первый в мире штабелер с выдвижной мачтой, оборудованный литий-ионным аккумулятором.
ETV 216i — наша последняя новинка в линейке техники, оснащенной литий-ионной АКБ. Это первый в мире штабелер с выдвижной мачтой и встроенным литий-ионным аккумулятором. Благодаря высокой мощности и неизменной производительности этот выносливый профессионал заметно повысит эффективность и грузооборот Вашего склада. Революционное обновление дизайна также способствует улучшению эргономики и повышению безопасности при одновременном повышении производительности Вашего склада.

Подробнее о ETV216i

Молодой спортсмен в слаженной команде.

EFG с литий-ионным аккумулятором.
Теперь почти весь парк техники Jungheinrich готов к установке литий-ионных АКБ. В том числе наши штабелеры с противовесом EFG. Теперь они выходят на старт не только с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, но и с мощными литий-ионными АКБ 80 В (500 Ач). Они долговечны, быстро заряжаются и не требуют технического обслуживания. С литий-ионным аккумулятором EFG легко справится с увеличением грузооборота и повышением энергоэффективности.

Подробнее о EFG

Максимальная производительность комплектования.

EKS с литий-ионным аккумулятором (48 В).

Все больше единиц серийной напольной подъемно-погрузочной техники оборудуется литий-ионными АКБ. Теперь вертикальные комплектовщики заказов EKS серии 3 могут оборудоваться инновационными литий-ионными АКБ 48 В, позволяющими повысить производительность, безопасность и энергоэффективность техники. Это стало возможным благодаря быстрой зарядке, отсутствию необходимости в обслуживании и очень длительному сроку службы.

Подробнее о EKS

Как увеличить пропускную способность склада?

На старт с литий-ионными аккумуляторами.

Чем Li-ion аккумуляторы отличаются от гелевых?

Аккумулятор (химический источник тока) является настоящим прорывом не только для всех видов промышленности, но и для повседневной жизни. Поэтому с каждым годом выпускаются все новые и новые виды аккумуляторов из разных веществ.

Особенно вопрос выбора актуален, когда речь идет о тяговых аккумуляторах для погрузочной (электроштабелеры, электропогрузчики, ричтраки) и поломоечной техники. Так как в этом случае речь идет не только о непрекращающемся процессе работы, но и о безопасности сотрудников.

Какой же аккумулятор лучше – гелевый или литий-ионный? Давайте разбираться.

1. Срок службы

Некоторые литий-ионные аккумуляторы имеют срок службы до 10 лет, в то время как гелевые работают в среднем около 3 лет.

2. Стоимость

Литий-ионные аккумуляторы значительно дороже гелевых и любых других батарей, имеющихся на рынке. Однако, можно сказать, что это практически единственный существенный его недостаток.

3. Максимальное количество зарядов

В этом аспекте литий-ионные батареи заметно выигрывают, так как количество циклов заряда-разряда ровно 3000, к сожалению, гелевые аккумуляторы сработают всего на 800 циклов при глубине заряда равной 80%.

При этом у li-on аккумуляторов отсутствует «эффект памяти», то есть нет необходимости полностью разряжать, а потом заряжать аккумулятор перед работой.

После разряда гелевые аккумуляторы необходимо полностью зарядить, чтобы они прослужили весь заявленный срок гарантии.

4. Безопасность и экологичность

Литиевые аккумуляторы абсолютно безопасны, так как не выделяют никаких вредных веществ в окружающую среду. Более того, их легко утилизировать, благодаря встроенной электронной защите, которая блокируется в экстренных ситуациях.

Гелевые аккумуляторы, в свою очередь, содержат вещество «силикагель». Оно представляет собой твердое вещество с множеством микропор, где и находится электролит.. Он является неопасным, но токсичным веществом.

5. Температура

Li-on аккумуляторы способны работать при температуре от 0 до +40 градусов, при этом гелевые батареи могут выполнять свои функции даже при отрицательных значениях.

6. Вес и размер

Еще одно преимущество литий-ионных аккумуляторов в том, что их вес практически в 3 раза меньше, чем у гелевых батарей.

7. Стоимость обслуживания

Стоимость обслуживания гелевого аккумулятора достаточно высока, тогда как литий-ионного практически равна нулю.

По многим показателям литий-ионные аккумуляторы выглядят лучше: их срок службы больше, чем у гелевых батарей, а количество циклов заряда-разряда намного превышает всех конкурентов-аналогов. Единственный аспект, который может заставить обратить внимание на гелевые аккумуляторы – это их стоимость. Они намного дешевле, чем литий-ионные представители. 

Литий ионный аккумулятор на морозе, чего боятся литиевые аккумуляторы

Автор: Voltmarket

Время прочтения: 5 мин

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы стали наиболее распространенными на данный момент. Одной из немногих сфер, где литиевые АКБ не прижились — это транспорт с двигателем внутреннего сгорания, где батарея используется лишь для зажигания и питания основных узлов.

С популяризацией электротранспорта потребность в литиевых аккумуляторных батареях выросла еще сильнее. Под электротранспортом понимаются не только электрокары, но и электровелосипеды, электросамокаты и прочая техника, приводимая в движение при помощи электродвигателя.

Из-за того, что li-ion АКБ используются практически везде, пользователи часто интересуются, чего боятся литий-ионные аккумуляторы. Это полезно знать, особенно если эксплуатируется дорогостоящая сборка из большого количества элементов, которую не хочется менять почти каждый год.

Чего боятся Li-ion аккумуляторы

Каждый тип аккумулятора имеет определенные требования по эксплуатации, которым следует соответствовать для достижения максимально длительного срока службы, близкого к заявленному. Обычно эти требования одинаковы, отличаясь лишь конкретными цифрами. Среди них можно выделить следующие:

• Ток заряда и разряда. Каждая АКБ имеет максимально допустимый ток заряда и разряда. Для многих литий-ионных аккумуляторов это не очень актуально из-за наличия BMS контроллера, управляющего всеми процессами и защищающего от неправильной эксплуатации;
• Уровень заряда. Любой аккумулятор можно испортить, разрядив его “в ноль” и оставив в таком состоянии на хранение. АКБ всегда должна быть заряжена. Оптимальный для хранения уровень заряда обычно составляет порядка 60%. На 100% разрядить литиевую АКБ также не получится из-за контроллера BMS, но от саморазряда при хранении ничего не защитит;
• Температурный режим. Как хранение, так и эксплуатация должны происходить при подходящей для конкретного типа АКБ температуре. В большинстве случаев АКБ эксплуатируется в помещении, либо есть возможность его туда переместить, поэтому литиевые аккумуляторы на морозе эксплуатируются нечасто. Так было раньше до популяризации электротранспорта. Сейчас работа литий-ионных и полимерных АКБ в мороз волнует пользователей куда больше.

Что происходит с Li-ion аккумулятором на морозе

Несмотря на то, что проблема эксплуатации li-ion батарей при отрицательных температурах стала острой относительно недавно, в некоторых сферах она была актуальна уже много лет назад.

Многие, наверное, помнят ситуации, когда смартфон (обычно это касалось уже устаревших поколений iPhone) отключался после длительного нахождения на открытом воздухе в минусовую температуру. Это связано с тем, что литий-ионный аккумулятор на морозе сильно теряет в токоотдаче и уровне заряда.

А теперь представьте, что речь идет не о смартфоне, а, скажем, об электровелосипеде. Да, многие разумно предпочитают подождать до весны, однако любителей зимних велопрогулок быстрая потеря заряда может застать врасплох. С электрокарами ситуация аналогичная. Суть проблемы заключается в том, что многие химические реакции замедляются при низких температурах, а литий-ионный аккумулятор — это как раз химический источник питания. Соответственно, в мороз аккумулятор рискует глубоко разрядиться даже находясь в состоянии простоя. Это стоит учитывать и вовремя заряжать АКБ. Обращаем внимание, что заряжать аккумулятор сразу после мороза не рекомендуется. Он должен естественным образом согреться перед началом процесса.

Если не усмотреть за литий-ионным аккумулятором и допустить саморазряд до критически низких напряжений (ниже 2,5В на элемент), то спустя некоторое время хранения аккумулятор может выйти из строя без возможности восстановления. В рамках, скажем, одного элемента типоразмера 18650 это не кажется проблемой, однако если речь идет о десятках или даже тысячах (в автомобилях Tesla установлено более 7 тысяч ячеек 18650 от Panasonic), потери будут значительными. Поэтому внимательно следите за состоянием аккумулятора и поддерживайте стабильно средне-высокий уровень заряда для его хранения.

Как решить проблему эксплуатации литиевого аккумулятора на морозе

Если избежать эксплуатации литиевой аккумуляторной батареи на морозе не получится, есть пара способов немного облегчить ситуацию.

