+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Особенности литий ионных аккумуляторов Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

Li-Ion аккумуляторы успешно используются в различных портативных устройствах. Востребованы они и при оснащении электроприводом транспортных средств. Аккумуляторные батареи этой группы не терпят превышения напряжения при заряде. Поэтому в целях безопасности они используются совместно с системой контроля и управления – BMS. Такие системы используются для ограничения тока заряда на границе 95% и степени разряда на значении 15–20%. Это важно для продления срока эксплуатации источников питания, поскольку при глубоком разряде литиевая АКБ теряет способность заряжаться.

Особенности литий ионных аккумуляторов зависят от содержащегося в них материала катода. По этому критерию семейство Li-Ion батарей подразделяется на 3 основных класса:

  1. LiCoO2 – имеют высокую удельную энергию, выдерживают средние нагрузки и отличаются небольшим сроком эксплуатации.
  2. LiMn2O4 – выдерживают высокие токи заряда и разряда, но служат относительно недолго и имеют большую удельную энергию.
  3. LiFePO4 – обладают увеличенным сроком службы, и низкую скорость саморазряда.

В таблице приведены характеристики и особенности литиевых аккумуляторов, с указанием усредненных значений параметров.

Тип Li-Ion батареи

Удельная плотность энергии, Втч/кг

Количество циклов разряда-заряда (до 80% разряда)

Время быстрой зарядки, ч

Номинальное напряжение в элементе, В

Напряжение отсечки при зарядке, В/эл., 1С

Напряжение отсечки при разряде, В/эл., 1С

LiCoO2

150–190

500–1000

2–4

3,6

4,2

2,7–3

LiMn2O4

100–135

500–1000

<1

3,7

4,2

2,7–3

LiFePO4

90–120

1000–2000

<1

3,2

3,6

2,5


Особенности Li-Ion аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют:

  • низкую терпимость к перезарядке и глубокому разряду;
  • малое значение саморазряда – при комнатной температуре меньше 10% в месяц, обычно в 1-й месяц 46%, затем меньше;
  • незначительную потерю емкости за год – 5–10%;
  • температуру зарядки – от 0 до +45 С;
  • температуру разрядки (эксплуатации) от -20 до +60 °С;
  • рабочее напряжение – от 2,8 до 4,2 В;
  • требование к наличию защитного контура – у большинства Li-Ion аккумуляторов (кроме LiFePO4) нижняя граница 2,8 и верхняя 4,2 В.

Особенности зарядки литий ионных аккумуляторов

Основные особенности зарядки Li-ion аккумуляторов заключаются в следующем:

  1. Такие АКБ необходимо заряжать в комбинированном режиме CC/CV. Вначале – при стабильном токе (значением от 0,2С до 1С) до напряжения, зависящего от производителя батареи (обычно 4,2 В). Дальнейшая зарядка осуществляется при стабильном значении напряжения.
  2. Зарядка Li-Ion аккумуляторов током 1С длится 1,5 часа, а после достижения напряжения отсечки происходит плавное снижение зарядного тока примерно до 3% от начального значения.
  3. Нельзя заряжать литиевые АКБ при морозе.

Хранить Li-Ion батареи рекомендуется с уровнем заряда 40 75%, при температуре около 5 С. Хранение в прохладном месте (но не ниже 0 °С) значительно уменьшает саморазряд. Длительность хранения таких устройств колеблется от 2 до 5 лет. Стоит учесть, что литиевые АКБ подвержены старению – даже если они не эксплуатируются, а просто хранятся на полке, со временем их свойства ухудшаются.

Подробнее о том, как работают литий-ионные аккумуляторные батареи, читайте здесь.

5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы не столь «привередливы», как их никель-металл-гидридные собратья, но все равно требуют определенного ухода. Придерживаясь

пяти простых правил

, можно не только продлить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей, но и повысить время работы мобильных устройств без подзарядки.

Не допускайте полного разряда.

У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов. Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100.
Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:

Разряжайте раз в 3 месяца. Полный заряд на протяжении длительного времени также же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до нуля.
Из-за крайне нестабильного процесса заряда (мы часто заряжаем телефон как придется, и где получится, от USB, от розетки, от внешнего аккумулятора и тд.) специалисты рекомендуют раз в 3 месяца полностью разряжать аккумулятор и после этот заряжать до 100% и подержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает сбросить так называемый верхний и нижний флаги заряда аккумулятора. Более подробно об этом можно прочитать здесь.

Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.
В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.

Используйте оригинальное зарядное устройство.

Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые гаджеты, например цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи.

Не допускайте перегрева. Ну а злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура – перегрева они напрочь не переносят. Поэтому не допускайте попадания на мобильные устройства прямых солнечных лучей, а также не оставляйте их в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов:

от –40°C до +50°C

Также, вы можете посмотреть Часто Задаваемые Вопросы по аккумуляторам на нашем сайте.

Особенности и эксплуатация литий-ионных аккумуляторов типоразмера 18650

Все большее место в повседневном быту занимают различные беспроводные устройства: портативные и удобные в работе аккумуляторные дрели; ноутбуки, которые позволяют долгое время работать без использования электрической сети. Все это делает нашу повседневную жизнь удобней и легче. Но особое место занимает использование автономных аккумуляторных устройств не рядом с домом, где всегда можно поставить устройство на зарядку, а далеко от источников электропитания.

В туристическом походе, на охоте или рыбалке самым необходимым, а порой и незаменимым электрическим прибором является фонарь. Современные фонари, оснащенные светодиодами, имеют огромное количество плюсов. Но главной характеристикой любого электрического фонаря, конечно, является продолжительность его работы. Для туристов, которые отправляются в многодневные путешествия, именно продолжительность работы фонаря имеет огромное значение при выборе. А эта характеристика напрямую зависит от типа аккумулятора, которым комплектуется фонарь.

Большую роль для любого туриста играет компактность и легкость снаряжения. Поэтому важной характеристикой для элементов питания являются размеры и вес – чем меньше, тем лучше. При этом аккумуляторы должны иметь большую емкость, которая обеспечит долгую и бесперебойную работу фонаря, зачастую основного источника света в темное время суток. Современные технологии позволяют объединить воедино небольшие размер и вес с большой емкостью аккумулятора.

Одними из самых распространенных элементов питания для светодиодных фонарей являются аккумуляторы типоразмера 18650. Эти компактные аккумуляторы с относительно большой емкостью лучше всего подходят для современных источников света, часто применяемых туристами, рыбаками и охотниками.

Основные особенности аккумуляторов 18650

В самом названии указаны размеры аккумулятора – 18 миллиметров в диаметре, 65 миллиметров в длину. Несмотря на то, что внешне они похожи на привычные многим батареи типоразмера АА (так называемые «пальчиковые» батарейки), аккумуляторы 18650 крупнее по размерам. Кроме того, отличительная особенность аккумуляторов 18650 — напряжение, которое на выходе составляет 3,7 В, против 1,5 В у аккумуляторов меньшего размера. Емкость аккумуляторов 18650 бывает разной: от 1600 до 3600 мАч. При этом необходимо обратить внимание на то, что емкость качественного аккумулятора не может превышать 3600 мАч. Аккумуляторы могут использоваться в фонарях как по одному, так и в системе Power Bank – устройстве, которое соединяет в себе несколько одинаковых элементов питания.

Одно из главных качеств и преимуществ аккумуляторов – отсутствие эффекта памяти и крайне низкий уровень саморазряда. Аккумуляторы 18650 выдерживают до 1000 циклов заряда/разряда, что является очень хорошим показателем для портативных аккумуляторов. Постепенно ресурс заряда аккумуляторов снижается, но при помощи специальных технических устройств емкость можно восстановить, единственным условием для восстановления является отсутствие механических повреждений батареи.

Необходимо учитывать, что для более рационального использования ресурса аккумулятора не стоит разряжать его полностью. Оптимальной является подзарядка аккумулятора при снижении емкости до 40% от номинала. В случае правильной эксплуатации аккумулятор будет служить надежно долгое время.

Для зарядки аккумуляторов 18650 понадобится специальное зарядное устройство, которое подойдет для всех типов батарей такого типоразмера. Например, зарядное устройство ARE-X1 Fenix, зарядное устройство i1 NiteCore или зарядное устройство SmartCharger Pro Robiton.

Виды аккумуляторов типоразмера 18650

Сами батареи при общей схожести в технических характеристиках имеют различное, по типу материала катода, содержание. Несмотря на то, что все они имеют обозначение литий–ионные аккумуляторы, различают три типа:

1) литий-кобальтовые (LiCoO2) — самые распространенные аккумуляторы, характеризуются наиболее высокой емкостью среди литий–ионных аккумуляторов;

2) литий-марганцевые (LiMnO2, LiMn2O4, LiNiMnCoO2) — более известны как высокотоковые аккумуляторы (INR), способные отдавать в нагрузку токи 5-7С, но по емкости обычно уступающие литий-кобальтовым;

3) литий-феррофосфатные (LiFePO4) аккумуляторы — по всем параметрам они бесспорно выигрывают у первых двух типов, кроме рабочего напряжения и емкости.

Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки и предназначен для решения конкретных задач. Различаются они в основном емкостью и скоростью разряда.

При выборе аккумулятора 18650 в магазине всю информацию о нем, как правило, можно прочитать на корпусе батареи. Наиболее ответственные производители всегда маркируют батареи. Поэтому наличие технических характеристик на корпусе является своего рода показателем качества изделия. Универсальной или единой системы маркировки не существует. Тем не менее, чаще всего используется следующий принцип.

В маркировке, в разных сочетаниях, применяются латинские буквы. Например: буква I – указывает на то, что батарея литий–ионная, со всеми присущими таким аккумуляторам характеристиками. Буква R – обозначает, что у вас в руках аккумулятор, который можно подзаряжать при необходимости. Буквы C/M/F обозначают материал катода – кобальт, марганец или железофосфат соответственно. Комбинации букв могут быть произвольными, но в то же время всегда указываются типоразмер 18650 (длина и диаметр) и емкость в ампер-часах — от 1000 до 3600.

Правила эксплуатации аккумуляторов 18650

При многочисленных плюсах аккумуляторы 18650 имеют один недостаток, связанный с их конструкцией. Зачастую батареи быстро выходят из строя, если их перезарядить или перегреть. Перезарядка ведет к нагреву аккумулятора, после чего происходит возгорание или взрыв батареи. Фирмы производители предусмотрели вариант защиты аккумуляторов от перегрева. При использовании аккумуляторов 18650 в Power Bank при последовательном соединении в цепь устанавливается электронная плата, которая ограничивает заряд всего устройства до заданной емкости.

Для аккумуляторов 18650, применяемых, например, в фонарях, используется индивидуальная система защиты от перезарядки и последующего за ней перегрева. Защита представляет собой небольшую электронную защитную плату, которая устанавливается на минусовом контакте незащищенного литий–ионного аккумулятора и приваривается стальной лентой к корпусу. Это предотвращает не только перегрев, но и короткое замыкание, которое может вывести из строя не только аккумулятор, но и зарядное устройство. Вся конструкция упаковывается в термопленку. 

Защищенные и незащищенные аккумуляторы 18650 также имеют свою маркировку, например: protected, with protected PCB, protection circuit — на защищенных аккумуляторах, unprotected – на незащищенных. Необходимо обратить внимание на то, что крупные производители не выпускают защищенные аккумуляторы, а устанавливается защита фирмами, которые занимаются их доработкой. Таким образом, защищенные аккумуляторы выпускаются под различными брендами, количество которых очень велико.

