бывают разных видов в зависимости от количества ячеек, напряжения и емкости. Вот список всех печатных плат, которые вы можете использовать с 18650 на батарейном отсеке.

Вот спецификации того, что я использовал, и я объясню, что все это означает …

Электрические характеристики:

Напряжение защиты от перезарядки для одиночной ячейки: 4,35 В
Напряжение защиты от перегрузки для одиночной ячейки: 2,40 В
Более защита от обнаружения тока: 4-6A
Ток питания: макс. 30 мкА
Защита от короткого замыкания
Сопротивление схемы защиты: <= 50 МОм

Печатная плата предотвращает перезарядку, потому что хрупкий литий-ионный химический состав батареи может быть поврежден при слишком высокой зарядке и печатная плата отключит питание ячеек, если вы это сделаете. Это не должно быть проблемой, если вы заряжаете с помощью зарядного устройства Smart Balance. Если вы заряжаете элемент 4,2 вольта, то напряжение элемента никогда не поднимется выше 4,2 вольта, даже если вы заряжали элемент в течение нескольких недель. Вы по-прежнему не хотите заряжать элемент сверх того уровня, на котором он заряжен. Умное зарядное устройство выключится после завершения зарядки.

Многие аккумуляторы можно полностью разряжать до нуля вольт, это не одна из них. Если напряжение ионно-литиевой батареи упадет до нуля или даже ниже 2 вольт, она будет повреждена и больше никогда не сможет заряжаться.Сотовые телефоны имеют такую ​​же защиту. Если бы вы измерили напряжение «мертвой» батареи сотового телефона, оно, вероятно, составило бы 2,5 вольта.

Защита от избыточного стока необходима, потому что это небольшая печатная плата с крошечными компонентами и может выдерживать только такой большой ток. Он отключается для экономии при потреблении от 4 до 6 ампер.

Ток питания — это ток, потребляемый электроникой на плате. Это практически ничего и не разряжает вашу батарею.

Защита от короткого замыкания означает, что печатная плата отключится при обнаружении короткого замыкания; если провод отсоединился или пересеклись.

Сопротивление схемы защиты — это сопротивление, вызванное печатной платой. Вся схема дает небольшое сопротивление. Снова сток такой маленький, что вы этого не заметите.