Очевидным решением является утепление аккумулятора. В роли утеплителя может быть любой теплоизоляционный материал вплоть до пенопласта. Главное, чтобы пространство позволяло. Благодаря изоляции тепло, вырабатываемое аккумуляторами в процессе эксплуатации, будет поддерживать приемлемую температуру. Во время простоя это тепло поможет некоторое время согревать батарею. Таким образом, как минимум процесс эксплуатации и непродолжительный простой будут происходить в более-менее приемлемых условиях.

Второй вариант решения проблемы более радикальный. Он заключается в том, чтобы подобрать другой тип литиевых аккумуляторов, который лучше переносит эксплуатацию при низкой температуре окружающей среды. К таким типам относятся литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Они прекрасно работают даже при температурах -20°C, однако отличаются не самым стандартным напряжением одного элемента. Еще одним крайне перспективным типом литиевых АКБ для электротранспорта являются литий-титанатные аккумуляторы. Они предлагают не только уверенную работу в мороз, но и длительный срок службы (срок службы некоторых моделей может превышать период эксплуатации самого электротранспорта), а также возможность быстрой зарядки. Для литий-титанатной батареи зарядка за 5-10 минут — стандартное явление.

Преимущества и ограничения литий-ионной батареи

В течение многих лет никель-кадмиевый аккумулятор был единственным подходящим аккумулятором для портативного оборудования от беспроводной связи до мобильных компьютеров. В начале 1990-х появились металлогидридные никель-металлогидридные и литий-ионные продукты, ведущие борьбу за признание потребителей. Сегодня литий-ионные аккумуляторы являются наиболее быстрорастущими и многообещающими.

Литий-ионный аккумулятор

Пионерские работы с литиевой батареей начались в 1912 году при Г.Н. Льюис, но только в начале 1970-х годов, когда в продажу поступили первые неперезаряжаемые литиевые батареи. литий — самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию для веса.

Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи потерпели неудачу из-за проблем с безопасностью. Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно во время зарядки, исследования были перенесены на неметаллическую литиевую батарею с использованием ионов лития.Хотя литий-ионный аккумулятор немного ниже по плотности энергии, чем металлический литий, он безопасен при соблюдении определенных мер предосторожности при зарядке и разрядке. В 1991 году корпорация Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор. Другие производители последовали их примеру.

Плотность энергии литий-иона обычно вдвое выше, чем у стандартного никель-кадмиевого сплава. Есть потенциал для более высоких плотностей энергии. Нагрузочные характеристики достаточно хорошие и с точки зрения разряда ведут себя аналогично никель-кадмиевым.Высокое напряжение ячеек 3,6 В позволяет создавать аккумуляторные батареи только с одним элементом. Большинство современных мобильных телефонов работают на одной соте. Для блока на основе никеля потребуются три последовательно соединенных элемента на 1,2 В.

Литий-ионный аккумулятор не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химических предприятий. Память отсутствует, и для продления срока службы батареи не требуется регулярных циклов. Кроме того, саморазряд меньше чем наполовину по сравнению с никель-кадмиевым, что делает литий-ионные аккумуляторы хорошо подходящими для современных датчиков уровня топлива. литий-ионные элементы при утилизации не причиняют особого вреда.

Несмотря на общие преимущества, литий-ионный имеет свои недостатки. Он хрупок и требует схемы защиты для обеспечения безопасной работы. Встроенная в каждую батарею схема защиты ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки и предотвращает слишком низкое падение напряжения ячейки при разряде. Кроме того, контролируется температура ячейки, чтобы предотвратить скачки температуры. Максимальный ток заряда и разряда на большинстве блоков ограничен от 1С до 2С.При соблюдении этих мер предосторожности возможность появления металлического литиевого покрытия из-за перезарядки практически исключается.

Старение является проблемой для большинства литий-ионных аккумуляторов, и многие производители умалчивают об этой проблеме. Некоторое ухудшение емкости заметно через год, независимо от того, используется аккумулятор или нет. Батарея часто выходит из строя через два-три года. Следует отметить, что другие химические вещества также обладают возрастными дегенеративными эффектами. Это особенно верно для никель-металлогидрида при воздействии высоких температур окружающей среды. В то же время известно, что литий-ионные батареи в некоторых случаях служат пять лет.

Производители постоянно совершенствуют литий-ионные. Новые и улучшенные химические комбинации вводятся каждые шесть месяцев или около того. При таком быстром прогрессе трудно оценить, насколько долго обновленная батарея устареет.

Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных (и других химических веществ).Производители рекомендуют хранить при температуре 15 ° C (59 ° F). Кроме того, во время хранения аккумулятор должен быть частично заряжен. Производитель рекомендует заряд 40%.

Самый экономичный литий-ионный аккумулятор с точки зрения затрат и энергии — это цилиндрический 18650 (размер 18 мм x 65,2 мм). Эта ячейка используется для мобильных вычислений и других приложений, не требующих ультратонкой геометрии. Если требуется тонкий корпус, лучшим выбором будет призматический литий-ионный элемент. Эти клетки имеют более высокую стоимость с точки зрения накопленной энергии.

Преимущества

• Высокая плотность энергии — потенциал для еще большей мощности.
  
• Новый не требует длительного грунтования. Достаточно одной регулярной зарядки.
  
• Относительно низкий саморазряд — саморазряд вдвое меньше, чем у никелевых аккумуляторов.
  
• Низкие эксплуатационные расходы — периодическая разрядка не требуется; нет памяти.
  
• Специальные элементы могут обеспечивать очень высокий ток для таких приложений, как электроинструменты.

Ограничения

• Требуется схема защиты для поддержания напряжения и тока в безопасных пределах.
  
• Подвержены старению, даже если они не используются — хранение в прохладном месте при 40% -ном заряде снижает эффект старения.
  
• Ограничения на транспортировку — отправка больших объемов может подлежать регулирующему контролю.Это ограничение не распространяется на ручные аккумуляторные батареи.
  
• Дорого в производстве — примерно на 40 процентов дороже, чем никель-кадмиевые.
  
• Не до конца зрелые — металлы и химия постоянно меняются.

Литий-полимерный аккумулятор

Литий-полимерный отличается от обычных аккумуляторных систем типом используемого электролита. В оригинальной конструкции 1970-х годов используется сухой твердый полимерный электролит.Этот электролит напоминает пластиковую пленку, которая не проводит электричество, но позволяет обмениваться ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Конструкция из сухого полимера предлагает упрощения в отношении изготовления, прочности, безопасности и геометрии тонкого профиля. При толщине ячеек всего один миллиметр (0,039 дюйма) конструкторы оборудования предоставлены самому себе в плане формы, формы и размера.

К сожалению, сухой литий-полимер имеет плохую проводимость. Внутреннее сопротивление слишком велико и не может обеспечить всплески тока, необходимые для питания современных устройств связи и раскрутки жестких дисков мобильного вычислительного оборудования. Нагревание ячейки до 60 ° C (140 ° F) и выше увеличивает проводимость, что не подходит для портативных приложений.

Для компромисса было добавлено немного гелеобразного электролита. В коммерческих элементах используется сепаратор / электролитная мембрана, изготовленная из того же традиционного пористого полиэтилена или полипропиленового сепаратора, наполненного полимером, который загустевает при заполнении жидким электролитом.Таким образом, коммерческие литий-ионные полимерные элементы очень похожи по химическому составу и материалам на их аналоги с жидким электролитом.

Литий-ионный полимер не прижился так быстро, как ожидали некоторые аналитики. Его превосходство над другими системами и низкие производственные затраты не были реализованы. Никаких улучшений в увеличении емкости не достигается — фактически, емкость немного меньше, чем у стандартной литий-ионной батареи. Литий-ионный полимер находит свою рыночную нишу в изделиях с тонкой пластиной, таких как батареи для кредитных карт и другие подобные приложения.

Преимущества

• Очень низкий профиль — возможны батареи, напоминающие профиль кредитной карты.
• Гибкий форм-фактор — производители не ограничиваются стандартными форматами ячеек. При большом объеме можно экономично произвести любой разумный размер.
• Легкие гелеобразные электролиты позволяют упростить упаковку за счет отсутствия металлической оболочки.
• Повышенная безопасность — более устойчивая к перезарядке; меньше шансов на утечку электролита.

Ограничения

• Более низкая плотность энергии и меньшее количество циклов по сравнению с литий-ионным.
• Дорого в производстве.
• Стандартных размеров нет. Большинство ячеек производится для массовых потребительских рынков.
• Более высокое соотношение стоимости и энергии, чем у литий-ионного

Ограничения по содержанию лития для авиаперевозок

Авиарейсеры задают вопрос: «Сколько лития в батарее мне разрешено брать с собой на борт?» Мы различаем два типа аккумуляторов: литий-металлические и литий-ионные.
Большинство литий-металлических батарей не подлежат перезарядке и используются в пленочных фотоаппаратах. Литий-ионные аккумуляторы предназначены для зарядки ноутбуков, сотовых телефонов и видеокамер. Батареи обоих типов, включая запасные, разрешены в ручной клади, но не должны превышать следующего содержания лития:
— 2 грамма для литий-металлических или литиевых батарей
— 8 граммов для литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи весом более 8 граммов, но не более 25 граммов могут перевозиться в ручной клади, если они имеют индивидуальную защиту от короткого замыкания и ограничены двумя запасными батареями на человека.