Следует отметить, что после установки защиты длина аккумулятора 18650 увеличивается примерно на 3-4 мм, что может вызвать свои сложности. Зачастую аккумулятор большей длины не входит на штатное место как в фонаре, так и в зарядном устройстве. Нужно учитывать то, что на аккумулятор увеличенной длины с большей силой давит контактная пружина фонаря или зарядного устройства, а это может привести к продавливанию минусового контакта и поломке аккумулятора. Поэтому при покупке аккумулятора 18650 нужно проверять, подходят ли они к вашему фонарю или зарядному устройству.  Однако существуют также фонари и зарядные устройства, производители которых сразу предусматривают увеличенный размер аккумулятора. В этом случае проблем с установкой и эксплуатацией не возникает, но незащищенные аккумуляторы для таких устройств не подойдут.

Аккумуляторы, имеющие защиту, можно применять в любых устройствах, работающих на литий–ионных источниках питания, которые не имеют встроенного контроллера заряда–разряда. Возможно, конечно применение и незащищенных аккумуляторов, но в этом случае требуется контроль уровня заряда при подзарядке.

Особое место в эксплуатации аккумуляторов 18650 играет их правильное хранение. Аккумуляторы должны храниться в чехле или коробке и не контактировать в процессе хранения с металлическими изделиями. Оптимальная температура хранения — от +5 до +15 градусов по Цельсию. Правильное хранение увеличит срок службы аккумуляторов, но лучшим гарантом их долговечности будет постоянная работа. Литий–ионные аккумуляторы понемногу теряют емкость и, соответственно, ресурс при длительном хранении.

Устройства, работающие на аккумуляторах 18650

Аккумуляторы типоразмера 18650 нашли широкое применение в быту.

В настоящее время одними из наиболее распространенных устройств, работающих на аккумуляторах 18650, являются мощные светодиодные фонари. Именно такие аккумуляторы способны обеспечивать питанием мощные светодиоды. Высокая емкость аккумуляторов позволяет фонарю работать долгое время без подзарядки. Это особенно важно в длительных походах. Для светодиодного фонаря понадобится аккумулятор, оснащенный защитной платой. При использовании незащищенного аккумулятора необходим постоянный контроль его работы.

Другой большой группой устройств, в которых применяются эти элементы питания — ручные беспроводные дрели, которые для краткости называют шуруповертами. Эти крайне необходимые в строительстве и ремонте инструменты часто комплектуются аккумуляторами 18650, объединенными в Power Bank. Несомненным преимуществом таких аккумуляторов является высокий стартовый ток, который позволяет работать инструменту с высокой силовой нагрузкой. Большая емкость аккумуляторов позволяет непрерывно использовать инструмент в течение нескольких часов. В случае, если аккумулятор начинает разряжаться, его можно смело ставить на подзарядку, не боясь эффекта памяти, присущего батареям других типов. Аккумуляторы типоразмера 18650 – это наиболее оптимальный вариант для шуруповерта за счет небольших габаритов, большой емкости и относительной быстроты заряда.

Аккумуляторы 18650 применяются в батареях для ноутбуков, также объединенные в Power Bank. Они позволяют этим незаменимым гаджетам работать автономно по нескольку часов. Учитывая достаточно высокий расход электрической энергии ноутбуком, в процессе работы применяют аккумуляторы, который вместе дают большую емкость. Еще одним плюсом является то, что подзарядка аккумулятора может проводится и при работе с ноутбуком от сети, единственное, что необходимо учитывать, это то, что электропитание от сети необходимо отключать сразу, как только индикатор заряда на ноутбуке покажет, что аккумуляторы заряжены. Иначе постепенно ресурс аккумуляторов будет снижаться. Аккумуляторы, которыми комплектуются ноутбуки, зачастую подлежат восстановлению, так как хорошо защищены корпусом ноутбука и, как правило, не имеют механических повреждений.

Необходимо отметить, что в батареях ноутбуков и шуруповертов применяются только незащищенные аккумуляторы, это необходимо учитывать при их восстановлении, ремонте или замене.

Итак, подведем итоги. Большое количество современных мощных светодиодных фонарей используют в качестве источника питания аккумуляторы 18650. Легкие и компактные, такие аккумуляторы имеют достаточную емкость, чтобы обеспечить долгую работу фонаря и других устройств. Производители стараются максимально усовершенствовать конструкцию аккумуляторов, а производители устройств, работающих от аккумуляторов, в свою очередь оптимизируют свою продукция для долговременной работы именно с такими аккумуляторами, как имеющими защиту от перегрева, так и не имеющих защиты.

Мы надеемся, что эта статья поможет в выборе качественных и надежных аккумуляторов 18650 – необходимых для автономной работы различных устройств как в домашних условиях, так и в туристическом походе, на охоте или рыбалке.

(c) Cekatop.ru

Как правильно использовать литий-ионные аккумуляторы в технике и инструменте?

Во всей нашей аккумуляторной технике мы используем литий-ионные аккумуляторы. По сравнению с никель-металл-гидридными аккумуляторами, они проще в использовании и более надежны. В литий-ионных аккумуляторах отсутствует «эффект памяти», они просты в уходе и при использовании, легко переносят большие нагрузки, при этом не теряя свою работоспособность. Также литий-ионные аккумуляторы не выводятся из строя при долгом хранении, если соблюдены правильные условия.

Несмотря на эти преимущества, все равно стоит придерживаться нескольких простых правил использования, чтобы продлить жизнь вашему аккумулятору, а также увеличить время работы инструмента без подзарядки.

Избегайте полного разряда аккумулятора

Если вы видите, что в аккумуляторе осталось слишком мало заряда, рекомендуем не дожидаться его полного разряда и ставить аккумулятор на зарядку. Вы можете не ждать, пока аккумулятор будет заряжен, а использовать запасной. Для всей аккумуляторной техники WORX используется универсальный аккумулятор PowerShare мощностью 20 V. У литий-ионных аккумуляторов нет «эффекта памяти», и вам не надо беспокоиться за то, что он «привыкнет» работать только на 60%. А вот как раз частая полная разрядка аккумулятора уменьшит срок его службы. Чтобы не допустить этого, чаще ставьте аккумулятор на зарядку. В наших аккумуляторах WORX PowerShare встроена плата-контроллер, защищающая аккумулятор от перезаряда. Она автоматически отключает питание при достижении нужного количества заряда.

Полностью разряжайте аккумулятор раз в 3 месяца

Как и полная разрядка аккумулятора, так и постоянное поддержание полного заряда батареи сказывается на сроке ее службы. Как правило, при частом использовании инструмента процесс зарядки аккумулятора становится непостоянным, что также снижает его работоспособность. Это случается из-за использования разных источников питания или ненормированной нагрузки на аккумулятор. Для профилактики, рекомендуется примерно раз в три месяца разряжать аккумулятор до его полного выключения, а затем заряжать до 100% и после продержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает привести аккумулятор в «тонус» и не позволяет уменьшаться уровню емкости батареи.

Не храните аккумулятор полностью разряженным или заряженным долгое время

Если вы редко пользуетесь аккумуляторным инструментом или в течении долгого времени сам аккумулятор не востребован, рекомендуется не оставлять батарею полностью разряженной или заряженной на 100%. Оптимальный уровень зарядки батареи для долгого хранения без использования – примерно 30-50%. Полностью заряженный аккумулятор со временем потеряет уровень ёмкости. А полностью разряженный и подавно придется отправить на свалку – он может вовсе выйти из строя.

Оберегайте ваш аккумулятор от высоких температур и влаги

Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к высоким температурам – это быстро выводит их из строя. Из-за высоких температур аккумулятор теряет свою мощность и его уровень емкости становится гораздо ниже. Во время зарядки аккумулятора не оставляйте его на солнце, вблизи раскаленных или отопительных приборов. Максимальные температуры, при которых возможно безопасное использование литий-ионных аккумуляторов – от –20°C до +50°C. Также аккумуляторы портятся из-за хранения их во влажных местах: влага негативно воздействует на батарею и её внутренние составляющие, что может вывести аккумулятор из строя. Поэтому рекомендуется оберегать батареи от чрезмерной влаги.

Если вы будете следовать этим простым советам, то не только продлите жизнь вашему аккумулятору, но и увеличите время работы инструмента без подзарядки. Необходимо помнить о главных особенностях литий ионных аккумуляторов и не допускать отсновных ошибок использования:

  • Использование инструмента до полного разряда аккумулятора
  • Высокие температуры и влажность
  • Неправильное хранение аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды.Работа и применение

Сегодня именно литий-ионные аккумуляторы наиболее часто применяются в различных областях. Особенно широко они используются в мобильной электронике (КПК, мобильные телефоны, ноутбуки и многое другое), электромобилях и так далее. Это связано с их преимуществами в сравнении с ранее широко применявшимися никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлогидридными (Ni-MH) аккумуляторами. И если последние приблизились вплотную к своему теоретическому пределу, то технологии литий-ионные аккумуляторы находятся в начале пути.

Устройство

В литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) работает алюминий, а положительным электродом (анодом) выступает медь. Электроды могут быть выполнены в разной форме, однако, как правило, это фольга в форме продолговатого пакета или цилиндра.

  • Анодный материал на медной фольге и катодный материал на алюминиевой фольге разделяются пористым сепаратором, который пропитан электролитом.
  • Пакет электродов устанавливаются в герметичный корпус, а аноды и катоды подсоединяются к клеммам-токосъемникам
  • Под крышкой аккумулятора могут быть специальные устройства. Одно устройство реагирует увеличением сопротивления на положительный температурный коэффициент. Второе устройство разрывает электрическую связь между положительной клеммой и катодом при повышении давления газов в аккумуляторе сверх допустимого предела. В некоторых случаях корпус оснащается предохранительным клапаном, который сбрасывает внутреннее давление при нарушениях условий эксплуатации или аварийных ситуациях.
  • Для повышения безопасности эксплуатации в ряде аккумуляторов применяется и внешняя электронная защита. Она не допускает возможности чрезмерного разогрева, короткого замыкания и перезаряда аккумулятора.
  • Конструктивно аккумуляторы производятся в призматическом и цилиндрическом вариантах. Свернутый в виде рулона пакет сепаратора и электродов в цилиндрических аккумуляторах помешен в алюминиевый или стальной корпус, с которым соединяется отрицательный электрод. Через изолятор на крышку выводится положительный полюс аккумулятора. Призматические аккумуляторы создаются складыванием прямоугольных пластин друг на друга.

Подобные литий-ионные аккумуляторы позволяют обеспечить более плотную упаковку, однако в них труднее поддерживать сжимающие усилия на электроды, чем в цилиндрических. В ряде призматических батарей используется рулонная сборка пакета электродов, скрученных в эллиптическую спираль.

Большая часть аккумуляторов производится в призматических вариантах, так как основное их назначение — обеспечение работы ноутбуков и мобильников. Конструкция Li-ion аккумуляторов отличается абсолютной герметичностью. Данное требование продиктовано недопустимостью вытекания жидкого электролита. Если пары воды или кислород попадут внутрь, то происходит реакция с электролитом и материалами электродов, что ведет к полному выводу аккумулятора из строя.

Принцип действия
  • В литий-ионных аккумуляторах имеются два электрода в виде анода и катода, между ними находится электролит. На аноде при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов.
  • Указанные электроны стремятся попасть на катод, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией.
  • Положительно заряженные ионы лития, которые были оставлены убежавшими электронами, в то же время через электролит направляются к катоду, дабы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода.
  • После перемещения всех электронов к катоду наступает «смерть» батарейки. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять.

При помощи зарядного устройства можно впустить энергию в цепь, тем самым будет запущена реакция протекания в обратном направлении. В результате будет получено скопление электронов на аноде. После перезаряда аккумулятора он по большей части будет оставаться таковым до момента приведения его в действие. Однако с течением времени батарея будет утрачивать часть своего заряда даже в режиме ожидания.