Материалы и обработка литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный аккумулятор По прогнозам, это технология чехарда для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарное хранение решения, позволяющие эффективно использование возобновляемых источников энергии.В технология уже используется для малой мощности такие приложения, как потребительские электроника и электроинструменты. Обширный исследования и разработки улучшили технология до стадии, когда кажется очень вероятным, что безопасный и надежный литий-ионные батареи скоро будут бортовой гибридный электрический и электрический транспортных средств и подключенных к солнечным батареям и ветряные мельницы. Однако безопасность технология по-прежнему вызывает беспокойство, сервис жизни еще недостаточно, и стоит слишком высоки.Эта статья резюмирует современный литий-ионный аккумулятор технология для неспециалистов. В нем перечислены материалы и обработка для аккумуляторов и суммирует связанные с этим затраты с ними. Этот документ должен способствовать общее понимание материалов и обработка и необходимость преодоления оставшиеся препятствия на пути к успеху введение на рынок. ВВЕДЕНИЕ Мировой спрос на батареи в основном движется бытовой электроникой и прогнозируется рост электроинструментов в 6.9% годовых до 2010 г. 73,6 миллиарда долларов. 1 Эффективное использование низкоэмиссионных и безэмиссионные источники энергии, такие как как возобновляемый, но непостоянный ветер и солнечная энергия, требует стационарного, высокопроизводительного, долговечного и неприхотливого обслуживания накопитель электроэнергии решения. В 2006 году Германия, ведущая нация в использовании энергии ветра как часть его общего производства энергии портфель, потратил впустую 15% своего ветроэнергетического энергии из-за отсутствия подходящих хранение электроэнергии. 2 Гибридные электромобили (HEV) и полностью электрические транспортные средства (электромобили) могут снизить зависимость США от иностранной нефти и будет способствовать увеличению спроса на батареи в будущее. Подсчет эффективности двигателя и в том числе производство электроэнергии, Электромобили могут сократить потребление бензина до одной четвертой сегодняшнего потребления и может снизить зависимость США на импортную нефть до одной шестой части сегодняшний уровень. 3 В центре внимания U.S. Департамент Energys (DOE) Автомобильные технологии Программа на литий-ионной основе электрохимическое накопление энергии за счет электрохимический потенциал и теоретические мощность, обеспечиваемая этой системой. Литий-ионные батареи могут обеспечить надежная аккумуляторная технология хранения. Изменения в этой программе включают литий-ионный, литий-ионный полимер, и литий-металлическая технология. Краткосрочные цели DOE для HEV с усилителем достигнуты или превышены в восьми из 11 областей, показывая огромные успех программы.В восемь областей включают разрядный импульс мощность, регенеративная импульсная мощность, доступная энергия, эффективность, срок службы, система вес, объем системы и собственный увольнять. Тем не менее, три цели кажутся сложнее и остаются неудовлетворенными: рабочая температура от 30С до 52C, срок службы 15 лет и цена продажи ниже 500–800 долларов за штуку система на 100000 единиц, произведенных на год. 4 Для гибридных электромобилей с подзарядкой от сети (PHEV) в среднесрочной перспективе и для электромобилей в долгосрочной перспективе, достижения далеки от встречи с цели, а также значительный материал и обработка технологические барьеры необходимо быть преодоленным. Рисунок 1 иллюстрирует Министерство энергетики США и Консорциум передовых аккумуляторов США (USABC) цели и вехи встретились для приложений HEV и EV. Программа DOE ориентирована на преодоление технических барьеров, связанных с аккумуляторной технологией HEV, а именно стоимость, производительность, безопасность и жизнь: 6 Стоимость Текущие литий-ионные стоимость батареи за киловатт составляет примерно в 2 раза больше. Основные затраты связаны с дороговизна сырья и обработка материалов, а также стоимость ячейки, упаковки и изготовление. PerformancePerformance барьеры в основном связаны с сокращенными мощность разряда при низкой температуре и потеря мощности из-за использования и старение. Безопасность Фактический литий-ионный аккумулятор технология не по сути Безопасно. Короткое замыкание, перезаряд, чрезмерная разрядка, раздавливание и высокий температура может привести к термическому побег, пожар и взрыв. Системы двигателя LifeHybrid имеют предполагаемый срок службы 15 лет. Аккумуляторная технология должна соответствовать эта цель с целью 300 000 циклы зарядки.Цикл жизни был продемонстрирован, но календарь жизнь не имеет. Исторически, электрохимия и приборостроение доминировало разработка батарей. Вышеупомянутый барьеры производительности проблемы, связанные с материалами. Плохая низкая температура производительность — это распространение проблема при низкой температуре. Утрата мощность из-за использования в основном проблема связано с механическим поведением, трещина инициирование и рост с последующим фатальным разрушение и последующее покрытие и пассивация поверхностей.Дополнительно, разработка и обработка материалов развитие должно быть решаются согласованно, чтобы сократить стоить и создать безопасную аккумуляторную технологию. Поэтому материаловеды и инженеры-технологи медленно входят арена, на которой цель надежных, безопасная и долговечная электрическая энергия хранилище будет достигнуто. ПРИНЦИП БАТАРЕИ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ КАК БЫ ВЫ… … опишите общее значение этой статьи? Литий-ионный аккумулятор необходимо преодолеть значительные технологичность, безопасность и стоимость препятствия на пути к успеху в рынок. Традиционно аккумуляторная технология была запущена электрохимическими НИОКР. Сегодня, материаловедов и процессов инженеры могут помочь в преодолении барьеры и понимание механизмы отказа.Эта бумага обучает материаловедов и инженеры, чтобы начать этот процесс. … опишите эту работу в материалы специалист в области науки и техники без опыта в вашем техническая специальность? Литий-ионный аккумулятор предполагается, что это будет чехарда технология для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарные складские решения для обеспечения эффективного использования возобновляемые источники энергии. Однако безопасность технологии высока. все еще вызывает беспокойство, срок службы еще не достаточно, а затраты слишком высоки. В этом документе кратко описывается состояние литий-ионных аккумуляторов технология для неспециалистов и способствует пониманию материалов ученые и технологи. … опишите эту работу неспециалисту? Гибридные и полностью электрические автомобили и возобновляемые ветровые и солнечные мощность полагается на эффективную энергию место хранения.Однако в наличии аккумуляторная технология должна преодолевать значительные препятствия по стоимости и эффективности стать надежный и достаточно безопасный для работы как мобильное или стационарное хранилище. Материаловеды и инженеры работают над увеличением своих надежность и снижение их стоимости стать безопасным и доступным решение нашего энергетического кризиса. Наименьший рабочий элемент в батарее электрохимическая ячейка, состоящая катода и анода разделены и подключен электролитом. В электролит проводит ионы, но является изолятором электронам. В заряженном состоянии анод содержит высокую концентрацию интеркалированного лития, в то время как катод обеднен литием. В течение разряда ион лития покидает анод и мигрирует через электролит к катоду, а связанный с ним электрон собирается током коллектор, который будет использоваться для питания электрического устройство (показано на рисунке 2). Конструкции и комбинации ячеек по модулям и пакам сильно различаются.Чтобы установить базовое понимание, это бумага показывает основные конструкции ячеек и затем сосредотачивается на материалах, обработке, и производство с особым упором на аккумуляторах для транспортировки. Электроды в литий-ионных элементах всегда твердые материалы. Можно различать типы клеток по к их электролитам, которые могут быть жидкие, гелевые или твердотельные компоненты. Электролиты в геле и твердом состоянии. ячейки представляют собой структурный компонент и не нужны дополнительные разделители для эффективного разделения электродов и предотвращение коротких замыканий. Ячейки бывают кнопочными, цилиндрическими и призматические формы (см. рис. 3). Хороший обзор форм и материалов клеток предоставлено J. Besenhard et al. 9 Для приложений с низким и низким энергопотреблением, ячейка часто представляет собой полная батарея. Для высокой энергии и большой мощности приложения, такие как транспорт или стационарное хранилище, ряд ячейки упакованы в модуль, а количество модулей упаковано в аккумулятор. Тонкопленочные батареи Особой категорией являются твердотельные тонкопленочный аккумулятор. Тонкопленочные батареи состоят только из твердых материалов. В электролит — твердое ионное стекло или кристалл, а компоненты осаждаются с помощью методов осаждения из паровой фазы. Этот дизайн предлагает максимальную энергию плотность, безопасность и терпимость к злоупотреблениям, но это применимо только к маленьким устройствам для специальных приложений и включает самый затратный способ производства.