Как узнать содержание лития в литий-ионной батарее? С теоретической точки зрения металлический литий в типичной литий-ионной батарее отсутствует. Однако необходимо учитывать эквивалентное содержание лития. Для литий-ионного элемента это рассчитывается как 0,3 номинальной емкости (в ампер-часах).

Пример: Литий-ионный аккумулятор емкостью 2 Ач 18650 содержит 0,6 грамма лития. На типичном аккумуляторе 60 Вт · ч для ноутбука с 8 ячейками (4 последовательно и 2 параллельно) это в сумме дает 4.8г. Максимальный аккумулятор, который вы можете взять с собой, составляет 96 Втч, чтобы не превышать 8-граммовый предел ООН. Этот пакет может включать ячейки 2,2 Ач в структуре из 12 ячеек (4s3p). Если бы вместо этого использовалась ячейка 2,4 Ач, батарею нужно было бы ограничить до 9 ячеек (3s3p).

Ограничения на отгрузку литий-ионных аккумуляторов

• Любой, кто отправляет литий-ионные аккумуляторы оптом, несет ответственность за соблюдение правил перевозки. Это касается внутренних и международных перевозок по суше, морю и воздуху.
  
• Литий-ионные элементы, эквивалентное содержание лития которых превышает 1,5 грамма или 8 граммов на аккумуляторную батарею, должны транспортироваться как «прочие опасные материалы класса 9». Емкость элементов и количество элементов в упаковке определяют содержание лития.
  
• Исключение составляют упаковки, содержащие менее 8 граммов лития. Однако, если посылка содержит более 24 литиевых элементов или 12 литий-ионных аккумуляторных батарей, потребуются специальная маркировка и отгрузочные документы.На каждой упаковке должно быть указано, что она содержит литиевые батареи.
  
• Все литий-ионные батареи должны быть испытаны в соответствии со спецификациями, подробно изложенными в UN 3090, независимо от содержания лития (Руководство ООН по испытаниям и критериям, часть III, подраздел 38.3). Эта мера предосторожности защищает от перевозки неисправных батарей.
  
• Элементы и батареи должны быть разделены для предотвращения короткого замыкания и упакованы в прочные коробки.

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта.Battery University следит за комментариями 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.

Или перейти к другому архиву

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или уточнить у системного администратора.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Литий-ионный аккумулятор

Состав

Введение в литий — Почему Flux Power использует LiFeP04 — Система управления батареями

Введение в литий-ионные батареи

Литий-ионные батареи были изобретены в 1980 году Джоном Гуденафом; они были коммерциализированы Sony в 1991 году. В последнее десятилетие литий-ионные батареи стали доминирующим химическим составом аккумуляторных батарей почти во всех отраслях промышленности.Литий-ионный, по сравнению с предыдущими популярными химическими веществами (свинцово-кислотный, никель-кадмиевый и щелочной), во многих отношениях лучше. С развитием технологий, безопасная и мощная батарея остро нуждается. Литий является наиболее энергоемким химическим веществом из используемых и с дополнительными функциями может быть самым безопасным. Энергия лития — активная область исследований, поэтому каждый год разрабатываются новые химические продукты. Некоторые из самых популярных химикатов:

1. Титанат лития (LTO)
2.Оксид лития-кобальта (LCO)
3. Литий-никель-марганцевый кобальт (NMC)
4. Фосфат лития-железа (LFP)

Хотя это все литиевые батареи, между ними есть ключевые различия.

LTO имеет очень долгий срок службы и широкий диапазон температур. Они способны выдерживать большие токи заряда, превышающие 10 ° C. Они имеют одну из самых низких плотностей энергии (2,4 В / элемент) среди всех литиевых батарей и являются одними из самых дорогих.

LCO стал очень популярным из-за своей высокой плотности энергии (3,6 В / элемент). Кобальт — очень энергоемкий материал, но он чрезвычайно летуч и дорог. Это ресурс, который быстро истощается и, по оценкам, иссякнет через 50 лет или из-за недавнего увеличения его потребления. LCO имеет много недостатков, они не могут выдерживать большие токи заряда, очень чувствительны к температуре и имеют короткий срок службы.

NMC — это быстро развивающаяся химия, на момент написания этой статьи.Сочетание никеля, марганца и кобальта дает очень хорошо продуманную батарею. Благодаря высокой плотности энергии (3,6 В на элемент) и меньшему использованию кобальта, он стал одним из самых востребованных аккумуляторов в отрасли. Из-за более низкой концентрации кобальта он безопаснее, чем LCO. Его жизненный цикл длиннее, чем у LCO, но короче, чем у LTO. Он может выдерживать токи заряда до 2 ° C и более широкий диапазон температур. Также важно знать, что батареи, содержащие кобальт, требуют большего количества функций безопасности, которые делают батареи более дорогими.

LFP популярен в отраслях с интенсивным использованием и суровыми условиями эксплуатации. Хотя этот химический состав имеет немного более низкую плотность энергии (3,2 В / элемент), он может выдерживать множество злоупотреблений. Он имеет длительный срок службы, дешевле и намного безопаснее, поскольку не содержит кобальта и может выдерживать очень широкий диапазон температур. Он также может выдерживать токи разряда до 20С. В целом это самая безопасная и надежная химия.

	LTO	LCO	NMC	LFP
Напряжение	2. 4 вольта	3,60 В	3,6 В	3,2 вольта
C-Rate	10C	1С	2C	20C
Срок службы	3000	500	1500	2500
Термический разгон	280 ° С	150 ° С	210 ° С	270 ° С
Стоимость	1,000 $ за кВт / ч	450 долл. США за кВтч	700 $ за кВтч	400 $ за кВтч

Таблица 1: Сравнение LTO, LCO, NMC, LFP

Проще говоря, литий-ионная батарея относится к батарее с отрицательным электродом (анодом) и положительным электродом (катодом), которые переносят ионы лития между двумя материалами. Ионы лития перемещаются от анода к катоду во время разряда и оседают (интеркалируют) в положительный электрод (рис. 1), который состоит из лития и других металлов. Во время зарядки этот процесс обратный.

Рис. 1. Поток электронов и Li + Ion во время использования

Внутри ячеек имеется много слоев анода и катода с разделителем между ними. Между двумя пластинами также находится раствор электролита, обычно LiPF6, смешанный с жидким раствором.Эта комбинация материалов может быть уложена друг на друга (призматические ячейки) или намотана по спирали (цилиндрические ячейки). Клетки различаются по размеру и форме; одни заключены в пластиковый корпус, другие — в алюминиевые. Корпус зависит от среды, в которой они находятся, а размер определяется объемом емкости, необходимой для приложения.

Рис. 2. Цилиндрические, призматические и карманные типы ячеек.

Каждый литий-ионный элемент имеет безопасный диапазон напряжения, в котором он может работать.Этот диапазон зависит от химического состава, используемого в батарее. Например, батарея LFP при 0% состоянии заряда (SOC) составляет 2,8 В, а при 100% SOC — 3,6 В. Это считается безопасным рабочим диапазоном этой батареи. Понижение уровня SOC ниже заявленного 0% может привести к ухудшению характеристик электродов. Это считается чрезмерной разрядкой. Если элемент постоянно чрезмерно разряжается, это может вызвать множество проблем, которые необратимо повредят аккумулятор. То же самое и с завышенной ценой, превышающей заявленное 100% SOC. Эти две ошибки побудили производителей аккумуляторов разработать защитные устройства и функции.

Батарея обычно состоит из множества ячеек, работающих вместе друг с другом. Давайте рассмотрим элемент LFP с номинальным напряжением 3,2 В и емкостью 100 Ач. Для большинства приложений требуется более высокое напряжение и емкость, как это сделать? Для увеличения напряжения батареи несколько ячеек должны быть соединены последовательно. Для увеличения емкости ячейки необходимо подключать параллельно. Например, предположим, что нам нужен аккумулятор 12 В емкостью 300 Ач. С данной ячейкой LFP нам потребуется 4 ячейки последовательно и 3 модуля параллельно.Это даст систему с напряжением 12,8 В и емкостью 300 Ач.

Рис. 3. Схема системы ячеек

Четыре основных компонента ячейки: анод, катод, сепаратор и раствор электролита.

Анод

Анод — это отрицательный электрод в ячейке. В литий-ионных батареях очень часто они состоят из лития и углерода, обычно это порошок графита. Ток может собираться благодаря медной пленке, которая совмещена с электродом.Чистота, размер частиц и однородность анода — все это способствует старению и емкости.

Катод

Катод — положительный электрод. Здесь вступают в игру самые разные химические составы. Катод — это то, что определяет общий химический состав лития. Как и анод, токоприемник объединен с материалом, поэтому может происходить поток электронов. Катод обычно объединяется с алюминиевой пленкой. Как показано выше, существует много разных химических составов.Ключевыми различиями между ними являются температура, при которой они реагируют с электролитом (тепловой разгон), и создаваемое ими напряжение.