  • Емкость батареи подразумевает количество ионов лития, которые могут внедриться в кратеры и крошечные поры анода или катода. Со временем, после многочисленных перезарядок катод и анод деградируют. В результате число ионов, которые они могут вместить, уменьшается. При этом аккумулятор более не может удерживать прежнее количество заряда. В конце концов, он полностью утрачивает свои функции.

Литий-ионные аккумуляторы выполнены так, что их зарядку нужно постоянно контролировать. С этой целью в корпус устанавливается специальная плата, она называется контроллер заряда. Чип на плате производит управление процессом зарядки аккумулятора.

Стандартная зарядка аккумулятора выглядит следующим образом:
  • Контроллер в начале процесса заряда подает ток величиной 10% от номинального. В данный момент напряжение поднимается до 2,8 В.
  • Затем ток заряда повышается до номинального. В данный период напряжение при постоянном токе растет до 4,2 В.
  • В завершении процесса заряда ток падает при постоянном напряжении 4,2 В до момент 100% заряда батареи.

Стадийность может отличаться в виду применения разных контроллеров, что ведет к разной скорости зарядки и соответственно суммарной стоимости аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы могут быть без защиты, то есть контроллер находится в зарядном устройстве, либо со встроенной защитой, то есть контроллер располагается внутри батареи. Могут быть устройства, где плата защиты встроена непосредственно в аккумулятор.

Разновидности и применение
Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:

  1. Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.

  2. Таблеточные литий-ионные аккумуляторы.

Разные подвиды электрохимической литий-ионной системы называются по типу применяемого активного вещества. Объединяет все эти литий-ионные аккумуляторы то, что все они являются герметичными необслуживаемым аккумуляторам.

Можно привести 6 наиболее распространенных типов литий-ионных аккумуляторов:
  1. Литий-кобальтовый аккумулятор. Он является популярным решением для цифровых камер, ноутбуков и мобильных телефонов в виду высокого показателя удельной энергоемкости. Аккумулятор состоит из катода из оксида кобальта и графитового анода. Недостатки литий-кобальтовых аккумуляторов: ограниченные возможности нагрузки, низкая термическая стабильность и относительно короткий срок службы.

Области применения

; мобильная электроника.
  1. Литий-марганцевый аккумулятор. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели выделяется трехмерной каркасной структурой. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, однако отличается более умеренной удельной энергоемкостью, чем кобальт.

Области применения; электрические силовые агрегаты, медицинское оборудование, электроинструмент.

  1. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор. В катоде батареи сочетаются кобальт, марганец и никель. Никель славится высокой удельной энергоемкостью, однако низкой стабильностью. Марганец обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, однако приводит к низкой удельной энергоемкости. Сочетание металлов позволяет компенсировать их минусы и задействовать сильные стороны.

Области применения; для частного и промышленного использования (источники бесперебойного питания, системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее).

  1. Литий-железо-фосфатный аккумулятор. Его основные преимущества: длительный срок службы, высокие показатели силы тока, стойкость к неправильному использованию, повышенная безопасность и хорошая термическая стабильность. Однако у такого аккумулятора небольшая емкость.

Области применения;

 стационарные и портативные специализированные устройства, где нужны выносливость и высокие токи нагрузки.
  1. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор. Его основные преимущества: высокие показатели плотности энергии и энергоемкости, долговечность. Однако показатели безопасности и высокая стоимость ограничивают его применение.

Области применения; электрические силовые агрегаты, промышленность и медицинское оборудование.

  1. Литий-титанатный аккумулятор. Его основные преимущества: быстрая зарядка, длительный срок службы, широкий температурный диапазон, отличные показатели производительности и безопасности. Это наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.

Однако у нее высокая стоимость и низкая удельная энергоемкость. На данный момент ведутся разработки по удешевлению производства и увеличению удельной энергоемкости.

Области применения; уличное освещение на солнечных элементах, электрические силовые агрегаты автомобилей (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), ИБП.

Типичные характеристики
В целом литий-ионные аккумуляторы имеют следующие типичные характеристики:
  • Минимальное напряжение — не ниже 2,2-2,5В.
  • Максимальное напряжение – не выше 4,25-4,35В.
  • Время заряда: 2-4 часа.
  • Саморазряд при комнатной температуре – порядка 7 % в год.
  • Диапазон рабочих температур, начиная от −20 °C и заканчивая +60 °C.
  • Число циклов заряд/разряд до достижения потери 20% емкости составляет 500-1000.
Достоинства и недостатки
К преимуществам можно отнести:
  • Высокая энергетическая плотность при сравнении с щелочными аккумуляторами с применением никеля.
  • Достаточно высокое напряжение одного аккумуляторного элемента.
  • Отсутствие «эффекта памяти», что обеспечивает простую эксплуатацию.
  • Значительное число циклов заряда-разряда.
  • Длительный срок эксплуатации.
  • Широкий температурный диапазон, обеспечивающий неизменные рабочие характеристики.
  • Относительная экологическая безопасность.
Среди недостатков можно выделить:
  • Умеренный ток разряда.
  • Относительно быстрое старение.
  • Сравнительно высокая стоимость.
  • Невозможность работы без встроенного контроллера.
  • Вероятность самовозгорания при высоких нагрузках и при слишком глубоком разряде.
  • Конструкция требует существенных доработок, ведь она не доведена до совершенства.
Похожие темы:

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→

Li-ion аккумуляторы в смартфонах | достоинства и особенности зарядки

Ёмкость аккумулятора – один из основных параметров, от которых зависит выбор телефона. Сегодня характеристики смартфонов таковы, что для обеспечения их полноценной работы требуются все более мощные батареи. Ранее в качестве источников питания для них применялись в основном аккумуляторы на основе никеля (NiMH и NiCd), но теперь ситуация в корне изменилась, и на первое место вышли литиевые (Li-ion/Li-pol) батареи. Именно они устанавливаются в самых популярных смартфонах, в том числе и бренда Highscreen.

Почему Li-ion / Li-pol аккумулятор?

Литиевые аккумуляторы неспроста получили такое распространение именно в смартфонах и прочей мобильной электронике.

Среди достоинств литий-ионных/ литий-полимерных аккумуляторов выделяются:

Высокая плотность накопления энергии. Это означает, что при одинаковых габаритах литиевая батарея будет иметь большую емкость, чем, например, созданная на основе никеля. А для смартфонов вопрос сохранения габаритов при улучшении рабочих параметров является одним из самых актуальных.

Простота конструкции. Для литиевых аккумуляторов характерно высокое напряжение единичных элементов (3,6В, для никелевых аналогов эта величина составляет 1,2В). За счет этого аккумулятор может состоять всего из одного элемента, что значительно упрощает его изготовление. 

Небольшой саморазряд. Самостоятельная разрядка Li-ion/Li-pol батарей минимальна, они теряют энергию только при активном использовании.

Недостатков у литиевых аккумуляторов не так много — более высокая, чем, например у Ni-Cd, стоимость, и подверженность процессу, который условно называют «старением». Даже если аккумулятор не используется и всего лишь хранится на полке со временем теряется свои свойства. Кроме того, применение Li-ion/Li-pol подразумевает наличие встроенных схем защиты, ограничивающих максимальное напряжение и токи при заряде. 

Ёмкость таких батарей для смартфонов в среднем составляет 3000мАч, этого хватает для активной работы аппарата в течение суток. Также выпускаются «долгоиграющие» модели с аккумуляторами 4000/5000/6000 мАч . Такие модели представлены, например, в каталоге смартфонов Хайскрин: Highscreen Power Five Max 2

Правила использования аккумуляторов в смартфоне

Прежде, чем выбрать смартфон с Li-ion/Li-pol аккумулятором, стоит ознакомиться с некоторыми особенностями использования таких батарей.

Во-первых, нужно стараться избегать полного разряда аккумулятора. В отличие от предыдущего поколения в Li-ion/Li-pol батареях нет так называемого «эффекта памяти», это означает, что их рекомендуется подзаряжать, не дожидаясь полного расхода заряда. Производители обычно рассчитывают период использования батареи в циклах полного разряда (до нуля). Для литиевых этот показатель обычно составляет 500-800 циклов. Подзарядка аккумулятора без полного разряда позволит увеличить число циклов и продлить жизнь батареи до 1000-1100. Cмартфоны можно смело заряжать, не только, как индикатор энергии опустится ниже 15%, но и в любой момент, даже когда заряд равен 60%. Это не наносит вред ёмкости для будущего.

Во-вторых, если смартфон не будет использоваться в течение какого-то времени, то Li-ion/Li-pol аккумулятор стоит разрядить наполовину. Оптимальным считается хранение с 30-50% заряда. Батарея, долгое время хранящаяся разряженной, работать нормально уже не будет.

В-третьих, нельзя допускать перегревов батареи. Конечно, мощный смартфон нередко нагревается при активном использовании, но на такой нагрев Li-ion/Li-pol батареи рассчитаны. А вот на воздействие прямого солнца и непосредственный нагрев от источников тепла – уже нет. Допустимый температурный предел для них составляет +50?С. То есть в летнюю жару использовать смартфон на солнцепеке не нужно

Что же касается зарядки Li-ion смартфонов, то лучше использовать для них либо оригинальные зарядные устройства производителя из комплекта, либо зарядные прочих известных производителей, которые изготовляются с учетом строгой проверки качества и соответствующих технических норм.


Интернет-магазин сотовых телефонов Highscreen

Каталог смартфонов Хайскрин

Из чего сделаны литиевые батареи и каковы их плюсы и минусы?

Литиевые батареи, впервые предложенные в 1970-х годах и производимые Sony в 1991 году, сейчас используются в мобильных телефонах, самолетах и ​​автомобилях. Несмотря на ряд преимуществ, которые привели их к все большему успеху в энергетической отрасли, литий-ионные батареи имеют некоторые недостатки и являются темой, которая вызывает много дискуссий.

А что такое литиевые батареи и как они работают?

Из чего сделаны литиевые батареи?

Литиевая батарея состоит из четырех основных компонентов. Он имеет катод, который определяет емкость и напряжение батареи и является источником ионов лития. Анод позволяет электрическому току проходить через внешнюю цепь, и когда батарея заряжена, ионы лития накапливаются в аноде.

Электролит состоит из солей, растворителей и добавок и служит проводником для ионов лития между катодом и анодом.Наконец, есть разделитель, физический барьер, разделяющий катод и анод.

Плюсы и минусы литиевых батарей Литиевые батареи

имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем другие батареи. У них может быть до 150 ватт-часов (Втч) энергии на килограмм (кг), по сравнению с никель-металлогидридными батареями при 60-70Втч / кг и свинцово-кислотными батареями при 25Втч / кг.

У них также более низкая скорость разряда, чем у других, они теряют около 5% своего заряда за месяц по сравнению с никель-кадмиевыми (NiMH) батареями, которые теряют 20% за месяц.

Однако литиевые батареи также содержат горючий электролит, который может вызвать небольшие возгорания батарей. Именно это привело к печально известному возгоранию смартфонов Samsung Note 7, что вынудило Samsung свернуть производство и потерять 26 миллиардов долларов в рыночной стоимости. Следует отметить, что этого не произошло с крупномасштабными литиевыми батареями.

Литий-ионные батареи также дороже в производстве, поскольку их производство может стоить почти на 40% дороже, чем никель-кадмиевые батареи.

Конкуренты Литий-ионный аккумулятор

сталкивается с конкуренцией со стороны ряда альтернативных аккумуляторных технологий, большинство из которых находятся в стадии разработки.Одна из таких альтернатив — аккумуляторы, работающие на морской воде.

Разрабатываемые Aquion Energy, они состоят из соленой воды, оксида марганца и хлопка для создания чего-то, что производится с использованием «обильных, нетоксичных материалов и современных недорогих производственных технологий». По этой причине они являются единственными батареями в мире. сертифицированы по принципу «от колыбели до колыбели».