А хороший обзор систем тонкопленочных аккумуляторов предоставлен N. J. Dudney и Б. Дж. Нойдекер. 10 МАТЕРИАЛЫ Катодные материалы Современные катодные материалы включают оксиды лития-металла [например, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 и Li (NixMnyCoz) O 2 ], оксиды ванадия, оливины (такие как LiFePO 4 ) и перезаряжаемые оксиды лития. 11,12 Многослойный оксиды, содержащие кобальт и никель, являются наиболее изученные материалы для литий-ионных батареи. Показывают высокую стабильность в диапазоне высокого напряжения, но кобальт имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Марганец предлагает недорогую замену на высокий тепловой порог и отличный возможности оценки, но ограниченное поведение на велосипеде. Поэтому смеси кобальта, никель и марганец часто используются объединить лучшие свойства и минимизировать недостатки.Оксиды ванадия имеют большую емкость и отличную кинетику. Однако из-за вставки лития и экстракция, материал имеет тенденцию стать аморфным, что ограничивает езда на велосипеде. Оливины нетоксичны и иметь умеренную мощность с низким выцветают из-за езды на велосипеде, но их проводимость низкий. Способы покрытия материала были введены, которые делают из-за плохой проводимости, но добавляет некоторые затраты на обработку для батареи. Материалы анода Материалы анода: литий, графит, литий-легирующие материалы, интерметаллиды, или кремний. 11 Литий вроде бы самый простой материал, но показывает проблемы с поведением на велосипеде и дендритный рост, который создает короткие замыкания. Углеродистые аноды наиболее часто используемый анодный материал благодаря их невысокая стоимость и доступность. Однако, теоретическая емкость (372 мАч / г) плохо по сравнению с зарядом плотность лития (3862 мАч / г). Некоторые усилия с новыми разновидностями графита и углеродные нанотрубки имеют пытался увеличить емкость, но приходить с ценой высокой обработки расходы. Аноды из сплавов и интерметаллиды соединения обладают высокой емкостью, но также показывают резкое изменение громкости, что приводит к плохому поведению на велосипеде. Усилия были сделаны, чтобы преодолеть изменение объема за счет использования нанокристаллических материалы и сплав фаза (с Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, и др.) в нелегированной стабилизации матрица (с Co, Cu, Fe или Ni). Кремний обладает чрезвычайно высокой емкостью 4199 мАч / г, что соответствует состав Si 5 Li 22 .Однако езда на велосипеде поведение плохое, а способности угасание еще не понято. Электролиты Необходим безопасный и долговечный аккумулятор прочный электролит, выдерживающий существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, предлагая высокая подвижность ионов лития. Типы включают жидкость, полимер и твердотельные электролиты. 11 Жидкие электролиты в основном органические, на основе растворителей электролиты, содержащие LiBC 4 O 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li [PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], или похожий. Самое важное соображение их горючесть; лучший растворители имеют низкую температуру кипения точек и вокруг 30С. Следовательно, вентиляция или взрыв ячейки, а затем и батареи представляют опасность. Разложение электролита и сильно экзотермические побочные реакции в литий-ионных батареях может создавать эффект, известный как тепловой разгон. Таким образом, подбор электролита часто предполагает компромисс между воспламеняемостью и электрохимические характеристики. Сепараторы со встроенным тепловым отключением механизмы, и дополнительные внешние сложное тепловое управление системы добавлены в модули и аккумуляторные батареи. Ионные жидкости находятся под рассмотрение из-за их термического стабильность, но есть серьезные недостатки, например, растворение лития из анод. Полимерные электролиты ионные проводящие полимеры. Они часто смешанный в композитах с керамикой наночастицы, что приводит к более высокой проводимости и устойчивость к более высоким напряжения. Кроме того, из-за их высокого вязкость и квазитвердое поведение, полимерные электролиты могут ингибировать литий дендриты из растущих 13 и могли поэтому может использоваться с металлическим литием аноды. Электролиты твердые литий-ионные проводящие кристаллы и керамические стекла. Они показывают очень плохую низкотемпературную производительность, потому что литий подвижность в твердом теле значительно снижена при низких температурах. Кроме того, твердые электролиты требуют специального осаждения условия и температурные процедуры добиться приемлемого поведения, сделав они чрезвычайно дороги в использовании, хотя они устраняют необходимость в сепараторы и риск теплового разгона. Сепараторы Хороший обзор материалов сепараторов и потребности обеспечивает П. Арора и З. Чжан. 14 Как следует из названия, разделитель аккумулятора разделяет два электроды физически друг от друга, таким образом избегая короткого замыкания. В этом случае жидкого электролита сепаратор пеноматериал, пропитанный электролит и удерживает его на месте. Это должен быть электронный изолятор при минимальном сопротивлении электролита, максимальная механическая стабильность, и химическая стойкость к деградации в высоко электрохимически активном Окружающая среда.Кроме того, разделитель часто имеет функцию безопасности, называемую термической неисправность; при повышенных температурах, он тает или закрывает поры, чтобы закрыть вниз по литий-ионному транспорту без теряет механическую устойчивость. Сепараторы либо синтезируются в листах и собран с электродами или наносится на один электрод на месте. С точки зрения затрат последний метод является предпочтительным, но предполагает некоторый другой синтез, обработка и механические проблемы. Твердотельные электролиты и некоторые полимеры электролиты не нуждаются в сепараторе. ОБРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО Разряд аккумулятора основан на диффузии ионов лития с анода к катоду через токоприемник, как показано на рисунке 2. Этот движущийся механизм в первую очередь основан на диффузионные процессы: доставка лития ионы на поверхность анода, переходя к и распространение через электролит, и переход на и диффузия в катод.Распространение самый ограничивающий фактор в сильноточных разрядка и зарядка, а также при низких температурах спектакль. К тому же, интеркаляция и деинтеркаляция процессы создают изменение объема в активные электродные материалы. Это повторилось процесс из-за цикла может инициировать трещины и могут привести к возможному разрушению в результате непригодного активного электрода материал из-за отключения от токоприемник или короткое замыкание а в случае литий-металлических батарей — угроза безопасности из-за шероховатости анода и роста дендритов. Работы по обработке материалов и производство для повышения производительности и управлять неизбежным объемом изменения привели к составным материалы с микро- и наноразмерными частицы. Наночастицы могут вместить изменение громкости с минимальным риск возникновения трещин и их микромасштабные агломераты и композиты приводят к минимальному распространению длины пути через медленную диффузию фазы (электроды). Особое внимание уделяется от плотности упаковки, чтобы максимально увеличить активную содержание материала, открытая пористость для доступа электролит и электронная непрерывность гарантировать обмен заряда на токоприемники. Ячейки цилиндрические изготавливаются и собраны следующим образом. Электролиты формируются из паст активных материалы порошки, связующие, растворители, и добавки и подаются на покрытие машины выкладывать на токоприемник фольга, например алюминиевая для катодная сторона и медь для анода сторона. Последующее ведение календаря для однородная толщина и частицы после размера следует разрезать до нужного ширина. Затем компоненты уложены на сепаратор-анод-катод-сепаратор стопки с последующей намоткой на цилиндрические ячейки, вставки в цилиндрические корпуса, и сварка проводки таб.Затем ячейки заполняются электролит. Электролит должен намокнуть разделитель, впитайте и смочите электроды. Процесс смачивания и замачивания это самый медленный шаг и поэтому является определяющим фактором скорости линии. Все остальные необходимые изоляторы, затем устанавливаются пломбы и предохранительные устройства. и подключен. Тогда клетки заряжаются с первого раза и тестируются. Часто во время первая зарядка. Далее следуют первые циклы зарядки сложные протоколы для улучшения производительность, езда на велосипеде и срок службы ячеек.В последнее время усилия были произведены в сочетании и гибридная обработка, такая как прямое осаждение разделителей на электроды и быстрые термообработки. АНАЛИЗ РАСХОДОВ НА АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ Требования к аккумуляторной батарее для HEV отличаются от таковых для PHEV и электромобили. 6 Программа DOEs целевые производственные цены от $ 500 до 800 долларов США за аккумуляторные блоки HEV и 1700 долларов США до 3400 долларов за аккумуляторные блоки PHEV. Материальные потребности и сырье Затраты на материалы Потребности в сырье и затраты на основе исследования Л. Гейнса и Р. Куэнса. 