Электролит

Электролит позволяет переносить ионы лития между пластинами. Обычно он состоит из различных органических карбонатов, таких как этилен, карбонат и диэтилкарбонат. Различные смеси и соотношения различаются в зависимости от области применения ячейки. Например, для применения при низкой температуре раствор электролита будет иметь более низкую вязкость по сравнению с раствором, приготовленным для окружающей среды при комнатной температуре.Соли лития необходимы в смеси электролита, соль определяет проводимость раствора, а также способствует образованию поверхности раздела твердого электролита (SEI). В литиевых батареях гексафторфосфат лития (LiPF6) является наиболее распространенной литиевой солью. LiPF6 может образовывать плавиковую кислоту (HF) при смешивании с водой. SEI — это химическая реакция между металлическим литием и электролитом. В нормальных условиях производитель элемента обычно медленно заряжает элемент, чтобы сформировать ровный SEI на угольном аноде.

Разделитель

Сепараторы литий-ионных элементов представляют собой пористые пластиковые пленки, предотвращающие прямой контакт анода и катода. Пленки обычно имеют толщину 20 мкм и имеют небольшие насыпи, которые позволяют ионам лития проходить сквозь них во время процесса заряда и разряда. Сепаратор «отключения» является наиболее распространенным. Этот сепаратор закроет наливы, чтобы предотвратить прохождение ионов лития, как только ячейка выйдет за пределы диапазона температур или произойдет короткое замыкание. Сепараторы продолжают разрабатываться сегодня для повышения безопасности, а также увеличения емкости ячеек.Для дальнейшего ознакомления вы можете посмотреть эти две статьи. В верхней литиевой батарее используются модели и . Почему литий-ионная батарея лучше подходит для вилочных погрузчиков .

Почему в Flux Power используется LiFeP04

Мы в Flux Power гордимся тем, что являемся экспертами в области решений для хранения энергии. Вот почему мы выбрали превосходный химический состав аккумуляторов, который был подтвержден десятилетиями исследований и внедрения во многих приложениях. Кроме того, наши решения по хранению энергии имеют множество преимуществ перед современными свинцово-кислотными технологиями.Дополнительные сведения о различиях между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами см. В статье «Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков лучше свинцово-кислотных».

Емкость и срок службы

Одним из наиболее важных преимуществ выбора литий-ионных аккумуляторов Flux Power является резкое увеличение плотности энергии по сравнению с нынешними решениями для свинцово-кислотных аккумуляторов. В Flux Power используется литий-железо-фосфат (LiFePO4), удельная энергия которого составляет ~ 110 ватт-часов на килограмм, по сравнению со свинцово-кислотными ~ 40 ватт-часами на килограмм.Что это значит? Наши батареи могут быть ~ 1/3 веса для аналогичных ампер-часов.

Литий-ионный аккумулятор Flux Power не только накапливает больше энергии, но и значительно превышает срок службы свинцово-кислотных и многих других литиевых компонентов.

В нашей статье « 5 шагов для увеличения срока службы литий-ионной батареи, » вы найдете дополнительные советы, которые помогут вам максимально эффективно использовать батарею.

На химический состав каждого элемента батареи влияет глубина разряда, и чем глубже разряд, тем короче срок службы.Литий-ионный аккумулятор Flux Power может разряжаться на 80%, сохраняя при этом длительный срок службы (> 2000 циклов). Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов резко сокращается. Фактически, при глубине разряда 80% свинцово-кислотные батареи служат всего 400-500 циклов, то есть наши батареи служат в 5 раз дольше.

Литий-ионные аккумуляторы — Промышленные устройства и решения

＜ Пожалуйста, обратите внимание на следующий момент, прежде чем рассматривать покупку ＞
■ Как правило, мы не продаем литий-ионные аккумуляторы цилиндрического и призматического типа.

Что такое литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные аккумуляторы вырабатывают постоянный ток за счет химических реакций. Когда батареи разряжаются и заряжаются, ионы лития перемещаются между электродами (катодом и анодом) внутри батарей. Как правило, катодный материал состоит из оксидов переходных металлов на основе кобальта, никеля или марганца, а материал анода состоит из графита.
Катод и анод изготовлены с использованием слоистой структуры, и ионы лития расположены между слоями.Во время заряда ионы лития перемещаются от катода к аноду. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду.

Литий-ионный аккумулятор

Основные характеристики

・ Высокая плотность энергии : Литий-ионные батареи обладают большей плотностью энергии по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей (никель-металлогидридные батареи, никель-кадмиевые батареи, свинцово-кислотные батареи), что позволяет батареям становиться меньше и легче.
・ Большая мощность: Поскольку рабочее напряжение литий-ионной батареи выше, чем у других типов аккумуляторных батарей, она может поддерживать большую мощность.
・ Длительный срок службы: Перезаряжаемые батареи можно использовать повторно путем зарядки. Срок службы литий-ионного аккумулятора определяется как количество полных циклов зарядки / разрядки. Чем больше количество циклов полной зарядки / разрядки, тем дольше прослужат батареи.

Прочность литий-ионных аккумуляторов Panasonic

Высокая емкость и высокая безопасность — сильные стороны батарей Panasonic, особенно батарей большой емкости (или батарей с высокой плотностью энергии). По мере увеличения емкости (или плотности энергии) становится все более важным обеспечить безопасность батарей.В результате Panasonic продолжает разрабатывать лучшие материалы для аккумуляторов и производственные процессы, а также работать над улучшением технологии управления аккумулятором, которая позволит безопасно использовать аккумуляторы Panasonic, особенно при наложении слоев от элемента к блоку, модулю и системе. Эти действия помогают батареям Panasonic поддерживать очень высокую надежность.
Используя все возможности аккумуляторов Panasonic, Panasonic может предложить наиболее подходящие аккумуляторные батареи для широкого спектра применений.

Новый подход к высокой безопасности и высокой производительности литий-ионных батарей

РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве доказательства концепции мы подготовили базовый элемент, состоящий из стандартного электролита, 1 M LiPF ₆ в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонат (EMC) (3/7 мас.%) + 2 мас.% (мас.%) виниленкарбонат (VC), а также графитовый анод и катод NCM622. Защитные слои межфазного твердого электролита (SEI) на поверхности графита и межфазного катодного электролита (CEI) образуются во время начальных циклов заряда / разряда.Чтобы обеспечить низкий DCR и, следовательно, высокую мощность, эти межфазные слои обычно тонкие, не обладают достаточной плотностью и эластичностью, чтобы противостоять разложению в условиях неправильного обращения, подавлять непрерывную реакцию растворителя EC в SEI или препятствовать непрерывному окислению EC с выделением кислорода. из катодных материалов в CEI, что приводит к расходу Li и потере емкости элемента. Напротив, в элементах SEB мы создаем высокостабильные, огнестойкие EEI путем добавления небольшого количества TAP в стандартный электролит.Эта модификация электролита сопровождается одновременным снижением содержания ЭК, т.е. ЭК / ЭМС (1/9 мас.) + 2 мас.% ВК, предназначенных для дальнейшего снижения образования газа посредством побочных реакций. В этой работе мы представляем результаты для трех прототипов клеток SEB, обозначенных как SEB-1, SEB-2 и SEB-3 и соответствующих 0,5, 1 и 1,5 мас.% ТАР, соответственно. Сопротивление переносу заряда ячеек SEB, измеренное с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), увеличивается от 3 до 5 раз по сравнению с базовой ячейкой без добавок электролита, как показано на рис.2А. Высокий импеданс является результатом полимеризации молекул ТАП, которые образуют толстые и плотные межфазные пленки на поверхностях как анода, так и катода ( 2 ). На анодной стороне пленка служит усиленным слоем SEI для стабилизации дальнейшего роста. На катодной стороне пленка препятствует взаимодействию ЭК в электролите с решеточным кислородом на поверхности NCM при высокой температуре или высоком напряжении ( 3 ), как схематично показано на фиг. 2B.

Инжир.2 Экспериментальное сравнение LIB и SEB и объяснение механизма.

( A ) Графики Найквиста, показывающие измеренные сопротивления переносу заряда клеток SEB по сравнению с базовыми клетками LIB. ( B ) Схема, показывающая сформированные in situ межфазные слои на поверхности графита и частиц NCM. Улучшенный слой SEI на графите замедляет перенос EC через пленку и подавляет дальнейший рост SEI. Слой CEI препятствует окислению ЭК кислородом решетки по поверхности NCM при высоких температурах или высоких напряжениях.( C и D ) Эволюция напряжения и температуры в ячейке во время проникновения гвоздя в ячейку SEB и базовую ячейку LIB вместе с качественными распределениями температуры. Обе ячейки представляют собой карманные ячейки емкостью 2,8 Ач, состоящие из одного и того же графитового анода и катодного материала NMC622. Базовая ячейка LIB заполнена стандартным электролитом: 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (3/7 масс.) + 2 масс.% VC. Ячейка SEB содержит электролит 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (1/9 вес.) + 2 вес.% VC с TAP в качестве добавки к электролиту.КТ, комнатная температура.