Подобно технологии Aquion, «Blue Battery» AquaBattery использует смесь соли и пресной воды, протекающей через мембраны для хранения энергии.Другие возможные типы батарей включают аккумуляторы Bristol Robotics Laboratory с питанием от мочи и литий-ионные аккумуляторы Калифорнийского университета в Риверсайде, в которых в качестве анода используется песок, а не графит, что приводит к созданию аккумулятора, который в три раза мощнее промышленного стандарта.

Связанные компании

Алимак

Реечные и шестеренные подъемники для энергетики

28 августа 2020

Исследование характеристик литий-ионных аккумуляторов Li-NiMnCo в электромобилях

Плотность энергии материалов канода для литий-ионных аккумуляторов оказывает большое влияние на запас хода электромобилей.Чтобы изучить зарядно-разрядные характеристики и возможность применения литий-ионных аккумуляторов Li-NiMnCo для транспортных средств, была проведена серия экспериментов по заряду и разрядке литий-ионных аккумуляторов Li-NiMnCo с разной скоростью (отношение никеля, кобальт и марганец были 5: 2: 3) в режиме постоянного тока-постоянного напряжения. Во-первых, был проведен ряд зарядно-разрядных экспериментов на различных типах одноэлементных литий-ионных аккумуляторов. Результаты показывают, что в температурных условиях кривые напряжение-емкость заряда и разряда четырех различных типов литиевых батарей Li-NiMnCo, упомянутых в статье, не сильно различаются, а характеристические кривые заряда-разряда аналогичны, что указывает на то, что разные типы литиевых батарей типы аккумуляторов с одинаковым составом материала имеют схожие характеристики заряда и разряда.Впоследствии на таких тройных литиевых батареях была проведена серия испытаний заряда и разряда с разными скоростями. Характеристические кривые с различными скоростями заряда-разряда показывают, что этот новый тип тройной литиевой батареи обладает высокой способностью к заряду и разрядке и подходит для использования в электромобилях новой энергии. Кроме того, анализируя кривую напряжение-SOC при различных условиях увеличения, известно, что существует приблизительная линейная зависимость между значением напряжения батареи и SOC в определенном диапазоне SOC.Значение SOC можно оценить по напряжению батареи, которое следует контролировать в разумных пределах, чтобы избежать перезарядки или чрезмерной разрядки батареи, что приведет к необратимому повреждению батареи.

1. Введение

Электромобили (EV) широко считаются наиболее многообещающими транспортными средствами и в последние годы быстро развиваются. Как обычное звено накопления энергии для транспортных средств на новой энергии, аккумуляторные батареи являются узким местом, ограничивающим разработку транспортных средств на новой энергии.Их производительность оказывает важное влияние на запас хода, заряд и безопасность электромобилей. Важнейшие характеристики аккумуляторной батареи включают плотность мощности, плотность энергии, срок службы, стоимость и безопасность [1, 2]. Свинцово-кислотные батареи широко используются во многих областях, благодаря низкой цене, богатым ресурсам, стабильной работе, безопасности и надежности, пригодности для вторичной переработки, повторного использования и т. Д. Однако их удельная энергия и удельная мощность низкие, а срок службы короткий. В настоящее время свинцово-кислотные батареи редко используются в качестве накопителя энергии в электромобилях [3].По сравнению со свинцово-кислотными батареями никель-металлогидридные батареи обладают такими преимуществами, как отсутствие загрязнения окружающей среды, большая удельная энергия, большая удельная мощность и длительный срок службы, но они имеют низкое одиночное напряжение, относительно высокую скорость саморазряда, высокую цену, и узкий диапазон рабочих температур. В настоящее время в некоторых электромобилях все еще используются никель-металлогидридные батареи в качестве компонентов для хранения энергии. Ультраконденсаторы обладают преимуществами длительного срока службы, высокой удельной мощности, высокой скорости заряда, высокого диапазона рабочих температур и высокой безопасности, но при небольшой плотности энергии.Ультраконденсаторы в настоящее время широко используются в электромобилях [4]. Литий-ионные батареи обладают превосходными комплексными характеристиками по энергии, удельной мощности и сроку службы. Поэтому обычно лучше всего использовать литий-ионную батарею в качестве аккумуляторной батареи, основываясь на всестороннем рассмотрении ее энергии, удельной мощности и срока службы для аккумуляторных электромобилей (BEV), гибридных электромобилей (HEV) и подключаемых модулей. в гибридных электромобилях (PHEV). С другой стороны, литий-ионные аккумуляторы требуют особой осторожности при работе с электромобилями, например при перегрузке по току, перенапряжении или перезарядке / разрядке, что может вызвать серьезные проблемы с безопасностью аккумуляторов, заметно ускорить процесс старения и даже вызвать пожар или взрыв [ 5–7].В ближайшем будущем литий-ионные аккумуляторы, являющиеся одной из основных технологий нового энергетического автомобиля, могут найти широкое применение.

Литий-ионный одиночный элемент обычно состоит из положительного электрода, отрицательного электрода и электролита. Выбор материала электрода определяет тип и основные характеристики батареи. В настоящее время обнаружены и синтезированы новые катодные материалы: LiMN 2 O 4 , LiFePO 4 и Li-NiMnCo. В качестве материала отрицательного электрода можно использовать графит.Сравнивая характеристики нескольких обычно используемых литий-ионных катодных материалов, материалы Li-NiMnCo обладают лучшими комплексными характеристиками с точки зрения плотности энергии, удельной мощности и срока службы. В последнее десятилетие исследования материалов для литий-ионных аккумуляторов привлекают все больше и больше внимания исследователей. Литий-ионный аккумулятор можно разделить на сжиженный литий-ионный аккумулятор (или сокращенно LIB) и полимерный литий-ионный аккумулятор (или просто PLIB) в зависимости от электролита. Полимерный литий-ионный аккумулятор (PLB) можно превратить в ультратонкий аккумулятор произвольной формы и размера.Следовательно, у него широкая перспектива применения. Характеристики заряда-разряда и управление батареями литиевых батарей являются узким местом в развитии энергетических технологий. Материал анода — это сердцевина и ключевой материал литиевой батареи. Плотность энергии анодного материала тесно связана с модельным рядом электромобилей, и его стоимость составляет около 1/3 стоимости литиевой батареи. Поэтому разработка анодных материалов с высокой плотностью энергии, длительным сроком службы, высокой безопасностью и низкой стоимостью имеет решающее значение для крупномасштабного коммерческого использования литиевых батарей и электромобилей [8].

С увеличением исследований в области SOC (State of Charge) и SOH (State of Health) [9–17], в настоящее время повышается точность модели заряда и разряда силовых батарей, особенно литий-ионных батарей. основная цель исследования. Доступная емкость аккумулятора может влиять и даже определять, как долго аккумулятор может быть полностью заряжен и, следовательно, как далеко может проехать автомобиль. Подходы к зарядке могут защитить батареи от перегрева, улучшить использование емкости и продлить срок службы, что имеет большое значение.Существует четыре традиционных подхода к зарядке электромобилей, включая заряд постоянным током (CC), заряд постоянного напряжения (CV), заряд постоянного тока-постоянного напряжения (CC-CV) и многоступенчатый заряд постоянного тока (MCC) [ 18]. Заряд CC — это грубый, но простой подход, который широко используется для литий-ионных аккумуляторов [19]. В [20] метод заряда CC впервые представлен для зарядки NiCd или NiMH аккумуляторов. Поскольку поведение аккумуляторов сильно зависит от текущей скорости заряда CC, поиск подходящей скорости зарядного тока для CC-заряда является сложной задачей.Скорость заряда улучшается, но процесс старения батареи усугубляется большим током при зарядке CC. В то время как достигается высокий уровень использования емкости, слишком низкий уровень тока замедлит скорость зарядки аккумулятора при небольшом уровне тока при зарядке CC. Подходы к правильной зарядке аккумулятора могут быть эффективно разработаны в соответствии с достаточно точной оценкой SOC, SOH и температуры.

Литий-ионный аккумулятор — это своего рода высокоэффективный аккумуляторный элемент. Математическую модель батареи сложно создать с точки зрения механизма из-за сложности и сильной нелинейности батареи.Чтобы обеспечить поддержку данных и теоретическую поддержку управления батареями, метод тестирования обычно используется для изучения характеристик батареи, а большое количество экспериментальных данных используется для обобщения внешних характеристик батареи в практическом применении. Перспективные приложения, такие как электромобили и интеллектуальные сети, уже побудили многих исследователей улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов. Одно из направлений исследований — изучение материалов анодных аккумуляторов. Предыдущие исследования показали, что в качестве анодных материалов для литий-ионных батарей можно использовать множество материалов.В этой статье мы сосредоточимся на литий-ионных аккумуляторах Li-NiCoMn. Мы провели предварительное исследование данных испытаний заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов Li-NiCoMn, чтобы проанализировать и изучить характеристики заряда и разряда Li-NiCoMn аккумуляторов. Была проведена серия экспериментов в различных условиях. Вклад этой статьи состоит из трех следующих частей. (1) Была проведена серия экспериментов для определения емкости литий-ионного аккумулятора Li-NiCoMn при различных условиях заряда CC (2) Получены характеристические кривые заряда и разряда литий-ионного аккумулятора при различных условиях заряда CC (3) Результаты экспериментов могут помочь в поиске правильного значения тока заряда аккумулятора с целью дальнейшего улучшения характеристик заряда.

Эта статья организована следующим образом.В разделе 2 подробно описан ряд экспериментов по определению емкости литий-ионной батареи Li-NiCoMn, используемой в этой статье. Раздел 3 описывает серию испытаний заряда и разряда для одной литий-ионной батареи Li-NiCoMn. Наконец, раздел 4 завершает этот документ резюме вкладов и обсуждением возможных расширений.

2. Испытания зарядных характеристик одноэлементных литий-ионных аккумуляторов Li-NiCoMn

В этой статье выбран недавно разработанный тройной Li-NiMnCo (соотношение материалов никеля, марганца и кобальта составляет 5: 2: 3). в качестве тестового объекта.Его основные параметры показаны в Таблице 1. Из Таблицы 1 видно, что его номинальная емкость составляет 10,0 Ач, напряжение отсечки заряда составляет 4,4 В, а напряжение отсечки разряда составляет 2,75 В. Другие параметры, такие как вес элемента и элемент размеры также показаны в таблице 1.


Элемент Спецификация

Номинальное напряжение 3,7 В
Напряжение отключения заряда 4.4 В
Напряжение отсечки разряда 2,75 В
Вес элемента
Размер элемента Толщина: (полная зарядка)
Ширина: (без складывания)
Высота:

Как показано на рисунке 1, схема испытательного стенда батареи состоит из трех частей: термостата, BTS (система тестирования батарей) и BTS Client. Рабочий диапазон термостата составляет –80 ° –150 °, точность — 0.1 °, что может обеспечить подходящую и стабильную температуру окружающей среды для выбранной литий-ионной батареи. Литий-ионный аккумулятор, который соединяется с BTS через зажим аккумулятора и помещается в термостат. Клиент BTS установлен на компьютере, который обменивается данными с BTS через TCP / IP. Он может установить рабочее состояние BTS и выполнить функции сбора и анализа данных серии экспериментов, описанных в этой статье.


Целью данной статьи является изучение поведения Li-NiCoMn элемента.Содержание теста включает в себя соотношение между напряжением заряда и емкостью аккумулятора, соотношение между напряжением заряда аккумулятора и SOC, эффективность заряда аккумулятора и характеристики заряда при разных скоростях заряда CC. Характеристики заряда суммируются с помощью большого количества тестов, которые могут помочь в поиске правильного значения тока заряда-разряда батареи для дальнейшего улучшения характеристик заряда-разряда.