15 Стандартная цилиндрическая ячейка это так называемая ячейка 18650 (18 мм шириной и длиной 65 мм), которая имеет общую масса около 40 г (включая неактивные материал и упаковка) и емкость около 1,35 Ач. 16 Масса материала необходимо для батареи HEV и EV ячейки показаны в таблице I. Из таблицы I можно оценить, что емкость ячеек примерно зависит от масса. Хотя упаковка в составе всего для большой батареи меньше чем у маленькой батареи, общая масса батареи на 10 Ач составляет примерно 325 г, а общая масса ячейки 100 Ач составляет примерно 3430 г. Таким образом, расчет стоимости материалы могут быть сделаны путем увеличения масштаба затраты на материалы в ячейке 18650 на в 10 раз для HEV и в раз 100 для электромобилей.Большинство конструкций батарей в результате батарейки в общей сложности около 100 ячеек в нескольких модулях (например, как 12 × 8, 10 × 10 или аналогичный). Таблица I. Расчетное содержание материалов в типичных литий-ионных элементах (на основе ссылки 15) Ячейка высокой энергии (100 Ач) EV Ячейка повышенной мощности (10 Ач) HEV Материал / компонент Количество (г) Часть (%) Количество (г) Часть (%) Анод (сухой) Активный материал (графит) 563.6 16,4 14,1 4,3 Папка 69,7 2,0 3,1 1,0 Токосъемник (Cu) 151,9 4,4 41,6 12,8 Катод (сухой) Активный материал 1,408. 6 41,0 74,4 22,9 Углерод 46,4 1,4 3,2 1,0 Папка 92,9 2,7 6,3 1,9 Токосъемник (Al) 63,0 1,8 19.4 6,0 Электролит 618,0 18,0 44,0 13,5 Сепаратор 60,5 1,8 16,4 5,0 Остальная часть ячейки Выступы, концевые пластины, клеммные блоки 66. 2 1,9 32,2 9,9 Ядро 0,9 0,0 Контейнер 291,0 8,5 70,1 21,6 Всего 3 432,7 324.8 Например, затраты на материалы для элемента 18650 на основе LiCoO 2 (включая обработка материалов) может быть оценивается примерно в 1,28 доллара за весь клетка. 15 Обработка материалов очень сложна отделить от стоимости материалов и поэтому включается в стоимость материалов в этом разделе. К тому же, стоимость обработки материалов меняется резко с разными материалами и поэтому может считаться зависящим от материала.Однако новая обработка методы могут снизить текущий максимум стоимость сырья. Затраты на производство и оплату труда Современное производство цилиндрическая ячейка на производственной линии включает смешивание и нанесение покрытия, календарная обработка и продольно-резка, резка, намотка, сварка язычков, автоматизированная сборка и проверка затем следует тестирование, езда на велосипеде и упаковка. Произвести 100000 единиц в год требуется общая рабочая сила От 76 до 104 человек, работающих на двух линиях в две смены.Гейнс и Куэнса 15 оценка стоимость рабочей силы на ячейку и накладные расходы стоит 0,42 доллара США на основе 18650 сотовый. Общая стоимость Общая стоимость 18650 ячеек в сумме составляет примерно 1,70 доллара. Масштабирование до аккумуляторов HEV дает 1700 долларов (вдвое дороже цель). Целевая цена для Аккумуляторы для электромобилей пока нет. Однако на основании этот расчет, можно было бы вычислить весьма неопределенная оценка в 17 000 долларов на батарею. Оценка показывает, что для достижения целей, необходимы огромные усилия, чтобы снизить стоимость обработки, стоимость материалов, и количество необходимого материала. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Нет сомнений в том, что литий-ионный клеточная химия предлагает одни из лучших варианты хранения электроэнергии для приложения с высокой и высокой мощностью такие как транспортные и стационарные хранение за счет их электрохимических потенциал, теоретические возможности и плотность энергии.Однако по оценкам стоимость батареи для примера приложения HEV все еще вдвое выше целевой цены учреждено USABC и DOE. С ростом цен на нефть немного выше цена, которую цель может уже получить достаточно принятия потребителями для успешный выход на рынок. Однако цена еще впереди вниз. Есть четкие потребности в областях разработки материалов, оптимизации, и обработка. Расчеты выше отдельно между материалами и затраты на оплату труда.Однако это практически невозможно разделить затраты на сырье от затрат на обработку материалов, потому что мы никогда не используем чистое сырье в обработать; скорее мы используем материальные соединения которые подходят для применения и это наименее дорогие в производство. Кроме того, даже сырье и материальные соединения имеют обработано. Таким образом, новая недорогая методы обработки этих материалов и соединения должны быть разработаны чтобы свести к минимуму сырые батареи стоимость материала. Требуются работы по гибридным технологиям например, сочетание недорогих навозной жижи техники с методами лечения заменить задачи, которые в настоящее время выполняется в два разных этапа. Высокоскоростной процедуры, такие как лучистая обработка, необходимо оптимизировать, чтобы заменить медленные печные процедуры. Инвестиции затраты и время производства должны быть минимизированным, чтобы сделать их выполнимыми для аккумуляторные приложения. Кроме того, гибрид материалы, которые могут выполнять функции из двух или более компонентов в настоящее время в использовании должны быть разработаны и встроены в батареи (например,г., цельный или высоковязкие электролиты, не нужны сепараторы, имеют усиленный литий обменное поведение, намочите электрод, и образуют хорошую связь). БЛАГОДАРНОСТИ Автор выражает благодарность поддержка Дэвида Хауэлла (Энергия Руководитель программы НИОКР по хранению, Транспортное средство Программа технологий, Управление энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии, Департамент энергетики) и Раймонд Боеман (директор транспортной программы, Окриджская национальная лаборатория), руководство от Крейга Блю, и плодотворные дискуссии с Нэнси Дадни и многие другие коллеги.Это исследование в Национальной лаборатории Ок-Ридж, под управлением ООО «ЮТ-Баттель» за Министерство энергетики США под контракт DE-AC05-00OR22725, имеет спонсируется компанией Vehicle Technologies Программа для Управления энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии. ССЫЛКИ 1. Мировые батареи, Промышленное исследование с прогнозами до 2010 и 2015 (Исследование № 2095) (Кливленд, Огайо: Freedonia Группа, 2006). 2. Федеральное министерство образования и науки Германии, Innovation Alliance, Литий-ионная батарея, 2015 г. (2008 г.), http://www.bmbf.de/de/11828.php. 3. Расчеты Национальной лаборатории Ок-Ридж по информации Управления энергетической информации, Агентство по охране окружающей среды США, KEMA, и Университет штата Делавэр (2008 г.). 4. Д. Хауэлл, Исследования и разработки в области накопления энергии, Годовой отчет о ходе работы за 2006 г. (Вашингтон, Округ Колумбия: Управление FreedomCAR и транспортных технологий, U.С. Министерство энергетики, 2007 г.). 5. FreedomCAR и Fuel Partnership and United Государственный консорциум передовых аккумуляторов, электрохимический Техническая группа по хранению энергии Разработка технологий Дорожная карта (Саутфилд, Мичиган: USCAR, 2006). 6. Д. Хауэлл, Исследования и разработки в области накопления энергии, Годовой отчет о прогрессе 2007 г. (Вашингтон, Округ Колумбия: Управление автомобильных технологий, Департамент США. энергетики, 2008). 7. Дж. Гуденаф, H.D. Абруна, М.В. Бьюкенен, редакторы журнала «Потребности в фундаментальных исследованиях в области электроэнергии» Хранение (Вашингтон, Д.C .: Управление фундаментальных энергетических наук, Министерство энергетики США, 2007 г.). 8. Х.А. Кене, редактор, Справочник по аккумуляторным технологиям , 2-е издание (Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc., 2003). 9. Й. Безенхард, редактор, Справочник материалов для батарей (Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH, 1999). 10. Дадни Н.Дж., Нойдекер Б.Дж., Твердотельные тонкие Системы пленочных литиевых батарей, Curr. Мнение. Твердое состояние Мат. Sci., 4 (5) (1999), стр. 479482. 11. А.К. Шукла и Т. Кумар, Материалы для Next- Литиевые батареи поколения, Curr. Sci. , 94 (3) (2008), С. 314331. 12. M.S. Уиттингем, Материалы, с которыми сталкиваются проблемы Накопитель электроэнергии, Бюллетень MRS , 33 (4) (2008), стр. 411419. 13. Дж. Ньюман, К. Монро, Влияние эластичности Деформация в кинетике осаждения лития / полимера Интерфейсы, J. Electrochem. Soc. 152 (2) (2005), стр.A396A404. 14. P. Arora, Z. Zhang, Battery Separators, Chem. Ред. , 104 (2004), стр. 44194462. 15. Л. Гейнс, Р. Куэнза, Стоимость литий-ионных батарей. для транспортных средств (Отчет ANL / ESD-42) (Аргонн, Иллинойс: Аргоннская национальная лаборатория, 2000 г.). 16. Дж. Карконе, Последняя информация о литий-ионных батареях (документ представлен на 15-м международном семинаре и выставке по первичным и вторичным батареям, Форт-Лодердейл, Флорида, 25 марта 1998 г.). Клаус Даниэль занимается обработкой материалов Группа, Отделение материаловедения и технологий, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, Теннесси, а также Департамент материалов Наука и техника, Университет Теннесси, Ноксвилл, Теннесси. С доктором Дэниелом можно связаться по телефону (865). 241-9521; электронная почта [email protected].