PolyTAP и его композиты являются негорючими материалами. Кроме того, PolyTAP обладает электроизоляционными свойствами и стабильностью при повышенных температурах ( 4 ). Все эти свойства делают PolyTAP хорошо подходящим для повышения безопасности клеток SEB в условиях злоупотребления. Это подтверждается испытаниями на проникновение гвоздя, показанными на рис. 2C, где повышение температуры составляет всего 100 ° C (без деформации клеток, курения и возгорания) по сравнению с почти 1000 ° C (возгорание) в базовом случае (рис.2D). Превосходные характеристики безопасности ячейки SEB дополнительно иллюстрируются электрическими характеристиками ячейки во время проникновения гвоздя. Для базовой ячейки напряжение ячейки снижается до 0,1 В в течение 5 секунд после проникновения гвоздя. Резкое падение напряжения указывает на то, что ток короткого замыкания чрезвычайно высок из-за низкого внутреннего сопротивления базовой ячейки. Напротив, напряжение элемента SEB падает с 4,171 до 3,085 В в течение 5 с после проникновения, показывая медленный и контролируемый разряд из-за высокого внутреннего сопротивления элемента SEB.Существенно более высокое сопротивление в ячейке SEB, чем базовое, вызвано электрически непроводящими слоями, сформированными на поверхности графита и частиц NCM, как схематично показано на фиг. 2B.

Стабильность и безопасность элементов SEB дополнительно подтверждается испытаниями на высоковольтный заряд и календарным сроком службы при высоких температурах (рис. S1 и S2). Ячейки SEB могут подвергаться 1254 воздействиям высокого напряжения [заряд постоянным током (CC) до 4,4 В, постоянное напряжение (CV) до C / 20] при 40 ° C с сохранением емкости 80%, тогда как базовая ячейка выдерживает всего 40 циклов при той же потере емкости и рабочей температуре, что указывает на то, что элемент SEB более чем в 30 раз стабильнее и, следовательно, безопаснее, чем базовые элементы в условиях зарядки высокого напряжения.Тестирование календарного срока службы также показывает, что пассивированные клетки SEB могут эффективно подавлять саморазряд. Ток саморазряда измеряется путем поддержания постоянного напряжения элемента на требуемом уровне, например 4,187 В для 100% -ного состояния заряда (SOC). Как базовые, так и SEB-элементы демонстрируют быстрое снижение плотности тока саморазряда в начале календарного старения из-за роста анодного слоя SEI. Свежие клетки SEB показывают токи саморазряда примерно в 5 раз ниже, чем у базовой ячейки при комнатной температуре и 50% SOC, в 6 раз ниже при комнатной температуре и 100% SOC и примерно в 7 раз ниже при 60 ° C как при 50, так и при 100%. SOC.После 60 дней хранения ток саморазряда начинает выходить на плато; однако ток саморазряда в элементе SEB все еще в 2 раза ниже, чем в базовом элементе при комнатной температуре и 50% SOC и в 3 раза ниже при комнатной температуре и 100% SOC. Саморазряд становится в 4 раза ниже при высокой температуре (60 ° C) как при 50%, так и при 100% SOC, что указывает на то, что при повышенных температурах элементы SEB сохраняют превосходство по календарному сроку службы над базовым элементом.

Отличительной чертой ячеек SEB является высокая мощность по запросу.Когда батареи не используются, элементы SEB остаются простаивающими при комнатной температуре, демонстрируя высокую стабильность и безопасность. Однако во время работы клетка SEB переключается в условия высокой реактивности посредством быстрой термической стимуляции. Это можно проиллюстрировать с помощью DCR, который обратно пропорционален мощности. Здесь DCR при разряде и зарядке для SEB и базовых LIB-ячеек измеряются при 50% SOC с помощью 10-секундного метода гибридной импульсной характеристики мощности (HPPC). Как и ожидалось, значения DCR существенно увеличиваются при добавлении небольшого количества TAP в электролит, как показано на рис.3 (A и B), который также демонстрирует, что добавление большего количества TAP в SEB-3 (например, 1,5 мас.%) Приводит к дальнейшему увеличению DCR из-за образования более толстых защитных слоев.

Рис. 3 Температурная зависимость мощности ячеек.

( A и B ) DCR разряда и заряда, соответственно, при 50% SOC для клеток SEB по сравнению с базовым уровнем клетки LIB. ( C ) Относительная мощность разряда (базовый уровень DCR _{@ RT} / DCR) клетки SEB по сравнению с базовой линией LIB.( D ) Относительная реактивность ( R _{ct, базовый уровень @ RT} / R _ct ) клетки SEB по сравнению с базовой линией LIB, что показывает, что клетки SEB работали при соответствующих повышенных температурах, например, SEB- 3 при 50 ° C, может обеспечивать достаточную мощность при всех температурах окружающей среды (обозначено линией а), что клетки SEB в 5 раз безопаснее и меньше стареют при комнатной температуре (обозначены линией b), а клетки SEB менее подвержены до теплового разгона при 60 ° C (обозначено линией c).

На рис. 3С показана относительная мощность клеток SEB по сравнению с базовой линией LIB, где мощность базовой клетки при комнатной температуре нормализована до единицы, тем самым демонстрируя, что клетки SEB могут обеспечивать достаточную более высокую мощность при работе при более высоких температурах.При 50% SOC, SEB-1, работающий при 29,2 ° C, обеспечивает ту же мощность, что и базовый элемент при комнатной температуре. Самая безопасная ячейка SEB-3 с 1,5 мас.% Добавки TAP требует рабочей температуры 44,6 ° C для обеспечения такой же мощности, как и базовая ячейка при комнатной температуре. Базовая ячейка имеет узкое температурное окно от 15 ° до 35 ° C, тогда как ячейки SEB имеют гораздо более высокую максимальную рабочую температуру, не становясь чрезмерно реактивными. Таким образом, необходимость работы при более высоких температурах для восстановления мощности не представляет проблемы для элементов SEB.При 50% SOC увеличение мощности разряда по сравнению с базовой литий-ионной батареей составляет 2,05, 1,81 и 1,39 для SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно (рис. 3C). Более того, при температуре окружающей среды 0 ° C базовая ячейка LIB имеет относительную мощность 0,38, в то время как SEB-2 имеет относительную мощность 1,81 при работе при 60 ° C [требуется 30 с для нагрева ячейки от 0 ° C. От ° до 60 ° C со скоростью 2 ° C / с, что типично для самонагревающейся конструкции Wang et al. ( 1 )]. Это примерно 5-кратное увеличение мощности по сравнению с ячейкой LIB для ячеек SEB, работающих в условиях замораживания.Как правило, элементы SEB работают независимо от температуры окружающей среды или погоды, поскольку они всегда нагреваются за считанные секунды и работают при постоянной повышенной температуре. Хотя нагрев элемента до повышенной температуры потребляет энергию элемента, общая передаваемая энергия элемента, как ни странно, не уменьшается. Как показано на рис. S3, энергия разряда C / 3 составляла 9,62 ватт-часа (Втч) для базовой ячейки при комнатной температуре и 10,15 Втч для ячейки SEB-3 при 60 ° C. Согласно нашей предыдущей работе ( 1 ), для повышения температуры на 10 ° C требуется ~ 1% энергии ячейки, что означает, что ячейке SEB-3 нужно 3.5% его энергии на нагрев от 25 ° до 60 ° C; оставшаяся энергия разряда, таким образом, составляет 9,79 Втч, что на 2% больше, чем у базового элемента при комнатной температуре.

Как уже упоминалось, такой быстрый нагрев достигается за счет вставки листа никеля микрометровой толщины. Влияние этого дополнительного компонента на плотность мощности ячеек можно оценить с помощью уравнения. 1, где м — масса данного элемента, а отношение мощности разряда, оцененное с помощью HPPC, обратно пропорционально отношению DCRs (Power Density) SEB (Power Density) baseline @ RT = (DCRbaseline @ RTDCRSEB @ 60 ° C) (mbaselinemSEB) (1)

Добавление никелевой фольги увеличивает массу клеток на 1.3%, в то время как отношение DCR в формуле. 1 — относительная мощность, представленная на фиг. 3C при 60 ° C. На основе этих значений удельная мощность не уменьшается, а увеличивается в 2,02, 1,79 и 1,37 раза в случае SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно. Таким образом, в случае SEB-3 с самым высоким внутренним сопротивлением плотность мощности все еще на 37% выше, чем у базового элемента, работающего при комнатной температуре.