2.1. Испытания зарядной емкости одноэлементных десятичных литий-ионных аккумуляторов Li-NiMnCo

Для анализа емкости выбранного материала тройных литиевых аккумуляторов был разработан ряд экспериментов для разных типов аккумуляторов в режиме заряда-разряда CC от разных производителей. .В таблице 2 представлены результаты испытаний. В таблице 2 анодные материалы ZH и PU50D во втором столбце получены от China Zhenhua (Group) Technology Co., Ltd. и Peking University Industrial Co., Ltd., а катодные материалы AML402 и YI202 в третьей столбце — от Dongguan Kaijin. Новая энергия. Technology Co., Ltd. и материалы столбца 4 CG-CS и TCE8633 — это два разных электролита. Емкость в таблице 1 — это соответствующая емкость зарядного аккумулятора, когда каждая отдельная ячейка заряжается до напряжения отсечки 4.4 В с постоянной скоростью 1 C.


Модель аккумулятора Анод Катод Электролит Емкость (мАч)

# 1 ZH AML402 CG-CS 11087
# 2 ZH YI202 CG-CS 11001
# 3 ZH YI202 TCE8633
# 4 PU50D YI202 TCE8633 10709

Из таблицы 2 видно, что четыре различных типа тройных материалов Li-NiMnCo имеют более высокая емкость заряда в режиме заряда постоянным током 1 С.Для разных моделей аккумуляторов разница в емкости заряженных аккумуляторов небольшая.

2.2. Испытания зарядных характеристик одноэлементных литий-ионных Li-NiMnCo аккумуляторных батарей

Для анализа зарядных характеристик трехкомпонентных Li-NiMnCo аккумуляторов, показанных в таблице 2, был проведен ряд экспериментов по зарядке для четырех типов аккумуляторов в режиме заряда CC разработан в этом разделе. Процесс зарядки происходит при нормальных температурных условиях и заряжает элементы с постоянной скоростью от 1 ° C до 4 ° C.4 В. Согласно экспериментальным данным, соотношение между напряжением и емкостью четырех различных моделей получено, как показано на рисунке 2. На рисунке 3 показано соотношение между напряжением заряда и SOC четырех различных типов тройных литиевых батарей.



Сравнивая четыре кривые на Рисунке 2, можно увидеть, что кривые ёмкости по напряжению для разных моделей аккумуляторов схожи, что указывает на то, что анодные материалы от разных производителей, но имеют одинаковое соотношение в составе Ni, Mn и Co имеют небольшую разницу в характеристической кривой заряда одиночной тройной литиевой батареи.

Как показано на Рисунке 2, рабочее напряжение тройной литиевой батареи прошло три стадии: напряжение растет быстрее на ранней и поздней стадиях заряда, а в середине заряда кривая заряда имеет тенденцию быть плоской. Основываясь на этой характеристике заряда батареи, мы можем использовать кусочную функцию для оценки емкости заряда батареи путем измерения значения напряжения батареи. Во время эксперимента следует отметить, что напряжение аккумулятора не может быть выше напряжения отключения заряда, что приведет к необратимому повреждению аккумулятора.

Как видно из рисунка 3, в диапазоне значений SOC от 15% до 65% кривая представляет собой примерно прямую линию с небольшим наклоном. Находясь в диапазоне значений SOC от 65% до 100%, аппроксимация кривой также является приблизительно прямой линией с немного большим наклоном. В гибридном автомобиле аккумулятор часто находится в нерабочем состоянии даже во время работы транспортного средства; значение OCV можно легко измерить. Следовательно, значение SOC можно предсказать по значению OCV с использованием кусочной функции в соответствии с этой характеристикой представления кривой.

2.3. Тесты характеристик скорости заряда одноэлементной литий-ионной Li-NiMnCo аккумуляторной батареи

В этом разделе тесты скорости заряда проводятся с использованием одноэлементных литий-ионных Li-NiMnCo аккумуляторных батарей. Рисунки 4 (a) –4 (d) показывают кривые ёмкости четырёх различных типов литиевых батарей; На рисунках 5 (a) –5 (d) показаны кривые SOC-OCV для четырех различных типов литиевых батарей.

Как видно из рисунков 4 (a) –4 (d), используемые тройные литиевые батареи имеют лучшие зарядные характеристики, поэтому их можно заряжать с большей скоростью.Сравнивая рисунки 4 (a) –4 (d), можно обнаружить, что кривые заряда аккумулятора аналогичны для 4 различных типов аккумуляторов, и каждый тип аккумулятора может принимать заряд с постоянной скоростью 4 ° C. Кроме того, емкость заряженной батареи уменьшается с увеличением скорости зарядки.

Аналогичным образом, из рисунков 5 (a) –5 (d) мы можем получить, что в условиях заряда с постоянной скоростью 4 C, когда значение SOC больше примерно 8%, кривые аппроксимируют прямые линии. Соответственно, значение SOC также можно оценить путем измерения напряжения.

3. Испытания разрядных характеристик одноэлементных литий-ионных аккумуляторов Li-NiCoMn

В этом разделе проводится серия экспериментов с разрядом, а экспериментальные объекты такие же, как и в разделе 2. Экспериментальный процесс: разрядить элементы с помощью постоянная скорость 0,5 C до напряжения отсечки 2,75 В. Соответственно, содержание теста включает соотношение между напряжением разряда и емкостью батареи, соотношение между напряжением разряда батареи и SOC, эффективность разряда батареи и разрядные характеристики разных скоростей.В ходе этих испытаний получают характеристики разряда батареи, и обобщаются характеристики разряда батареи, что закладывает основу для оценки состояния батареи и оценки работоспособности, а также обеспечивает теоретическую основу для рационального и эффективного использования батареи.

3.1. Испытания разрядной емкости одноэлементных литий-ионных литий-ионных аккумуляторов Li-NiMnCo

В таблице 3 показана емкость четырех различных типов тройных материалов, изученных в этой статье. Емкость в таблице — это соответствующая разрядная емкость аккумулятора, когда каждая отдельная ячейка разряжается в режиме разрядки с постоянным током 1 ° C до напряжения отсечки 2.75 В.


Модель Анод Катод Электролит Емкость

# 1 ZH AML402 CG- 12142
# 2 ZH YI202 CG-CS 11785
# 3 ZH YI202 TCE8633 12002
PUD # 4 YI202 TCE8633 11614

Из таблицы 3 видно, что в состоянии полной мощности четыре разных типа тройных Li-NiMnCo батарей могут разрядить большое количество электричество при разряде до напряжения отсечки 2.75 В в режиме разряда с постоянным током 1 С. Разница в емкости батарей четырех типов невелика.

3.2. Испытания разрядных характеристик одноэлементной литий-ионной Li-NiMnCo аккумуляторной батареи

Аналогично разделу 2.2, с целью анализа разрядных характеристик отдельных Li-NiMnCo аккумуляторных батарей, в этом помещении был проведен ряд экспериментов по разрядке четырех типов аккумуляторов. раздел. Процесс разряда происходит в нормальных температурных условиях, аккумуляторы разряжены до напряжения отсечки 2.75 В при постоянном токе с коэффициентом 1 С. Согласно экспериментальным данным, соотношение между напряжением и разрядной емкостью четырех различных моделей получено, как показано на рисунке 6. На рисунке 7 показаны кривые OCV-SOC для четырех разных типов литиевых батарей, разряженных до напряжения отсечки 2,75 В.



При сравнении кривых на рисунке 6, напряжение быстро падает на начальной стадии разряда батареи, затем кривая разряда постепенно становится плоской, а на более поздней стадии разряда кривая напряжения линейно уменьшается.Различные типы батарей имеют определенные различия на более поздней стадии разряда. Основываясь на этой характеристике разряда батареи, мы можем использовать кусочную функцию для оценки разрядной емкости батареи путем измерения значения напряжения батареи. Из характеристической кривой более поздней стадии разряда следует отметить, что напряжение батареи не может быть ниже напряжения отсечки разряда; в противном случае произойдет переразряд, что приведет к необратимому повреждению аккумулятора.На рисунке 6 показано напряжение разряда как функция SOC. Как видно из рисунка 7, в диапазоне SOC от примерно 15% до 95% кривая представляет собой примерно прямую линию с небольшим наклоном, что обеспечивает стабильную разрядку. При этом наклон начальной стадии разряда и более поздней стадии разряда большой. Кривые разряда SOC-OCV для разных типов аккумуляторов аналогичны. Мы можем использовать кусочную функцию, чтобы предсказать значение SOC по значению OCV в соответствии с характеристиками представления кривой.

3.3. Испытания характеристик скоростного разряда одноэлементной десятичной литий-ионной батареи Li-NiMnCo

В этом разделе выбранная литиевая батарея подвергается испытаниям на номинальную зарядку. На рисунках 8 (a) –8 (d) показано соотношение напряжения и емкости четырех различных типов батарей. На рисунках 9 (a) –9 (d) показаны кривые зависимости SOC-OCV для четырех различных типов батарей.

Из рисунков 9 (a) –9 (d) видно, что исследованные тройные литий-ионные батареи Li-NiMnCo имеют лучшие разрядные характеристики, которые могут разряжаться с большой скоростью.Из сравнения рисунков 8 (a) –8 (d) можно обнаружить, что кривые скорости разряда для четырех разных типов батарей аналогичны, и каждый тип батареи может выдерживать скорость разряда 4 ° C. Кроме того, можно видеть, что чем больше скорость разряда, тем меньше емкость разряженной батареи при разряде до напряжения отсечки 2,75 В.

Из рисунков 9 (a) –9 (d) видно, что , при условиях скорости разряда 4 ° C, соответственно, мы также можем оценить соответствующее значение SOC, измерив напряжение.

4. Выводы

В этой статье характеристики различных литиевых аккумуляторов Li-NiMnCo анализируются посредством серии экспериментов по заряду и разрядке. Результаты экспериментов показывают, что (1) при комнатной температуре напряжение заряда литиевых батарей Li-NiMnCo, которые мы исследовали в этой статье, быстро увеличивается на ранней и поздней стадиях процесса заряда, в то время как кривые заряда плавные в середине. процесса зарядки. Основываясь на этих характеристиках, емкость аккумулятора можно точно спрогнозировать по напряжению клеммной цепи.Примечательно, что напряжение аккумулятора не должно превышать установленный порог, чтобы избежать необратимого повреждения аккумулятора. (2) Аналогичным образом, кривые напряжения разряда литиевой батареи Li-NiMnCo имеют аналогичные свойства во время процесса разряда при комнатной температуре. Емкость батареи также можно точно предсказать по напряжению на клеммах в соответствии с этими характеристиками. В нем делается вывод о том, что дальность движения электромобиля с литиевой батареей после однократного заряда должна контролироваться в пределах разумного диапазона заряда, чтобы предотвратить необратимое повреждение батареи, вызванное чрезмерным спадом напряжения на более поздней стадии разряда.(3) Литиевая батарея Li-NiMnCo, изучаемая в этой статье, имеет хорошие характеристики заряда и разряда, а также характеристики сильноточного заряда и разряда, что подходит для электромобилей. Результаты, изученные в этой статье, послужат справочным материалом для поиска правильной величины тока заряда-разряда, которая может улучшить характеристики заряда-разряда. В будущей работе мы сосредоточимся на моделировании и оценке SOC литий-ионного аккумулятора Li-NiCoMn.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в файл дополнительной информации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа спонсировалась Комиссией по образованию провинции Цзянсу Китая (грант № BE2017008-3), проектом Qing Lan и Фондом научно-технических инноваций Нанкинского технологического института (грант № YKJ201434) .