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

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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

Что сохраняется в файле cookie?

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

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

— Battery University

Узнайте, что качественные элементы — лучшая основа для долговечной аккумуляторной батареи.

Производитель не может предсказать точную емкость, когда элемент сойдет с производственной линии, и это особенно верно для свинцово-кислотных и других аккумуляторов, которые требуют ручной сборки.Даже полностью автоматизированное производство ячеек в чистых помещениях вызывает различия в производительности. В рамках контроля качества каждая ячейка измеряется и разделяется на категории в соответствии с их уровнями производительности. NiMH и другие элементы большой емкости могут быть зарезервированы для специальных приложений и проданы по более высокой цене; крупный средний сегмент пойдет на коммерческие и промышленные рынки; а низкосортные элементы могут оказаться в потребительском продукте или в универмаге. Езда на велосипеде не приведет к значительному увеличению емкости аккумуляторной батареи нижнего уровня, и покупатель должен знать о различиях в емкости и качестве, которые часто отражаются в ожидаемой продолжительности жизни.

Согласование ячеек по емкости важно, особенно для промышленных батарей, и идеального совпадения невозможно. При небольшом отклонении элементы на основе никеля адаптируются друг к другу после нескольких циклов заряда / разряда, как у игроков в спортивной команде-победительнице. Высококачественные соты продолжают работать дольше, чем низкокачественные аналоги, а замирание более равномерное и контролируемое. С другой стороны, ячейки более низкого уровня расходятся быстрее с течением времени и использования, а сбои из-за несоответствия ячеек более распространены. Несоответствие ячеек — частая причина выхода из строя промышленных батарей. Производители профессиональных электроинструментов и медицинского оборудования тщательно выбирают элементы, чтобы обеспечить высокую надежность и долгий срок службы батарей.

Давайте посмотрим, что происходит со слабой клеткой, которая связана с более сильными клетками в пачке. Слабый элемент имеет меньшую емкость и разряжается быстрее, чем его сильные собратья. Если первым стать пустым, то их сильные братья переполнят своего слабого брата до такой степени, что высокая нагрузка может подтолкнуть слабый элемент к обратной полярности.Никель-кадмий может выдерживать обратное напряжение минус 0,2 В при нескольких миллиампер, но превышение этого значения вызовет постоянное короткое замыкание. При зарядке слабый элемент сначала достигает полного заряда, а затем переходит в перегрев, в то время как сильные братья все еще принимают заряд и остаются холодными. Слабый элемент имеет недостатки как при зарядке, так и при разрядке; он продолжает ослабевать, пока не прекращает борьбу.

Допуск емкости между элементами в промышленной батарее должен составлять +/– 2.5 процентов. Высоковольтные блоки, рассчитанные на большие нагрузки и широкий диапазон температур, должны еще больше снизить допуск по емкости. Между балансом клеток и долголетием существует сильная корреляция.

На рис. 1 показаны циклические характеристики пяти устаревших литий-ионных аккумуляторов в зависимости от соответствия элементов. Элементы соединены по схеме 2P4S с центральным отводом, образуя две аккумуляторные секции, которые в нашем примере плохо согласованы. Разница в производительности между двумя секциями составляет 5, 6, 7 и 12 процентов.При циклическом включении все батареи демонстрируют большие потери емкости в течение 18 циклов, но наибольшее снижение происходит при несовпадении емкости батареи на 12 процентов.

Рис. 1. Производительность цикла в зависимости от совпадения ячеек
Аккумуляторные блоки с хорошо подобранными ячейками работают лучше, чем те, в которых ячейка или группа ячеек отличаются последовательным подключением.
^{Конфигурация: Призматический литий-ионный аккумулятор 5 Ач, соединенный в 2P4S (14,8 В, 10 Ач) с центральным отводом}

Качественные литий-ионные элементы имеют одинаковую емкость и низкий саморазряд в новом состоянии.Добавление балансировки ячеек выгодно, особенно когда пакет стареет, и производительность каждой ячейки снижается в своем собственном темпе. Проблема возникает, когда элемент в цепочке теряет емкость или развивает повышенный саморазряд. Это можно объяснить высокотемпературными пятнами в большой батарее. Клетки низкого качества также могут быть подвержены неравномерному старению. Литий-фосфат имеет более высокий саморазряд, чем другие литий-ионные, и это усложняет балансировку ячеек. (См. BU-802b: Что делает повышенный саморазряд?)

Эксперт по батареям однажды сказал: «Я не видел схемы балансировки ячеек, которая работает.«Для многоэлементных блоков он предложил использовать качественные литий-ионные элементы, сортированные на заводе по емкости и напряжению. Это хорошо работает с литий-ионными батареями до 24 В; блоки выше 24В должны иметь балансировку. Большая часть балансировки пассивна; активная балансировка сложна и используется только в очень больших системах.

Пассивная балансировка вызывает утечку из высоковольтных ячеек на резисторе во время заряда по кривой 70–80 процентов SoC; Активная балансировка переключает дополнительный заряд с ячеек с более высоким напряжением во время разряда на элементы с более низким напряжением. Активная балансировка — предпочтительный метод для электромобилей, но для него требуются преобразователи постоянного тока в постоянный. Скорректированные токи находятся только в диапазоне мА. Приложение большой нагрузки во время ускорения с последующей быстрой зарядкой с рекуперативным торможением требует хорошо настроенных элементов высоковольтной батареи для достижения ожидаемого срока службы. По соображениям стоимости в аккумуляторах электромобилей используется в основном пассивная балансировка.

Приложения с одной ячейкой в ​​мобильных телефонах и планшетах не требуют балансировки ячеек. Емкость между ячейками может варьироваться, и каждая ячейка может стареть на своих условиях, не причиняя вреда, за исключением сокращения времени работы.Потребитель принимает это уменьшение; это часть запланированного устаревания потребительских товаров. (См. BU-801a: Как оценить время работы батареи.)

Для всех литий-ионных элементов требуется схема защиты, которая гарантирует, что последовательно подключенные элементы не превышают 4,25 В / элемент (большинство литий-ионных) при зарядке и отключаются, когда самая слабая ячейка падает до 2,80 В / ячейку или ниже. Разъединитель разряда не позволяет более сильным элементам подтолкнуть истощенный элемент к обратной полярности. Схема защиты действует как ангел-хранитель, который защищает более слабых братьев и сестер от издевательств со стороны более сильных.Это может объяснить, почему литий-ионные аккумуляторы для электроинструментов служат дольше, чем никелевые аккумуляторы без схемы защиты. Схема защиты также защищает аккумулятор от чрезмерного тока нагрузки. (См. BU-304: Схемы защиты)

С течением времени и использования элементы батареи становятся несовместимыми, и это также относится к свинцово-кислотным. Ячейки с высоким уровнем саморазряда приведут к дисбалансу и последующему отказу. Производители автомобилей для гольфа, подъемных платформ, скрубберов для полов и других транспортных средств с батарейным питанием рекомендуют выравнивающий заряд, если разница напряжений между элементами превышает +/– 0.10 В, или если удельный вес изменяется более чем на 10 баллов (0,010 по шкале SG).

Уравнительный заряд — это заряд поверх заряда, который доводит все элементы до полного насыщения. Эту услугу необходимо выполнять с осторожностью, поскольку чрезмерная зарядка может повредить аккумулятор. (См. BU: 404: Уравнительный заряд)) Разница в удельном весе в 40 баллов создает проблемы с производительностью, и ячейка считается неисправной. (Разница в 40 пунктов означает, что одна ячейка имеет SG 1. 200, а другая — 1.240.) Заряд может временно восполнить недостаток, но, скорее всего, дефект снова появится через несколько часов из-за высокого саморазряда неисправного элемента.

Последнее обновление 2021-02-02

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

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

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

Или перейти к другой артикуле

Аноды для литий-ионных аккумуляторов, изготовленные из микрокристаллического кремния с использованием химии связующего и псевдо-самовосстановления

Типичный образец микрокристаллического кремния промышленного качества может быть представлен как ансамбль поликристаллических частиц размером от 100 нм до 5. 5 микрон, функция которых будет зависеть от связующего и условий цикла ²⁸ . Получение изображений с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) репрезентативного набора частиц Si, используемых в этой работе, показано на рис. 1a рядом с гистограммой, иллюстрирующей распределение частиц по размерам, как показано на рис. 1b. В рамках настоящей работы электроды были приготовлены с очень высокой загрузкой частиц Si (80% по весу), чтобы лучше подчеркнуть влияние химического состава связующего на стабильность анода и ячейки.Высокая загрузка Si и большой размер частиц Si привели к неоднородной морфологии электродов, что можно увидеть на Рисунке S1 вспомогательной информации. При использовании различных композиций связующего не наблюдалось заметных различий в морфологии электродов.