На рис. 3D представлена ​​относительная межфазная реакционная способность, полученная на основе сопротивления переносу заряда по результатам EIS.Это дополнительно подтверждает, что повышенная рабочая температура эффективно снижает сопротивление передачи заряда элементов SEB и, следовательно, увеличивает реактивность и мощность элемента. Повышение реактивности по сравнению с базовой ячейкой LIB составляет 2,06 для SEB-2. В целом, как относительная мощность, так и относительная реактивность иллюстрируют способность ячеек SEB обеспечивать высокую мощность по запросу. С другой стороны, значения относительной реактивности этих двух ячеек, показанные на рис. 3D, показывают, что ячейка SEB будет в 5 раз безопаснее и подвергнется в 5 раз меньшему старению при комнатной температуре, что подтверждается испытаниями на саморазряд и сохранение емкости. изображенный на рис.S2. Кроме того, сравнение относительной реактивности для двух типов ячеек при 60 ° C показывает, что ячейка SEB более чем в 2 раза менее склонна к тепловому разгоне.

Помимо безопасности и высокой мощности, постоянно возрастает потребность в длительном сроке службы LIB. Элементы SEB с низкой реакционной способностью, изготовленные из высокостабильных материалов, обеспечивают более длительный календарный срок службы (рис. S2), о чем свидетельствует медленное уменьшение емкости, когда батарея находится в режиме ожидания при комнатной температуре. При повышенных температурах цикл клеток SEB также стабилен.На рисунке 4A сравнивается сохранение емкости базовой ячейки с ячейками SEB во время цикла при 60 ° C заряда 1C CC до заряда 4,2 В CV до C / 20, а затем разряда 1C до 2,8 В. Очевидно, что ячейки SEB превосходят базовые ячейки, как показано за счет 20% потери емкости при 481 цикле с видимыми признаками деформации ячейки из-за выделения газа и набухания графитового анода для базовой ячейки, в то время как SEB-3 может достичь 2821 цикла до достижения 20% потери емкости. Это соответствует ок. Увеличение срока службы в 6 раз.Кроме того, SEB-3 достигает 4014 циклов при сохранении емкости 75%, в то же время демонстрируя признаки здоровой клетки, способной стабильно работать (без заметного выделения газа или литиевого покрытия). Средняя разрядная способность этих 4014 циклов составляет 84,2% от эквивалентного полного цикла (EFC). Предполагая, что дальность пробега на EFC для электромобиля (например, BMW i3 2019 года) составляет 153 мили, 4014 циклов означают> 517000 миль срока службы. Это более чем в 5 раз превышает гарантию для коммерческих электромобилей (например, BMW i3, 70% мощности на 8 лет или 100 000 миль).Увеличение срока службы элемента может быть дополнительно продемонстрировано путем рассмотрения скорости уменьшения емкости во время календарного старения при комнатной температуре (т.е. в стабильном состоянии), которая в 7 раз ниже, чем при 60 ° C (реактивное состояние). Ячейка SEB будет нагреваться до реактивного состояния только в ситуациях, требующих высокой мощности или быстрой зарядки. Большая часть его срока службы (> 90%) будет проведена в режиме ожидания (стабильное состояние). Следовательно, в полевых условиях ожидается, что срок службы SEB значительно превысит 4014 циклов, прежде чем достигнет 25% потери мощности.

Рис. 4 Сравнение стабильности при циклировании при 60 ° C.

( A и B ) Сохранение емкости и DCR клеток SEB по сравнению с базовыми клетками LIB во время цикла при 60 ° C. Ячейки заряжаются по протоколу CCCV при температуре от 1 ° C до 4,2 В с током отсечки C / 20, а затем разряжаются при температуре от 1 ° C до 2,8 В. ( C и D ) Кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению с устаревшим элементом .

Значительное увеличение срока службы SEB по сравнению с базовой ячейкой может быть связано с более плотным и более стабилизированным слоем SEI, сформированным на частицах графита, и слоем CEI на частицах NCM622 в присутствии добавок электролита.Для базовой ячейки богатые никелем частицы NCM склонны к микротрещинам по границам зерен ( 5 , 6 ), которые создают зазоры для проникновения электролита и приводят к более серьезному окислению электролита и образованию каменной соли ( 7 ). При растрескивании частиц также высвобождается новая свежая поверхность, с которой может выделяться кислород ( 8 ). Микротрещины на частицах NCM622 для базовой ячейки наблюдаются только после 50 циклов (рис. 5D). Образование трещин становится гораздо более заметным по всей области микрофотографии после 956 циклов (рис.5F). Для ячеек SEB трещины на частицах NCM не наблюдаются при 50 циклах, а небольшое количество трещин наблюдается после 4021 цикла (рис. 5J). Наличие микротрещин не только приводит к потере контакта, но и ускоряет исчезновение емкости NCM. Для клеток SEB полимерное покрытие из TAP, вероятно, образует прочный CEI, уменьшая образование микротрещин (рис. 2B). Об этом также свидетельствуют оптические изображения (рис. S4) и отсутствие наблюдаемой деформации или набухания клеток после 4021 цикла даже при повышенной температуре 60 ° C.

Рис. 5 СЭМ-микрофотографии нетронутых, состаренных электродов для базовой линии и клеток SEB-3.

( A ) Безупречный анод. ( B ) Чистый катод. ( C ) Базовый анод после 50 циклов. ( D ) Базовый катод после 50 циклов. ( E ) Базовый анод после 956 циклов. ( F ) Базовый катод после 956 циклов. ( G ) Анод SEB-3 после 50 циклов. ( H ) Катод SEB-3 после 50 циклов. ( I ) Анод SEB-3 после 4021 цикла.( J ) Катод SEB-3 после 4021 цикла. ETD, детектор Эверхарта-Торнли; HV — ускоряющее напряжение электронов; WD, рабочее расстояние; HFW, ширина горизонтального поля.

Использование добавок ТАП заметно изменило составы EEI. Мы выполнили рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) на графитовых и NCM электродах после 4021 цикла и сравнили структуру EEI образцов из базовой ячейки после 956 циклов. На графитовом аноде SEI, полученный из электролита, содержащий ТАП, содержит высокие концентрации элементов C, O и P по сравнению с контрольным образцом базовой ячейки (рис.6 и рис. S5). Кроме того, более высокое содержание разновидностей C─C во всех C-содержащих разновидностях также было обнаружено в SEI, полученном из электролита, содержащем TAP, что свидетельствует о разложении TAP на аноде (рис. S5). Между тем, состав катода CEI также был изменен. С добавкой TAP слой SEI содержит больше C, P и F и меньше Li и O по сравнению с исходным SEI (рис. 6 и рис. S5). Обнаружено высокое содержание LiF и P-содержащих частиц (O─P = O, Li _x P ​​ _y OF _z и Li _x P ​​ _y F _z ) ( 9 ). в катодном слое КЭИ за счет применения добавки ТАП (рис.6). Подробная интерпретация пиков выглядит следующим образом: пики при 284,6, 286,1, 288,8 и 290,1 эВ в спектре C 1s приписываются C─C, C─O, O─C = O и поли (O─C = O). ( 10 ) соответственно; пики при 684,6 эВ в спектре F 1s приписываются LiF; пики при 686,9 эВ в спектре F 1s и 136,7 эВ в спектре P 2p приписываются O─P = O и Li _x P ​​ _y OF _z ; а пики при 686,3 эВ в спектре F 1s и 134,5 эВ в спектре P 2p приписываются Li _x P ​​ _y F _z .При сравнении спектра O 1s для состаренных электродов базовой линии (956 циклов) и электродов SEB-3 (4021 цикл) пик при 529,2 эВ для катода SEB-3 эффективно исключен по сравнению с пиком для базового катода (рис. 6). Это указывает на то, что на катоде SEB-3 обнаруживается меньшее количество кислорода в решетке NCM622, связанное с относительно более толстым слоем CEI. Это согласуется с более толстым слоем CEI, обнаруженным Xia et al. ( 2 ) на покрытой поверхности NMC442 в присутствии добавки TAP.Таким образом, результат XPS подтверждает, что добавка TAP приводит к образованию толстого слоя CEI и, как следствие, к более медленному развитию трещин, меньшему образованию газа и увеличению срока службы.

Рис. 6 Сравнение спектров керна XPS для состаренных базовых электродов и электродов SEB-3.

Графитовые электроды и электроды NCM622 взяты из базовой ячейки после 956 циклов и ячейки SEB-3 после 4021 цикла.

Три ячейки SEB показывают очень близкие скорости исчезновения емкости в течение 1000 циклов (рис.4А). За пределами 1000 циклов SEB-3 показывает гораздо более низкую скорость уменьшения емкости, чем две другие ячейки SEB, как и ожидалось из-за его самой низкой реактивности. По сравнению с исходными клетками, стабильность и длительный цикл жизни клеток SEB очевидны, причины чего можно определить по различиям в тенденции сохранения емкости на разных стадиях старения. Для базовой клетки мы видим резкое снижение удержания емкости C / 3 на начальной стадии и медленное снижение на вторичной стадии.Это в первую очередь связано с потерей запасов лития во время быстрого и медленного роста слоя SEI. Для клеток SEB уменьшение емкости линейно с номером цикла, что указывает на отсутствие быстрого роста на начальной стадии старения, поскольку рост слоя SEI подавляется образованием на месте огнестойкого защитного слоя. Более того, резкая нелинейная потеря емкости из-за литиевого покрытия обычно может наблюдаться в базовой ячейке при комнатной температуре и при низких температурах на конечных стадиях старения ячейки ( 11 ).Однако во всех ячейках SEB, работающих при 60 ° C, эта потеря емкости, вызванная литиевым покрытием, отсутствует, что свидетельствует об отсутствии литиевого покрытия в ячейках SEB. Ячейка SEB без покрытия Li предлагает значительное повышение безопасности по сравнению с обычными ячейками LIB.