Эксплуатационные характеристики литий-ионных аккумуляторов различного химического состава для гибридных транспортных средств с подзарядкой от сети

Аннотация

Эта статья посвящена тестированию и оценке аккумуляторных батарей различного химического состава для использования в PHEV.Представлены данные испытаний для литий-ионных элементов и модулей, в электродах которых используются никель-кобальт, фосфат железа и оксид титаната лития. Плотность энергии элементов, использующих NiCo (никелат) в положительном электроде, имеет самую высокую плотность энергии, находящуюся в диапазоне 100-170 Втч / кг. Элементы, использующие фосфат железа в положительном электроде, имеют плотность энергии между 80-110 Втч / кг, а элементы, использующие оксид титаната лития в отрицательном электроде, могут иметь плотность энергии между 60-70 Втч / кг. Ситуация, касающаяся мощности (Вт / кг) различных химических компонентов, не так ясна из-за компромисса между плотностью энергии и мощностью, присущим конструкции батареи.

Моделирование подключаемых гибридов Prius проводилось с помощью Advisor с использованием литий-ионных батарей различного химического состава. Данные испытаний UC Davis были использованы для подготовки файлов ввода батареи, необходимых в Advisor. Моделирование проводилось для аккумуляторных блоков массой 60 кг и 120 кг. Результаты моделирования показывают, что выбор химического состава аккумуляторной батареи для подключаемых гибридов тесно связан с деталями конструкции транспортного средства, техническими характеристиками и ожидаемым ездовым циклом. При выборе наиболее подходящего химического состава подключаемых гибридов необходимо учитывать такие экономические факторы, как срок службы батареи и стоимость батареи, а также вопросы управления батареями и безопасности.

Основное содержание

Загрузить PDF для просмотраПросмотреть больше

Больше информации Меньше информации

Закрывать

Введите пароль, чтобы открыть этот PDF-файл:

Отмена хорошо

Подготовка документа к печати…

Отмена

Информационное руководство по литий-ионным батареям

| Хьюстон, Техас США |

Технологический профиль

Батарейные блоки, изготовленные по спецификациям заказчика с использованием литий-ионных и литий-полимерных элементов, проектировались и разрабатывались в SWE более 20 лет.SWE инвестировала значительные средства в приобретение технологий и создание интеллектуальной собственности, связанной с разработкой аккумуляторных блоков и аккумуляторных систем, в которых используются литий-ионные и литий-полимерные химические вещества. SWE вместе с интеллектуальным сообществом участвует в обмене техническими достижениями через международные конференции по аккумуляторным технологиям и технические журналы. SWE выпустила ряд патентов, непосредственно связанных с контролем за литий-ионными батареями, и имеет различные связанные с этим коммерческие секреты, некоторые из которых рассматриваются для будущих патентных заявок.SWE свела на практике всю эту интеллектуальную собственность в поставляемых продуктах, используемых в наземных, скважинных и подводных приложениях.

Введение в литий-ионный

Литий-ионные батареи

достигли уровня, при котором очень мало приложений не могут воспользоваться преимуществами превосходного срока службы, мощности и плотности энергии, а также широкого диапазона рабочих температур, присущих литий-ионной технологии. Литий-ионные аккумуляторы также экологически безопасны.

Литий-ионные батареи широко используются в бытовой электронике. Это один из самых популярных типов аккумуляторов для портативной электроники с одним из лучших соотношений энергии к весу, без эффекта памяти и очень медленной потерей заряда, когда они не используются. Помимо бытовой электроники, меньшие версии литий-ионных аккумуляторов можно найти в специальных приложениях, начиная от имплантируемых в человеке клеток и заканчивая различными спутниками, гибридными автомобилями и военными кораблями. Литий-ионные аккумуляторы становятся все популярнее в оборонной, автомобильной и аэрокосмической сферах из-за их высокой плотности энергии.

Последние достижения в электронной технологии системы управления батареями (BMS) для литий-ионных аккумуляторов и новые концепции модульного дизайна для построения сложных аккумуляторных систем привели к созданию аккумуляторных систем, которые являются более безопасными, более прочными, более гибкими, более длительными и простыми в эксплуатации. заряжать и поддерживать. Цепи защиты блока (PTC), сепараторы отключения и т. Д. (Разработанные для массового использования) обеспечивают несколько уровней безопасности, недоступных в других химикатах.

Все элементы, продаваемые SWE, сертифицированы производителем в соответствии с требованиями UL 1642.

Безопасность при транспортировке литий-ионных батарей

До 2003 года не существовало ограничений DOT на транспортировку литий-ионных элементов или батарей. Однако, начиная с 2003/2004 года, DOT требовал, чтобы аккумуляторные батареи прошли новые тесты DOT. Это требование не распространяется на прототипы аккумуляторных батарей.

Литий-ионный аккумулятор Характеристики

Литий-ионные батареи

могут быть адаптированы к потребностям клиентов по размеру, размеру и производительности.Литий-ионные батареи обладают высокой ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ (соотношение веса и размера).

НАПРЯЖЕНИЕ НА ЯЧЕЙКУ: Литий-ионные батареи имеют номинальное напряжение 3,7 В на элемент. При последовательном использовании ячеек аккумуляторная батарея может иметь любое возможное напряжение с шагом 3,7 В. Бывший. Литий-ионные батареи используют 3 элемента, чтобы обеспечить батарею на 11,1 вольт, 4 элемента, чтобы обеспечить батарею на 14,8 вольт, или 10 элементов, чтобы обеспечить батарею на 37 вольт.

ЕМКОСТЬ: Литий-ионные элементы устанавливаются параллельно, чтобы обеспечить необходимое количество ампер-часов (Ач).Ампер может варьироваться от нескольких ампер до сотен ампер, в зависимости от требований приложения. Бывший. В литиево-ионных батареях используются три параллельно подключенных элемента по 2,6 Ач для выработки 7,8 Ач, или при использовании десяти элементов по 2,6 Ач параллельно для производства 26 Ач. Существует ряд ячеек с высоким рейтингом Ач, которые можно использовать для обеспечения ЕМКОСТИ, необходимой для вашего приложения.

МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ЗАРЯДА: Литий-ионный аккумулятор имеет номинальную максимальную скорость зарядки 1С, а литий-полимерный — 2С. Есть элементы, которые имеют заряд до 10С.Выбрав правильный элемент, вы получите литий-ионный аккумулятор, который будет соответствовать вашим требованиям.

ТЕХНОЛОГИЯ ЗАРЯДКИ: Литий-ионные батареи , использующие типичную схему Pack Protect, имеют сложный профиль зарядки, и следует использовать только зарядное устройство, предназначенное для этой батареи. Но если вы используете SWE BMS (систему управления батареями) с импульсной зарядкой на борту, вам понадобится только простой источник постоянного тока с постоянной мощностью для зарядки аккумуляторной батареи или подключить его напрямую к солнечной панели с помощью только изолирующего диода.Другими словами, не требуется специального зарядного устройства Li-Ion, что снижает стоимость системы.

МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ РАЗРЯДА: Литий-ионный аккумулятор имеет максимальную скорость разряда 2 ° C, а литий-полимерный — 3 ° C (Примечание: есть выбор литий-полимерных элементов со скоростью разряда выше 30 ° C) .

ДИАПАЗОН ТЕМПЕРАТУР РАЗРЯДА: Литий-ионные и литий-полимерные имеют предел разряда от -20 ° C до 60 ° C. SWE выбрала химические и эмпирические данные с повышенным пределом разряда до -50 ° C.

ХРАНЕНИЕ: Рекомендуемый диапазон температур для хранения: от -20 ° C до 60 ° C (хранение при температурах ниже 20 ° C снижает необратимую потерю емкости). Рекомендуемый диапазон напряжения для кратковременного хранения составляет от 3,0 до 4,2 В на элемент в серии. Длительные периоды хранения: храните литий-ионные батареи с емкостью около 75% (от 3,85 В до 4,0 В) и при низкой температуре, чтобы уменьшить необратимую потерю емкости при длительном хранении.

МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ: Литий-ионные элементы обладают очень высокой мощностью и плотностью энергии.При работе или тестировании соблюдайте меры предосторожности, основанные на здравом смысле. ЗАПРЕЩАЕТСЯ заменять отдельные элементы или модули, а также комбинировать эту батарею последовательно или параллельно с другими батареями, поскольку это может представлять опасность пожара или взрыва.

ВНИМАНИЕ: Литий-ионные батареи могут представлять опасность возгорания или химического ожога при неправильном обращении. ЗАПРЕЩАЕТСЯ закоротить, перезарядить, раздавить, повредить гвоздь, не менять полярность, разбирать, подвергать воздействию температур выше 100 ° C (212 ° F) и сжигать.

УТИЛИЗАЦИЯ: Литий-ионные батареи не содержат материалов, наносящих вред окружающей среде; следовательно, нет никаких правил или ограничений по утилизации.Литий-ионные батареи можно переработать, чтобы восстановить относительно дорогой кобальт, содержащийся в катоде. По окончании срока службы безопасно утилизируйте использованный аккумулятор. Держись подальше от детей. Не разбирать и не бросать в огонь.

Система управления литий-ионными аккумуляторами SWE (BMS)

SWE предлагает множество BMS для удовлетворения потребностей клиентов, от упаковки 1 серии до упаковки 10 серий. BMS могут быть объединены последовательно для удовлетворения требований по напряжению и размещены параллельно для обеспечения требований по току.

Защита аккумуляторного блока: BMS обеспечивает следующее: защита от перезарядки аккумулятора (наиболее критичная), — защита от чрезмерного разряда аккумулятора, — защита от перегрузки по току, — защита от перегрузки по току, Запретить состояние зарядки 0 В.

Управление зарядкой: Контроль температуры заряда: — Импульсная зарядка на борту и управление зарядкой могут быть установлены в процентах от емкости в соответствии с требованиями заказчика.

Датчик уровня топлива: Точный датчик уровня заряда батареи, — Мониторинг температуры ячеек и стандартные протоколы последовательной шины.SMBus, I2C, RS485 и другие.

Рекомендуемые максимальные токи: 8 ампер непрерывно, до 20 ампер в импульсном режиме в течение 30 мс. (Примечание: BMS серии от 5 до 10 могут быть добавлены дополнительные 4 усилителя тока PCA по 16 ампер на каждую, что в сумме дает 72 ампер на BMS.)

Балансировка ячеек: Каждый модуль содержит схемы балансировки ячеек для балансировки последовательно соединенных секций во время зарядки или непрерывной балансировки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ: BMS обеспечивает необходимую защиту от перезаряда, переразряда и аномального заряда, тока разряда и короткого замыкания.

Интегрированное управление импульсной зарядкой позволяет конечному пользователю использовать простой источник постоянного тока с постоянной мощностью для зарядки аккумуляторной батареи или подключаться напрямую к солнечной панели с помощью только изолирующего диода. Другими словами, здесь не требуется никакого специального литий-ионного зарядного устройства, что снижает стоимость системы. Зарядка также запрещена за пределами предварительно установленного температурного окна, обычно от 0 ° C до 45 ° C.

Литий-ионные батареи не нужно часто полностью разряжать и заряжать («глубокого цикла»), но это может потребоваться примерно после каждой 30-й перезарядки для повторной калибровки любого электронного «указателя уровня топлива», если он используется.Это предотвращает отображение неправильного заряда аккумулятора на указателе уровня топлива.

Литий-ионный аккумулятор

Скорость старения литий-ионной батареи зависит от температуры и степени заряда. Литий-ионные батареи следует хранить в прохладном месте. В идеале их хранить в холодильнике. Старение сказывается намного быстрее при высоких температурах.

Рекомендуемая температура хранения аккумуляторных систем — комнатная или ниже. Батареи следует контролировать и при необходимости заряжать.Как правило, батарею следует проверять каждые 90 дней, чтобы определить, нужно ли перезаряжать батарею.