СЭМ-изображение с низким разрешением ( a ) микрочастиц Si, использованных в настоящей работе, ( b ) распределение частиц по размерам, оцененное с помощью СЭМ-изображения, на вставке показан подробный вид области 0–1000 нм .

Полученные частицы Si были обработаны для изготовления электродов, и их электрохимические характеристики были оценены в конфигурации полуячейки. Связующие вещества, такие как ПАК, КМЦ и комбинация ПАК / КМЦ (массовое соотношение 1: 1), обработанные при нейтральном pH (7) и низком pH (pH 3). Эти химические составы состава (разные связующие при разных pH) оценивались пополам конфигурации ячеек с использованием литиевой фольги в качестве противоэлектродов с использованием электролита G1. Для циклирования изготовленных ячеек применялись гальваностатические условия при комнатной температуре и соответствующие электрохимические характеристики (разрядная емкость в зависимости отномер цикла) показаны на рис. 2, который суммирует поведение анодов, полученных с использованием ПАК в качестве связующего.

Циклическое поведение анодов, полученных при различных значениях pH, оцененных с использованием электролита G1 (5% FEC) в конфигурации полуэлементов: ( a ) разрядная емкость; ( b ) внутреннее сопротивление; ( c ) кулоновский КПД как функция номера цикла.

Циклическое поведение электродов однозначно продемонстрировало важность pH во время обработки анодов, изготовленных из микрокристаллического Si и PAA.В то время как преимущества низкого технологического pH для некоторых типов Si хорошо документированы ( ²⁷ ), для микрокристаллического Si, используемого в настоящей работе, эффект впечатляет. В частности, обработка суспензии при нейтральном pH приводит к в значительной степени нефункционирующему аноду, когда полное снижение производительности происходит после завершения циклов формирования. Циклы формирования таких анодов также характеризуются низкой кулоновской эффективностью (ниже 40% для первого цикла, таблица S1 вспомогательной информации). В то время как емкость / напряжение при начальной зарядке почти одинаковы для анодов, обработанных при нейтральном и низком pH, аноды, полученные при нейтральном pH, продемонстрировали большую необратимую емкость, которая, скорее всего, связана с отслоением активного материала от электрода (рис. S2 вспомогательной информации). Напротив, аноды, изготовленные при низком pH, продемонстрировали поведение, довольно обычное для этого типа материала Si. Таким образом, как и в случае связующих материалов CMC ²⁸ , приготовление суспензии при pH 3 оказывает огромное влияние на систему PAA-Si, особенно когда используются большие частицы Si.

В литературе хорошо известно, что использование различных композиций связующего способствует различным способам связывания. ¹⁷ . В частности, условия обработки, такие как pH суспензий, необходимых для отливки электрода, будут иметь большое влияние на образование связей между карбоксильной группой связующего и гидроксильными группами на поверхности частицы Si, если выбрано связующее с карбоксилатными фрагментами.Более низкий pH способствует образованию связи сложноэфирного типа с образованием фрагментов Si – O – C, таким образом связывая частицу Si с остальной частью электрода и поддерживая ее целостность. Однако даже связующие на карбоксилатной основе отличаются: ПАК является линейным полимером, тогда как КМЦ более склонен к сшиванию ²⁹ , поэтому механическая прочность и гибкость электродов, изготовленных из разных связующих, будут разными. Этот фактор особенно важен во время расширения и сжатия Si, связанного с процессами литирования / делитирования.Однако в рамках настоящей работы не наблюдалось существенной разницы между системами связующих CMC и PAA, а pH обработки оказал значительно более заметное влияние на характеристики электрода (рис. S3 вспомогательной информации). Высокая загрузка Si может быть основным фактором этого наблюдения.

Известно, что присутствие FEC частично снижает проблемы деградации анодов на основе Si ^30,31,32 . Концентрация FEC по существу позволяет управлять сроком службы анода, участвуя и влияя на формирование SEI, делая его более гибким и, следовательно, позволяя ему приспосабливаться к изменению формы Si во время циклирования.Следовательно, ожидается, что повышенное количество FEC также улучшит стабильность анодов на основе Si, изготовленных из микрокристаллического Si. Это будет иметь особое значение для тестирования электродов, подготовленных при нейтральном pH, чтобы понять, может ли FEC изменить влияние химического состава связующего. Таким образом, электролит S1, содержащий 10 мас.% FEC, был испытан в конфигурации полуячейки с PAA (электрохимические характеристики показаны на рис.3) и в сочетании с различным химическим составом связующего, как показано в дополнительной информации (рис.S4).

Циклическое поведение анодов, полученных с использованием при pH, оцененном с использованием электролита S1 (10 мас.% FEC) в конфигурации полуячейки. ( a ) разрядная емкость; ( b ) внутреннее сопротивление; ( c ) кулоновский КПД как функция номера цикла.

Аналогично результатам, наблюдаемым для электролита с низким содержанием FEC (G1), обработка электродов pH оказывает огромное влияние на срок службы и общие характеристики электродов: электроды, обработанные при нейтральном pH, не работали после циклов формирования, несмотря на наличие дополнительного количества FEC, в отличие от приведенных выше примеров, приведенных в литературе.В частности, pH обработки контролирует не только срок службы электрода, но и его способность функционировать вне циклов формирования. Мы полагаем, что такое различие в поведении связано с конструктивной стабильностью электродов. Высокая загрузка Si и размер частиц существенно отличают исследуемую систему от большинства вышеупомянутых систем Si, оцененных ранее. Вторичной связи между связующим веществом и гидроксильными группами на поверхности Si, полученной при нейтральном pH, больше недостаточно для поддержания структурной целостности электродов, что приводит к отрыву частиц Si от электродов.Такое отслоение приводит к быстрому снижению емкости и выходу электродов из строя. Более сильное ковалентное связывание, обеспечиваемое образованием сложноэфирной связи между карбоксильными группами связующих веществ и гидроксилами на поверхности, полученной при низком pH, позволяет сохранить структуру электрода, позволяя электродам вести себя соответствующим образом. Чтобы убедиться, что набор ячеек был изготовлен и подвергался циклам в течение 5 циклов, после чего ячейки были разобраны и исследованы с помощью SEM. Соответствующие изображения показаны на рис. S3 вспомогательной информации. Вкратце, в то время как электроды, приготовленные с использованием низкого pH, представляют собой обычный вид электродов с умеренным циклом, со всеми компонентами, полностью соединенными между собой и покрытыми SEI, электроды, полученные при нейтральном pH, можно рассматривать как механическую смесь компонентов без каких-либо четких взаимосвязей. Были собраны полные ячейки, чтобы продемонстрировать влияние pH без потенциального влияния противоэлектрода из металлического лития. Эти ячейки (характеристики цикла показаны на рис.S4 вспомогательной информации) демонстрируют явную разницу в деградации между двумя системами, как в половинных ячейках. Однако деградация полных клеток кажется менее серьезной по сравнению с половинными клетками. Причина такой разницы заключается в том, что в полных ячейках емкость анода превышает размер катода, чтобы предотвратить покрытие литием, и, следовательно, результирующее напряжение на аноде намного меньше по сравнению с системами с половинными ячейками.