Есть еще одно преимущество ячеек SEB, обещающих сверхдлительный срок службы при использовании в полевых условиях. В то время как обычные элементы LIB подвергаются значительному колебанию температуры окружающей среды, элементы SEB почти всегда работают при одной постоянной температуре (скажем, 60 ° C) независимо от температуры окружающей среды и после чрезвычайно короткого периода начального перехода путем самонагрева (порядка десятков секунд).Последняя особенность гарантирует минимальное повреждение материалов аккумулятора в элементах SEB из-за больших колебаний температуры.

Для базового элемента потеря емкости при повышенных температурах в основном связана с ростом SEI на анодной стороне и окислением растворителя на катодной стороне. Как следствие, DCR заметно увеличивается с увеличением номера цикла (рис. 4B). В случае клеток SEB DCR свежей клетки изначально намного больше, чем базовая клетка; однако скорость его увеличения намного медленнее из-за защитного покрытия как на аноде, так и на катоде (рис.2Б). На рис. 4 (C и D) показаны кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению со старым элементом, соответственно. Из-за увеличения DCR с увеличением количества циклов SEB-3 показывает небольшое снижение мощности после 2821 цикла при 60 ° C. Напротив, базовая ячейка показывает резкое увеличение DCR и, следовательно, значительную потерю мощности всего за 556 циклов (рис. S6). Для всех клеток SEB с добавкой TAP их DCR линейно увеличиваются, а увеличение содержания добавки приводит к более высокому DCR в свежих клетках, но более медленному развитию DCR с номером цикла (рис.4Б). Ячейки SEB не выделяют газ во время циклических тестов, обеспечивая большую безопасность, чем базовая ячейка. Кроме того, клетки, содержащие TAP, производят меньше газа во время образования, чем базовые клетки ( 2 , 12 ).

Из-за того, что элементы SEB допускают высокое напряжение, при зарядке до высокого напряжения 4,4 В по сравнению с 4,2 В разрядная емкость элемента SEB увеличивается на 12,7%, а энергия разряда увеличивается на 14,5% (рис. S1B). Таким образом, допуск высокого напряжения можно использовать для увеличения плотности энергии элемента.

Электролиты для элементов SEB были составлены путем снижения содержания EC и добавления TAP в качестве добавки. Хотя ЭК является важным растворителем для образования слоя SEI, он также приводит к образованию газа, особенно при высоком напряжении ( 13 ). Испытания на календарное старение показывают, что условия высокой температуры и высокого SOC ускоряют снижение емкости и увеличение внутреннего сопротивления, а также способствуют образованию газа. Элементы SEB изначально содержат 10 мас.% ЭК в электролите. Некоторое количество ЭК расходуется во время цикла формирования, в результате чего содержание ЭК в сформированных клетках SEB намного меньше 10%.Это является преимуществом, поскольку скорость газообразования в электролите без ЕС будет ниже, чем в электролите с высоким содержанием ЕС.

При введении в электролит новых материалов необходимо оценить влияние на стоимость, вес и изготовление элемента. Добавка к электролиту, TAP, имеет сопоставимую цену и плотность по сравнению с текущими стандартными растворителями; таким образом, с введением электролитов SEB не ожидается заметной разницы в стоимости материалов. В отличие от суперконцентрированных электролитов ( 14 ), электролиты с ТАП не увеличивают вязкость по сравнению со стандартным электролитом.С точки зрения изготовления, электролиты SEB также не будут добавлять дополнительных затрат из-за сходства обработки во время и после введения в элемент.

И, наконец, элементы SEB имеют важное преимущество, связанное с управлением температурой аккумуляторной батареи. Когда требуется большая мощность, элементы SEB должны нагреваться изнутри ( 1 ) и работать при повышенных температурах. Предполагая, что температура окружающей среды составляет 25 ° C, а ячейки SEB и базовые линии работают при 60 ° и 30 ° C, соответственно, SEB обеспечивает разность температур, приводящую к рассеиванию тепла, которая в 7 раз больше, чем в базовом случае.Кроме того, элемент SEB имеет более низкий DCR при своей рабочей температуре 60 ° C (17,1 Ом · см ² для SEB с 1 мас.% TAP), чем базовый элемент при 30 ° C (25,3 Ом · см ² ), что указывает на уменьшение тепловыделения в ~ 1,5 раза при том же токе. Комбинация этих двух факторов снижает нагрузку на управление температурой примерно в 10 раз для клеток SEB.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мы изготовили карманные элементы емкостью 2,8 Ач с использованием LiNi _0,6 Co _0,2 Mn _0.2 O ₂ (Umicore) для катодов и графита (Nippon Carbon) для анодов. Отношение емкости отрицательного электрода к положительному, или отношение NP, было разработано на уровне 1,2. Пакетный элемент емкостью 2,8 Ач содержит пакет из 20 анодных и 19 катодных слоев. Использовали сепаратор Celgard-2325 толщиной 25 мкм. Нагрузки NMC622 на положительный электрод и графита на отрицательном электроде составляли 10,5 и 6,6 мг / см ² соответственно.

Катоды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе N-метил-2-пирролидона на алюминиевую фольгу толщиной 15 мкм, сухой материал которой состоит из NCM622 (91.5 мас.%), Super-P (TIMCAL) (4,1 мас.%) И поливинилиденфторид (Arkema) (4,4 мас.%) В качестве связующего. Аноды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе деионизированной воды на медную фольгу толщиной 10 мкм, сухой материал которой состоит из графита (95,4 мас.%), Super-P (1,0 мас.%), Стирол-бутадиенового каучука (Zeon) (2,2 мас.%) и карбоксиметилцеллюлоза (Dai-Ichi Kogyo Seiyaku) (1,4 мас.%).

Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в EC / EMC (3: 7 по массе) + 2 мас.% VC, использовали в качестве контрольного электролита (BASF).Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в смеси EC / EMC + 2 мас.% VC, был смешан на месте. Для создания элементов SEB в обычный электролит в качестве добавок добавляли от 0,5 до 1,5 мас.% ТАР.

Каждая ячейка-пакет имеет площадь основания 110 мм × 56 мм, вес 63 г, номинальную емкость 2,8 Ач с удельной энергией 166 Втч / кг и удельной энергией 310 Втч на литр. Разрядные характеристики базовых и SEB ячеек при комнатной температуре показаны на рис. S7 как функция от C-rate.

Испытания на циклическое старение мешочных ячеек проводили с использованием системы тестирования аккумуляторных батарей инструментов Land (модель CT2001B, Land Instruments). Духовка с принудительным обдувом использовалась для контроля различных температур окружающей среды. Для каждого цикла старения элемент заряжался до 4,2 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1C), а затем заряжался при постоянном напряжении 4,2 В до тех пор, пока ток не уменьшился до 0,14 A (C / 20). После 5-минутного отдыха элемент был разряжен до 2,8 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1С) с последующим окончательным периодом отдыха в течение 5 минут.Когда число циклов старения достигло определенного значения (например, 403, 1006 циклов), элемент был подвергнут циклическому циклу зарядки и разрядки C / 3 для определения емкости (обозначенной как емкость C / 3) элемента. Для испытаний импеданса при различных температурах элементы были полностью заряжены, а затем разряжены со скоростью от C / 3 до 90% SOC. Тестирование импеданса проводилось при амплитуде переменного напряжения 5 мВ в диапазоне частот от 50 кГц до 0,005 Гц. Для испытания DCR элементы были полностью заряжены, а затем разряжены до 50% SOC со скоростью C / 3.Скорость разряда 5C и скорость заряда 3,75C использовались для определения значения DCR _Discharge и DCR _Charge .

Испытания на календарное старение проводились при различных температурах окружающей среды и SOC. Духовка с принудительной циркуляцией воздуха использовалась для регулирования различных температур окружающей среды. Напряжение ячейки поддерживалось постоянным, и ток собирался. Когда календарное время старения достигло определенного значения (например, 25, 60, 120 и 180 дней), элемент был циклически изменен со скоростью заряда и разряда C / 3 для определения емкости элемента.Затем были проведены испытания импеданса и DCR в тех же условиях, что и для ячеек с циклическим старением.