Литий-ионные батареи

никогда не должны разряжаться ниже минимального напряжения, от 2,4 до 3,0 В на элемент.

Как и все аккумуляторные батареи, литий-ионные батареи следует заряжать рано и часто. Однако, если они не используются в течение длительного времени, их следует довести до уровня заряда около 80% или меньше, в зависимости от энергии батареи и продолжительности хранения.

Литий-ионный аккумулятор теряет емкость, если во время хранения его уровень заряда составляет 100%.

Литий-ионные аккумуляторы — Curious

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах. Для дальнейшего чтения посмотрите, как работает аккумулятор, типы аккумуляторов и аккумуляторы будущего.

В наши дни наш лучший друг — литий-ионный аккумулятор. Именно он используется в наших мобильных телефонах и ноутбуках, устройствах, которые внесли огромный вклад в изменение того, как мы работаем и взаимодействуем с нашими друзьями, коллегами, продавцами и даже незнакомцами.Потребляемая мощность наших смартфонов разряжает никель-кадмиевые или никель-металлогидридные батареи менее чем за час, но благодаря эффективности литий-ионной химии мы можем общаться с мамой, смотреть видео, общаться с друзьями, слушать под музыку, купите пару обуви в Интернете, получите инструкции по навигации и сделайте бесчисленное количество фотографий в течение всего дня.

Так что же такого особенного в литий-ионных батареях? Их основная черта — плотность энергии — она ​​примерно вдвое больше, чем у никель-кадмиевых батарей, а это означает, что батарея вдвое меньшего размера будет давать такое же количество энергии.Они легкие и компактные, а это значит, что они лучше подходят для таких вещей, как портативная электроника, чем тяжелые свинцово-кислотные батареи, от которых запускаются наши бензиновые автомобили.

Литий-ионные аккумуляторы используются сегодня в большинстве портативных электронных устройств. Источник изображения: Edvvc / Flickr.

Так в чем же химический состав литий-ионного элемента, который дает ему преимущество перед конкурентами?

Литий-ионная батарея химия

Как следует из названия, ионы лития (Li + ) участвуют в реакциях, приводящих в движение аккумулятор.Оба электрода в литий-ионном элементе изготовлены из материалов, которые могут интеркалировать или «поглощать» ионы лития (что-то вроде гидрид-ионов в батареях NiMH). Интеркаляция — это когда заряженные ионы элемента могут «удерживаться» внутри структуры материала-хозяина, не нарушая ее. В случае литий-ионного аккумулятора ионы лития «привязаны» к электрону в структуре анода. Когда батарея разряжается, интеркалированные ионы лития высвобождаются из анода, а затем проходят через раствор электролита и абсорбируются (интеркалируются) на катоде.

Литий-ионный аккумулятор начинает свою жизнь в состоянии полного разряда: все его ионы лития интеркалированы внутри катода, и его химический состав еще не позволяет производить электричество. Прежде чем вы сможете использовать аккумулятор, вам необходимо его зарядить. Когда батарея заряжается, на катоде происходит реакция окисления, что означает, что он теряет часть отрицательно заряженных электронов. Для поддержания баланса заряда в катоде равное количество положительно заряженных интеркалированных ионов лития растворяется в растворе электролита.Они перемещаются к аноду, где внедряются в графит. Эта реакция интеркаляции также откладывает электроны на графитовый анод, чтобы «связать» ион лития.

Во время разряда ионы лития деинтеркалируются с анода и возвращаются через электролит к катоду. Это также высвобождает электроны, которые связывали их с анодом, и они текут по внешнему проводу, обеспечивая электрический ток, который мы использовали для работы.Именно соединение внешнего провода позволяет реакции протекать — когда электроны могут свободно перемещаться, положительно заряженные ионы лития уравновешивают движение своего отрицательного заряда.

Когда катод заполняется ионами лития, реакция прекращается и батарея разряжается. Затем мы снова заряжаем наши литий-ионные аккумуляторы, и применяемый нами внешний электрический заряд толкает ионы лития обратно в анод от катода.

Электролит в литий-ионном элементе обычно представляет собой раствор солей лития в смеси растворителей (например, диметилкарбонат или диэтилкарбонат), разработанный для улучшения характеристик аккумулятора.Растворение солей лития в электролите означает, что раствор содержит ионы лития. Это означает, что отдельные ионы лития не должны совершать полный путь от анода до катода, чтобы замкнуть цепь. Когда ионы выбрасываются из анода, другие ионы, которые уже находятся в электролите у поверхности электрода, могут легко абсорбироваться (внедряться) в катод. Во время зарядки происходит обратное.

Микроскопические материалы, используемые для литий-ионных катодов.Источник изображения: BASF / Flickr.

Будучи маленьким и легким, много лития может накапливаться (интеркалироваться) в обоих электродах. Это то, что придает литий-ионным аккумуляторам высокую плотность энергии. Например, один ион лития может накапливаться на каждые шесть атомов углерода в графите, и чем больше ионов лития должно делиться на пути от анода к катоду (и обратно во время циклов перезарядки), тем больше электронов остается для уравновешивают их движение и обеспечивают электрический ток.

Передача ионов лития между электродами происходит при гораздо более высоком напряжении, чем в других типах батарей, и, поскольку они должны уравновешиваться равным количеством электронов, один литий-ионный элемент может производить напряжение 3,6 В или выше, в зависимости от материалов катода. Типичный щелочной элемент выдает всего около 1,5 вольт. Для стандартного свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора требуется шесть ячеек по 2 вольта, соединенных вместе, чтобы вырабатывать 12 вольт.

Из-за их высокой плотности энергии и сравнительной легкости, размещение множества литий-ионных элементов вместе в одном месте позволяет получить батарейный блок намного легче и компактнее, чем стопки из других типов батарей.Если мы сложим вместе достаточно литий-ионных элементов, мы сможем достичь довольно высокого напряжения, такого как необходимое для работы электромобиля. Конечно, у всех наших автомобилей уже есть аккумуляторы, но они нужны только для того, чтобы запустить бензиновый или дизельный двигатель, а потом всю работу сделает топливо. Аккумулятор электромобиля — это весь его источник энергии, и именно он заставляет его взбираться на крутой холм. Таким образом, он обычно будет иметь напряжение 96 вольт или даже больше, что даже при высоком напряжении литий-ионного элемента требует довольно большого количества элементов, сложенных вместе.

Объединение литий-ионных элементов вместе может создать напряжение, достаточное для запуска электромобиля. Источник изображения: Håkan Dahlström / Flickr.

Анод обычно графитовый. Однако повторное введение ионов лития в стандартную структуру графита в типичной литий-ионной батарее в конечном итоге приводит к разрушению графита. Это снижает производительность батареи, и графитовый анод в конечном итоге выйдет из строя, и батарея перестанет работать. Исследователи работают над разработкой вариантов использования графена (листы углерода толщиной в один атом), а не графита.Вы узнаете больше о графене и его преимуществах в предстоящей теме Nova.

Что касается материала, используемого для катода, существует довольно много вариантов, обычно состоящих из комбинации лития, кислорода и какого-либо металла.

Катоды, используемые в литий-ионных аккумуляторах

Оксид лития-кобальта (LiCoO
2 )

Наиболее распространенные литий-ионные элементы имеют анод из углерода (C) и катод из оксида лития-кобальта (LiCoO 2 ).Фактически, литий-кобальтооксидная батарея была первой литий-ионной батареей, разработанной на основе новаторской работы Р. Язами и Дж. Гуденафа и проданной Sony в 1991 году. Кобальт и кислород связываются вместе, образуя слои октаэдрических структур оксида кобальта. , разделенные листами лития. Важно, что эта структура позволяет ионам кобальта изменять свои валентные состояния между Co +3 и Co +4 (терять и приобретать отрицательно заряженный электрон) при зарядке и разрядке.

Из всех литий-ионных аккумуляторов у этих парней самая высокая плотность энергии, поэтому в настоящее время они используются в наших телефонах, цифровых камерах и ноутбуках. Их недостаток — термическая нестабильность. Их аноды могут перегреваться, и при высоких температурах катод из оксида кобальта может разлагаться с образованием кислорода. Если вы объедините кислород и тепло, у вас будет довольно хороший шанс разжечь огонь, а поскольку химические вещества, которые иногда используются в растворе электролита, такие как диэтилкарбонат, легко воспламеняются, с этой батареей могут возникнуть некоторые проблемы с безопасностью.

Литий-ионные батареи

имеют встроенную защиту, предотвращающую перегрев и полную разрядку батареи, которая также может быть повреждена. Кроме того, эти схемы защиты иногда могут использоваться для предотвращения чрезмерной зарядки литий-ионных аккумуляторов, что может иметь серьезные последствия. Литий-ионные батареи бывают самых разных форм и размеров, а некоторые из них содержат встроенные защитные устройства, такие как вентиляционные колпачки, для повышения безопасности.

  • См. Реакцию: литий-кобальтоксидные батареи
    Во время разряда

    На аноде окисляется литий.- \ to \ text {LiCoO} _2 $$

    Общая реакция:

    $$ \ text {C} _6 + \ text {LiCoO} _2 \ longleftrightarrow \ text {Li} _x \ text {C} _6 + \ text {Li} _ {1-x} \ text {CoO} _2 $$

Литий фосфат железа (LiFePO
4 )

Этот элемент имеет высокую скорость разряда и, поскольку фосфат (PO 4 ) может выдерживать высокие температуры, аккумулятор имеет хорошую термическую стабильность, повышая его безопасность. Это делает его хорошим выбором для электромобилей и электроинструментов, а также для хранения энергии на электростанциях.Он также имеет длительный срок службы, то есть его можно многократно разряжать и заряжать. Однако он имеет более низкую плотность энергии, чем элемент из оксида лития-кобальта, и более высокую скорость саморазряда.

Литий-железо-фосфатный аккумуляторный элемент аналогичен литиево-кобальтово-оксидному элементу. Анод все еще графитовый, и электролит тоже почти такой же. Разница в том, что катод из диоксида лития-кобальта был заменен более стабильным фосфатом лития-железа. Фактически, на катоде из фосфата железа (FePO4) полностью заряженного элемента не остается ионов лития или железа.Ионы лития могут внедряться в катодный материал или из него через четко определенные туннели в его структуре без значительного изменения железо-фосфатного каркаса.

Катод этого типа ячейки изготовлен из отрицательно заряженного фосфата. анионы , связанный с положительно заряженным железом катионы в структуре, способной накапливать ионы лития в молекулах фосфата железа. Расположение связей в этой структуре означает, что атомы кислорода прочно связаны в структуре, что придает катоду его химическую стабильность.- \ to \ text {LiFePO} _4 $$

Общая реакция:

$$ \ text {LiFePO} _4 + \ text {6C} \ to \ text {LiC} _6 + \ text {FePO} _4 $$

Литий оксид марганца (LiMn
2 O 4 )

В литиевых батареях этого типа используется катод из литий-марганцевой шпинели (Li + Mn 3+ Mn 4+ O 4 ). Шпинель — это минерал с характерной структурой AB 2 O 4 .Структура шпинели имеет очень хорошую термическую стабильность, повышая безопасность батареи. Это также способствует потоку ионов в электролите и снижает внутреннее сопротивление, которое способствует потере мощности батареи с течением времени.

Хотя этот тип литиевой батареи обеспечивает высокую скорость разряда и перезарядки (в том числе из-за шпинельной структуры катода), он имеет меньшую емкость и меньший срок службы.

Литий-никель-марганец-оксид кобальта (LiNiMnCoO
2 или NMC)

Добавление никеля и кобальта в смесь снова немного меняет ситуацию.Никель обеспечивает высокую удельную энергию и, при добавлении к стабильной структуре марганцевой шпинели, также приводит к получению батареи с преимуществами структуры марганцевой шпинели (низкое внутреннее сопротивление, высокая скорость зарядки, хорошая стабильность и безопасность).