Циклическое поведение анодов, приготовленных при низком pH, продемонстрировало необычное поведение — восстановление разрядной емкости работающих электродов, что хорошо видно на рис.2а и 3а. Этот феномен самовосстановления электрода псевдо проявляется в восстановлении емкости анода примерно на 25% и начинается примерно после 20 циклов. Эффект самовосстановления псевдо явно зависит от электролита и более выражен при более высоких концентрациях FEC, что позволяет предположить, что происхождение этого эффекта связано с SEI (рис. 4a). Более экстремальная ситуация наблюдается при использовании КМЦ в качестве связующего — эффект самовосстановления псевдо едва заметен при низкой концентрации FEC, тогда как при высоких концентрациях FEC он сравним с PAA или комбинацией CMC / PAA (рис.S5 и S6 вспомогательной информации). Формирование SEI зависит от типа связующего и, как было показано, для связующего PAA отличается от связующего CMC, как показано в ²⁷ . После достижения максимума примерно за 50 циклов емкость анода начинает снижаться, как это показано на рис. 4а, обычным для анодов на основе кремния.

Иллюстрация эффекта самовосстановления псевдо в анодах из микрокристаллического Si, приготовленных со связующим ПАК, при низких значениях pH, измеренных с различными электролитами с низким содержанием FEC (G1) и с высоким содержанием FEC (S1): ) нормализованная емкость по отношению к пиковой восстановительной способности; ( b ) дифференциальная мощность на цикле 20; ( c ) графики дифференциальной емкости при 5, 10, 20 и 35-м циклах с использованием электролита S1 (обогащенный FEC); ( d ) графики дифференциальной емкости при 5, 10, 20 и 35-м циклах с использованием электролита G1 (бедный FEC).

Классическое поведение Si на ранних стадиях представлено двумя пиками на графике дифференциальной емкости, соответствующих последующему образованию двух аморфных фаз в процессе литирования ( a -Li ₂ Si примерно около 0,25 В и a -Li _3,75 Si при более низких напряжениях) ^{33 900 43. Аналогичное поведение наблюдается и в процессе делитирования. Оценка дифференциальной емкости позволяет интерпретировать и понимать наблюдаемый эффект самовосстановления псевдо , особенно для электролита, обогащенного FEC.Снижение емкости (показанное на рис. 4a) коррелирует с исчезновением пика, связанного с образованием сильно литиированной фазы, что самоограничивает литиирование микрочастиц Si до образования только Li ₂ Si (рис. 4b Оба пика присутствуют на ранних стадиях циклирования; кривые дифференциальной емкости для цикла 5 показывают два пика как для процессов литиирования, так и для процессов делитирования для обоих типов электролитов (рис. 4c, d, черные линии), а для последующих циклов , пик около 0.Постепенно исчезает напряжение 1 В, соответствующее образованию высшей литиированной фазы. Затем, после 20–30 циклов, снова появляется пик, соответствующий образованию a -Li _3,75 Si, который помогает восстановить емкость электрода, проявляясь как механизм самовосстановления псевдо . Аналогичная ситуация наблюдается и для соответствующих кривых делитирования. Термин псевдо используется для отражения того факта, что в кремниевом материале не происходит структурного заживления, а, скорее, структура электрода претерпевает изменения, которые частично восстанавливают ранее потерянную емкость.}

Степень подавления пика сильно зависит от состава электролита, такого как концентрация FEC: для электролита с низким содержанием FEC подавление лития менее выражено, в то время как для электролитов с высоким содержанием FEC a -Li _3,75 Si формирование полностью подавлено около 20 цикла (рис. 4b). Подобное поведение наблюдалось при использовании альтернативных связующих, таких как CMC (фиг. S7 и S8). Однако для электродов на основе КМЦ разница между системами электролитов даже более выражена, чем для электродов на основе ПАК.Эта зависимость от состава электролита и связующего позволяет предположить, что самоограничивающееся литиирование продиктовано образованием SEI вместе с эластичностью связующего. Накопление SEI, происходящее в начальных циклах, приводит к ограничению процесса литирования, что можно рассматривать как самоограничение электродом на основе Si. Такое самоограничение можно объяснить, если SEI является достаточно плотным и эластичным, чтобы подавить расширение частиц во время литирования, т.е. связанное с этим нарастание деформации ограничивает диффузию двухфазной границы между a- Li ₂ Si и a -Li _3.75 Si. Этому эффекту также может способствовать высокая нагрузка Si в электродах, которая ограничивает пространство, доступное для расширения. Известно, что присутствие FEC изменяет образование SEI, способствуя образованию полимера, который обеспечивает более однородное, плотное и конформное покрытие частицы ^34,35 . В данном случае мы предполагаем, что активная частица может быть полностью покрыта, поскольку SEI ведет себя как защитное покрытие, поскольку оно накапливается на ранних стадиях. Рассмотрение большего количества FEC вместе с относительно небольшой площадью поверхности микрокристаллического Si позволяет наблюдать этот эффект независимо от системы связки.

Восстановление емкости ( псевдо самовосстановления) происходит за счет постепенного повторного появления полностью литиированной фазы. Принципы, лежащие в основе реставраций, противоположны принципам, которые привели к самоограничению лития — в результате продолжительного цикла SEI начинает разрушаться, что приводит к дальнейшему расширению частиц. Этот процесс уменьшает эффект самоограничивающегося литиирования и восстанавливает полную емкость кремния, постепенно возвращая нормальное поведение кремния деградации, как было описано в более ранних работах.Однако такое самоограничение продлевает срок службы электрода из-за меньшего разрушения частиц, особенно на ранних стадиях. За счет ограничения литиирования общее объемное расширение и деформация электрода уменьшаются.

пионеров литий-ионных аккумуляторов удостоены Нобелевской премии 2019 года в категории

Иллюстрация ранней конструкции батареи Джона Гуденафа. Его работа оказала значительное влияние на мощность литиевых батарей. (Источник изображения: Йохан Ярнестад / Шведская королевская академия наук)

Нобелевская премия по химии 2019 года досталась трем мужчинам, которые сделали мир перезаряжаемым.

Шведская королевская академия наук объявила в среду, что в этом году Нобелевская премия по химии была присуждена Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино за их работу по разработке литий-ионных батарей.

«Литий-ионные батареи произвели революцию в нашей жизни с тех пор, как они впервые вышли на рынок в 1991 году», — говорится в заявлении Академии для прессы. «Они заложили основу беспроводного общества без ископаемого топлива и приносят огромную пользу человечеству».

В наши дни вам будет сложно найти электронное устройство, которое не использует литий-ионные преимущества. И хотя исследователи всегда стремятся внести новые улучшения в батареи или найти альтернативы, это не помешало литиевым батареям стать повсеместным в нашей мобильной электронике и ключевым компонентом возрождения электромобилей.

В свои 97 лет Гуденаф все еще работает над развитием технологии, которую он первым начал. В прошлом году в интервью Design News он рассказал, как работает над новым дизайном твердотельной литий-ионной батареи. Твердотельная версия устранит проблемы с перегревом и значительно сократит время зарядки литий-ионных аккумуляторов. Представьте, что вместо того, чтобы заряжать свой электромобиль в течение нескольких часов или в течение ночи, вы можете зарядить свой электромобиль за время, необходимое вам, чтобы накачать полный бак бензина — это обещание продолжающейся работы Гуденаф.