Для испытания на проникновение гвоздя элемент был полностью заряжен (заряд 1С CCCV с напряжением отсечки 4,2 В и током отсечки C / 20). Термопары были размещены на расстоянии 10 мм от геометрического центра ячейки и у отрицательного вывода ячейки. Диаметр гвоздя 5 мм, изготовлен из жаропрочной стали (угол острия гвоздя 60 °; поверхность гвоздя чистая, без ржавчины и масла). Скорость пробития 30 мм / с; гвоздь прошел через геометрический центр плоскости электрода перпендикулярно и остался внутри ячейки.Время наблюдения составляло 1 час, пока ячейка не остыла и напряжение на ячейке не упало почти до нуля.

Анализы SEM и XPS были выполнены путем первого извлечения образцов электродов из полностью разряженных ячеек пакета графит / NCM622 после цикла и 3-кратной промывки EMC. Тесты XPS проводились на сканирующем микрозонде XPS PHI VersaProbe II. Образцы загружали в перчаточный ящик и переносили в прибор через сосуд для вакуумного переноса. СЭМ-визуализацию выполняли на приборе FEI Nova NanoSEM 630 SEM.

Благодарности: Финансирование: Эта работа была частично поддержана Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США под номером DE-EE0008447. Вклад авторов: S.G. and C.-Y.W. разработал концепцию и написал рукопись. С.Г. и Р.С.Л. спроектированы и построены клетки. S.G. построил испытательный стенд и провёл характеристики. T.L. провели тест на проникновение гвоздя. Ю.Л. выполнил анализ импеданса.Ю.Г. и Дайвэй Ван выполнили анализ XPS и SEM. Все авторы внесли свой вклад в разработку рукописи и в обсуждения по мере развития проекта. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в статье и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Приз за переработку литий-ионных аккумуляторов американского производства

Этап I: Разработка концепции и инкубация (ЗАВЕРШЕНИЕ) — Кандидаты представили бизнес-модель или инновационное решение и технологический план для прибыльного сбора, сортировки и разделения, хранения и транспортировки (при обеспечении безопасности или инертности аккумуляторов) после использования. и отработанные литий-ионные аккумуляторы.Кандидаты представили концепции, относящиеся к одной дорожке, нескольким дорожкам или полным сквозным решениям для одного или нескольких приложений (бытовая электроника, электромобили, стационарные хранилища и / или другие крупные промышленные применения). Каждый человек / команда / объект может подать заявку более чем на один трек, но может подать только одну заявку на трек. В конце Фазы I было выбрано до 15 победителей, каждая команда получила 67 000 долларов.

Этап II: Создание прототипов и партнерство (ЗАВЕРШЕНИЕ) — Участники проектируют, моделируют и создают прототипы проверочного решения для одного или нескольких коммерческих целей (бытовая электроника, электромобили, стационарные хранилища и / или другие крупные промышленные применения) .Участникам предлагается использовать идеи победителей из различных треков. В конце этапа II будут выбраны до 10 победителей, которые получат денежные вознаграждения (не менее 250 000 долларов США) и безналичные ваучеры на 100 000 долларов США для использования в национальных лабораториях и утвержденных организациях, входящих в сеть американского производства, и для участия в этапе III. .

Фаза III: Пилотная проверка — Победившие участники Фазы II должны существенно продвинуть свои сквозные решения от проверки прототипа до усовершенствованного пилотного проекта.Это может включать создание, демонстрацию и анализ для проверки маломасштабного пилотного прототипа с акцентом на решения в реальных приложениях и сценариях для одного или нескольких приложений (бытовая электроника, электромобили, стационарные хранилища и / или другие крупные промышленные использует). В конце этого этапа будут выбраны до четырех победителей, которые получат денежные вознаграждения (не менее 500 000 долларов США).

Прогнозирование медленной смерти литий-ионной батареи

Батареи изнашиваются по мере старения, постепенно теряя мощность и емкость.

Наличие большей уверенности в том, сколько энергии батарея может удерживать на протяжении всего жизненного цикла, позволяет использовать большую часть этой емкости без повреждений. (Изображение предоставлено iStock)

Как и у людей, старение происходит по-разному от одной батареи к другой, и практически невозможно измерить или смоделировать все взаимодействующие механизмы, которые способствуют снижению. В результате большинство систем, используемых для разумного управления уровнями заряда и оценки запаса хода в электромобилях, почти не замечают изменений во внутренней работе батареи.

Вместо этого они действуют больше как врач, назначающий лечение, не зная о состоянии сердца и легких пациента, а также о том, каким образом окружающая среда, образ жизни, стресс и удача опустошили или спасли их. Если вы держите ноутбук или телефон в течение достаточного количества лет, возможно, вы воочию убедились, к чему это ведет: оценки оставшегося времени работы от батареи со временем все больше отклоняются от реальности.

Теперь модель, разработанная учеными из Стэнфордского университета, предлагает способ предсказать истинное состояние аккумуляторной батареи в режиме реального времени.Новый алгоритм сочетает данные датчиков с компьютерным моделированием физических процессов, которые приводят к разложению элементов литий-ионной батареи, чтобы предсказать оставшуюся емкость аккумулятора и уровень заряда.

«Мы использовали электрохимические параметры, которые никогда ранее не использовались для целей оценки», — сказала Симона Онори, доцент кафедры энергетики в Стэнфордской школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Stanford Earth). Исследование опубликовано 11 сентября в журнале IEEE Transactions on Control Systems Technology .

Новый подход может помочь проложить путь для меньших аккумуляторных блоков и большего запаса хода в электромобилях. Сегодня автопроизводители создают резервные мощности в ожидании некоторого неизвестного количества выцветания, что увеличивает стоимость и материалы, в том числе дефицитные или токсичные. Более точные оценки фактической емкости батареи позволят уменьшить буфер.

«В нашей модели по-прежнему важно соблюдать осторожность при использовании аккумуляторной системы», — пояснил Онори.«Но если у вас есть больше уверенности в том, сколько энергии ваша батарея может удерживать на протяжении всего жизненного цикла, вы можете использовать больше этой емкости. Наша система показывает, где находятся края, поэтому батареи могут работать с большей точностью ».

Точность прогнозов в этой модели — в пределах 2 процентов от фактического срока службы батареи, полученного в результате экспериментов, согласно документу — также может упростить и удешевить использование старых аккумуляторов электромобилей для хранения энергии для электросети.«В настоящее время аккумуляторы, снятые с производства электромобилей, будут сильно различаться по качеству и характеристикам», — сказал Онори. «Не существовало надежного и эффективного метода их стандартизации, тестирования или сертификации, который позволил бы им конкурировать с новыми батареями, специально созданными для стационарного хранения».

Отказ от старых предположений

Каждая батарея имеет два электрода — катод и анод — между электролитом, обычно жидким. В перезаряжаемой литий-ионной батарее ионы лития перемещаются между электродами во время зарядки и разрядки.Электромобиль может работать на сотнях или тысячах этих маленьких аккумуляторных элементов, собранных в большой аккумуляторный блок, который обычно составляет около 30 процентов от общей стоимости транспортного средства.

Традиционные системы управления батареями обычно основываются на моделях, которые предполагают, что количество лития в каждом электроде никогда не меняется, сказал ведущий автор исследования Анирудх Аллам, аспирант в области инженерии энергоресурсов. «На самом деле, однако, литий теряется из-за побочных реакций при разложении батареи, — сказал он, — поэтому эти предположения приводят к неточным моделям.”

Онори и Аллам разработали свою систему с постоянно обновляемыми оценками концентраций лития и специальным алгоритмом для каждого электрода, который регулируется на основе измерений сенсора во время работы системы. Они проверили свой алгоритм в реалистичных сценариях с использованием стандартного промышленного оборудования.

В пути

Модель основана на данных с датчиков, обнаруженных в системах управления батареями, которые используются сегодня в электромобилях. «Наш алгоритм может быть интегрирован в современные технологии, чтобы они работали более разумно», — сказал Онори.По ее словам, теоретически многие автомобили, уже находящиеся на дороге, могут иметь алгоритм, установленный на их электронных блоках управления, но расходы на такого рода модернизацию повышают вероятность того, что автопроизводители будут рассматривать алгоритм для автомобилей, которые еще не производятся.

Команда сосредоточила свои эксперименты на типе литий-ионной батареи, обычно используемой в электромобилях (оксид лития, никеля, марганца, кобальта), для оценки ключевых внутренних переменных, таких как концентрация лития и емкость элементов.Но структура является достаточно общей, чтобы ее можно было применить к другим типам литий-ионных аккумуляторов и для учета других механизмов деградации аккумуляторов.

«Мы показали, что наш алгоритм — это не просто хорошая теоретическая работа, которую можно запустить на компьютере», — сказала она. «Скорее, это практичный, реализуемый алгоритм, который, если он будет внедрен и использоваться завтра в автомобилях, может привести к возможности иметь более долговечные батареи, более надежные автомобили и меньшие аккумуляторные блоки».

Чтобы читать все статьи о Стэнфордской науке, подпишитесь на еженедельный выпуск Stanford Science Digest .

.

No related posts.