Эти батареи обычно изготавливаются с катодом, состоящим из одной трети никеля, одной трети марганца и одной трети кобальта, но это соотношение может варьироваться в зависимости от секретных формул производителя. Эти батареи используются в электроинструментах, электромобилях и медицинских устройствах.

Литий-марганцевые батареи часто сочетаются с литий-никель-марганцево-кобальтовыми батареями, в результате чего получается комбинация, которая используется во многих электромобилях. Высокие всплески энергии (для быстрого ускорения) обеспечивается литий-марганцевым компонентом, а большой диапазон движения обеспечивается компонентом оксида лития, никеля, марганца, кобальта.

Литий-полимерный

Замена жидкого электролита в литий-ионной батарее твердым электролитом повышает безопасность батареи и делает ее легче.Поскольку сам полимер чрезвычайно тонкий, он также обеспечивает большую гибкость с точки зрения формы и конструкции — его не нужно помещать в жесткий корпус, и его можно сделать чрезвычайно компактным.

Полимерный электролит — это непроводящий материал, который по-прежнему допускает ионный обмен. В ранних разработках полимер был настолько плохим проводником, что не мог способствовать ионному обмену, если не нагревали его примерно до 60 градусов по Цельсию, поэтому теперь добавляются небольшие количества геля, чтобы избежать этой проблемы.

В литий-полимерном аккумуляторе можно использовать любую комбинацию электродов литий-ионных аккумуляторов; Отличается просто электролит.

Литий-ионные аккумуляторы, как и батареи в целом, бывают всех форм, размеров и химического состава. Их различный химический состав и структура предлагают разные характеристики, часто с компромиссом между эффективностью, стоимостью и безопасностью.

Литий-ионные аккумуляторы незаменимы в повседневной жизни. Они будут с нами еще какое-то время, так как в настоящее время они являются лучшим выбором для питания электромобилей и хранения энергии, генерируемой ветровыми и солнечными источниками, для использования в периоды, когда не дует ветер или не светит солнце.

Исследователь, занимающийся производством и сборкой литиевых аккумуляторных элементов. Источник изображения: Национальная лаборатория Ок-Ридж / Flickr. Эта тема является частью нашей серии из четырех частей, посвященных батареям. Для дальнейшего чтения посмотрите, как работает аккумулятор, типы аккумуляторов и аккумуляторы будущего.

Ретроспектива литий-ионных аккумуляторов

Анод

Металлический литий — самый легкий металл, он обладает высокой удельной емкостью (3,86 Ач г 1 ) и чрезвычайно низким электродным потенциалом (−3.04 В по сравнению со стандартным водородным электродом), что делает его идеальным анодным материалом для высоковольтных и высокоэнергетических батарей. Однако электрохимический потенциал Li + / Li лежит выше самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО) практически известных неводных электролитов, что приводит к непрерывному восстановлению электролита, если не образуется пассивирующая граница раздела твердого электролита (SEI) 1 . SEI подвержен повреждению и неравномерно ремонтируется на поверхности металлического лития из-за большого изменения объема и высокой реакционной способности металлического лития, что приводит к росту дендритов, что может вызвать короткое замыкание ячейки и возгорание (рис.1а).

Рис. 1: Важнейшие открытия, которые сформировали современные литий-ионные батареи.

Разработка анодных материалов ( a ), включая металлический литий, нефтяной кокс и графит, ( b ) электролитов с растворителем пропиленкарбонатом (PC), смесью этиленкарбоната (EC) и по меньшей мере одним линейным карбонатом выбран из диметилкарбоната (DMC), диэтилкарбоната (DEC), этилметилкарбоната (EMC) и многих добавок, катодных материалов ( c ), включая материалы конверсионного типа, интеркаляционные материалы, дисульфид титана (TiS 2 ) и кобальт лития. оксид (LiCoO 2 ).

Чтобы избежать проблем с безопасностью металлического лития, Арманд предложил сконструировать литий-ионные батареи с использованием двух разных интеркаляционных узлов 2,3 . Безенхард сообщил о первом графитовом электроде на основе литий-ионной интеркаляции, показав, что графит может интеркалировать несколько ионов щелочных металлов, включая ионы лития 4 . Графит интеркалирует ионы Li на основе слоистой структуры с наполовину заполненными орбиталями p z , перпендикулярными плоскостям, которые могут взаимодействовать с орбиталями Li 2s, чтобы ограничить объемное расширение и рост дендритов.Однако удельная емкость графита (LiC 6 , 0,372 А · ч г –1 ) 1 намного меньше, чем у металлического лития. Так продолжалось до полного отзыва литий-металлических батарей компанией Moli Energy после нескольких пожаров, что такие интеркалирующие материалы, как графит, все чаще рассматривались как жизнеспособный анод в гонке по замене металлического лития для повышения безопасности. В то время соинтеркаляция электролита (пропиленкарбоната ПК) приводила к расслоению и разрушению графита (рис.1а), что затрудняет его применение в аккумуляторном элементе.

В 1985 году Акира Йошино 5 из Asahi Kasei Corporation обнаружил, что нефтяной кокс, менее графитизированный углерод из остатков нефтяного фракционирования, может обратимо интеркалировать ионы Li при низком потенциале ~ 0,5 В относительно Li + . / Ли без структурного разрушения. Его структурная стабильность обусловлена ​​областями аморфного углерода в нефтяном коксе, которые служат ковалентными соединениями для скрепления слоев вместе 6 (рис.1а). Хотя аморфная природа нефтяного кокса ограничивает емкость по сравнению с графитом (~ Li 0,5 C 6 , 0,186 Ач г –1 ) 6 , он стал первым коммерческим интеркаляционным анодом для литий-ионных аккумуляторов благодаря своему устойчивость при езде на велосипеде.

Катод

Чтобы обеспечить высокую емкость металлического лития, сначала рассматривались катоды конверсионного типа, включая фториды, сульфиды или оксиды металлов (рис. 1c). Во время работы от батареи эти материалы реагируют с образованием фаз с различной структурой и новым составом 6 .Следовательно, преобразовательные электроды не допускают много циклов, поскольку разрыв связи и преобразование происходят во время каждого цикла.

Зная об ограничении реакций превращения, ученые обратились к новым механизмам накопления ионов лития, которые не предполагают структурного разрушения во время цикла. Халькогениды металлов (MX 2 ) со слоистой структурой и доступным пространством для хранения литий-ионных гостей привлекли внимание Уиттингема и его сотрудников из Exxon 7 , которые показали, что дисульфид титана (TiS 2 ) может химически интеркалировать Li- ионы во всем стехиометрическом диапазоне с минимальным расширением решетки.В 1973 и 1974 годах Уиттингем применил TiS 2 в качестве катода для батарей (рис. 1c), а затем продемонстрировал элемент на 2,5 В в 1976 году 8 .

Очевидно, низкое напряжение батареи TiS 2 // Li указывает на то, что ее удельная энергия ограничена. Стремясь найти новые катодные материалы, которые интеркалируют ионы Li при более высоких потенциалах, Гуденаф обратился к оксидным эквивалентам халькогенидов металлов (MX 2 , где X = O). Он отметил, что вершина полос S-3p 6 выше по энергии, чем у полос O-2p 6 , что дает более высокие потенциалы интеркаляции для оксидов металлов, чем сульфиды металлов 9 (рис.1в). Более высокая энергия полос S-3p 6 в сульфидах металлов приписывается меньшей электростатической энергии Маделунга (больший сульфид-ион) и большей энергии, необходимой для переноса электрона от катиона (M n + ) на S . — / S 2– с бесконечным разделением 9 .

Это базовое понимание привело к открытию трех классов оксидных катодов Гуденафом и его сотрудниками 10 . В 1979 и 1980 годах Гуденаф сообщил об оксиде кобальта лития (LiCoO 2 ) 11 , который может обратимо поглощать и высвобождать ионы лития при потенциалах выше 4.0 В по сравнению с Li + / Li и позволял использовать перезаряжаемую батарею 4,0 В в сочетании с литий-металлическим анодом. Однако кобальт имеет ограниченное количество, что является препятствием для его применения. Шпинель LiMn 2 O 4 12 с тетраэдрическими ионами лития предлагает окислительно-восстановительный потенциал ~ 4,0 В по сравнению с Li + / Li при более низкой стоимости. Однако он ограничен проблемами разложения из-за растворения Mn в присутствии ионов H + (уровень ppm) в электролите.Оксид полианиона Li x Fe 2 ( X O 4 ) 3 ( X = S, Mo, W и т. Д.) 13,14 предлагает более высокое напряжение ячейки по сравнению с простыми оксидами например, Fe 2 O 3 / Fe 3 O 4. Ковалентная связь X -O в полианионоксиде ослабляет ковалентность связи Fe-O за счет индуктивного эффекта, что приводит к снижению окислительно-восстановительной энергии пары Fe 2 + / 3 + и, следовательно, увеличение окислительно-восстановительного потенциала (например, от <2.5 В для Fe 2 O 3 до 3,6 В для Li x Fe 2 (SO 4 ) 3 ). Оксид полианиона обеспечивает преимущества снижения стоимости за счет большого количества переходных металлов, таких как Fe, а также улучшенную термическую стабильность и безопасность благодаря прочной ковалентной связи кислорода. Однако он страдает плохой электронной проводимостью и более низкой плотностью. Среди трех классов оксидов слоистые оксиды с высокой гравиметрической и объемной плотностями энергии остаются любимыми катодами до сих пор 10 , а электрод LiCoO 2 в настоящее время является основным катодным материалом, который питает большинство персональных электронных устройств.

Электролит

Рабочее окно электролита определяется его НСМО и высшей занятой молекулярной орбиталью (ВЗМО), которая должна быть выше электрохимического потенциала анода ( μ a ) и ниже электрохимического потенциала катод ( μ c ) соответственно (LUMO> μ a , HOMO < μ c ). В качестве альтернативы, стабильный пассивирующий слой SEI должен быть создан на аноде или катоде в случае LUMO < мкм a или HOMO> мкм c , соответственно 1 .

Создание стабильного SEI путем подбора состава электролита сделало возможным практическое применение графитового анода. Первоначально ПК был предпочтительнее этиленкарбоната (ЭК) из-за его более низкой температуры плавления (-48,8 o ° C) по сравнению с EC (36,4 ° ° C) 6 . Однако сообщалось, что ПК вызывает структурное повреждение графита, что приводит к сокращению срока службы. Исследователи Sanyo 6,15 заявили об успешном электрохимическом литировании графита в электролитах на основе ЭК, а Dahn 16 сообщили, что ЭК может подавлять расслоение графита из-за образования жертвенного SEI, открывая путь для разработки графитового анода для Литий-ионные аккумуляторы (рис.1б). С тех пор ЕС стал незаменимым растворителем для литий-ионных аккумуляторов. Потенциальные механизмы, лежащие в основе «несоответствия EC и PC» 17 объясняются различиями между продуктами их восстановления. Изогнутая цепная структура декарбоната пропилена лития (продукт восстановления ПК) склонна к образованию рыхлых отложений с плохой когезией на поверхности электрода. ЭК имеет тенденцию образовывать соединение интеркаляции графита с более высокой заселенностью анионов (например, PF 6 ) в сольватной оболочке Li + , чем ПК, что приводит к более высокому содержанию F продукта SEI, чей энергетический разрыв между НСМО и ВЗМО велик. достаточно, чтобы изолировать туннелирование электронов от анода, обеспечивая эффективную пассивацию разложения электролита.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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 своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, 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, нажмите 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 проконсультироваться с системным администратором.

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 cookie-файлах 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.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.