«Люди пытались сделать твердотельную батарею, и они могли сделать это только с очень тонкими пленками и небольшой емкостью», — сказал Гуденаф Design News . «Это очень сложная проблема. Но я верю, что через пять лет он будет готов ».

Впервые обнаруженный в 1817 году литий нашел свое применение в батареях в начале 1970-х годов, когда Стэнли Уиттингем, работавший тогда исследователем в Exxon (ныне ExxonMobile), обнаружил, что, используя литий в качестве отрицательного электрода (анода) батареи, он может создать аккумуляторную батарею. В конструкции Уиттигема ионы лития текли от лития в аноде к положительному электроду (катоду), который был сделан из дисульфида титана. Когда аккумулятор был заряжен, ионы лития снова текли обратно.

Кроме того, да, вы все правильно прочитали. Еще в 1970-х годах нефтяной гигант Exxon фактически финансировал исследования аккумуляторов из-за опасений, что запасы нефти истощатся. Компания Exxon решила, что сможет опередить надвигающийся нефтяной кризис, если первой предоставит аккумулятор, способный питать автомобиль.Однако, когда в 1980-х годах цены на нефть резко упали, Exxon вернулась к своему обычному бизнесу, и все эти амбиции в области аккумуляторов испарились.

Джон Гуденаф начал с того места, где остановился Уиттингем в 1980-х годах. Понимая, что можно производить батареи в незаряженном состоянии и заряжать их позже, Гуденаф пришел к идее использовать оксид кобальта в качестве материала катода батареи. Это было изменение, которое не только почти удвоило потенциал литиевых батарей, но также позволило им стать меньше и легче.

Но именно Акира Ёшино сделал литий-ионные батареи коммерчески жизнеспособными. Йошино работал в Asahi Kasei Corporation в 1980-х годах, в то время, когда японские производители электроники требовали батарей лучшего качества и меньшего размера для новой волны портативной электроники, выходящей на рынок, такой как видеокамеры, компьютеры и беспроводные телефоны.

По иронии судьбы, именно нефтяная промышленность привела Ёшино к прорыву в области производства батарей. Он использовал материал оксида лития-кобальта, разработанный Гуденафом, в катоде батареи, а в качестве анода он использовал нефтяной кокс, побочный продукт процесса переработки нефти.Нефтяной кокс также может интеркалировать ионы лития, а это означает, что вместо химических реакций батарея теперь может позволять ионам лития перемещаться между электродами. Литиевая батарея Ёшино была самой легкой и мощной из всех. А поскольку в нем не использовался чистый литий, он был самым безопасным. Сам Ёшино сказал Академии, что момент, когда батарея прошла критические испытания на безопасность, был «моментом рождения литий-ионной батареи».

Разработка литий-ионных аккумуляторов продолжается и по сей день, поскольку потребители требуют более тонкие устройства с более длительным сроком службы (в основном смартфоны), а исследователи ищут новые и инновационные способы выжать из аккумуляторов еще больше энергии при уменьшении их форм-фактора.Apple играет с батареями уникальной формы в своих iPhone. Исследователи применяют нанотехнологии для увеличения срока службы батарей и времени зарядки. Ведется даже работа по созданию гибких батарей.

Хотя такие материалы, как алюминий, рассматриваются как возможные альтернативы литий-ионному, никому еще не удалось обогнать литий-ионный. Благодаря работам Уиттингема, Гуденафа, Ёшино кажется, что литий-ионные аккумуляторы еще долго будут стоять на вершине холма батарей.

Смотрите полное объявление о Нобелевской премии по химии ниже:

Крис Уилтц — старший редактор журнала Design News , освещающего новые технологии, включая AI, VR / AR, блокчейн и робототехнику.

Литий-ионные батареи | PhysicsCentral

Доставка заряда

уже питают ваш мобильный телефон и ноутбук, и вскоре они могут питать ваш автомобиль. Но что это за батареи и что делает их намного лучше обычных щелочных батарей?

Чтобы ответить на этот вопрос, важно понимать, как работают батареи.Батарея — это устройство, которое накапливает электрическую энергию и затем может доставлять эту энергию с помощью легко управляемой электрохимической реакции.

Схема литий-ионного элемента. Перепечатано с разрешения HowStuffWorks.com

Батарея обычно состоит из ряда ячеек, вырабатывающих электричество. Каждая ячейка состоит из трех основных компонентов: анода, катода и электролита. Когда анод и катод соединены электрическим проводником, таким как провод, электроны текут от анода через провод к катоду, создавая электрический ток, а электролит проводит положительный ток в виде положительных ионов или катионов.Материалы, используемые для каждого из этих компонентов, определяют характеристики батареи, включая ее емкость — или общее количество энергии, которое она может доставить — и ее напряжение — или количество энергии на электрон. Представьте, что аккумулятор похож на резервуар с водой, которую сливают из шланга. Объем бака — это емкость аккумулятора, а давление в шланге — это его напряжение.

Литий-ионный аккумулятор от мобильного телефона.

Материалы анода и катода выбираются так, чтобы анод отдавал электроны, а катод принимал их.Тенденция материала отдавать или принимать электроны обычно выражается как стандартный электродный потенциал объекта. Разница между электродными потенциалами катода и анода определяет напряжение всей ячейки. Анод и катод разделены электролитом, который представляет собой жидкость или гель, проводящий электричество. Когда анод и катод затем соединяются друг с другом через провод, анод вступает в химическую реакцию с электролитом, в которой он теряет электроны, создавая катионы или положительные ионы — процесс, называемый окислением.Электроны и катионы встречаются на катоде, где они подвергаются химической реакции, называемой восстановлением. Вместе весь процесс известен как окислительно-восстановительная реакция. Электроны перемещаются по проводу от анода к катоду, потому что они имеют более высокую энергию в аноде, чем в катоде. Когда электроны проходят через такое устройство, как электрическая лампочка, энергия батареи используется для работы. Химические реакции в батарее могут длиться некоторое время, но не вечно. В конце концов они истощают или разъедают анод и катод, оставляя недостаточно материала для продолжения реакций.

Оксид лития-кобальта состоит из слоев лития (показаны здесь как пурпурные сферы), которые лежат между пластинами, образованными атомами кобальта и кислорода (показаны здесь как соединенные красные и синие сферы).

В литий-ионной батарее ион лития — это катион, который перемещается от анода к катоду. Литий (Li) легко ионизируется с образованием Li ⁺ плюс один электрон. Электролит обычно представляет собой комбинацию солей лития, таких как LiPF ₆ , LiBF ₄ или LiClO ₄ , в органическом растворителе, таком как эфир.Графит (углерод) чаще всего используется в качестве анода, а оксид лития-кобальта (LiCoO ₂ ) является наиболее распространенным материалом катода. Эта комбинация дает общее напряжение 3,6 В (В), что более чем в два раза больше, чем у стандартной щелочной батареи AA. Это дает литий-ионным батареям намного лучшее соотношение энергии к объему или удельной энергии, чем у обычных щелочных батарей или других обычных перезаряжаемых батарей, таких как никель-металлгидридные. Отчасти это связано с тем, что литий является третьим по величине элементом после водорода и гелия, и, таким образом, ион лития может нести положительный заряд в очень небольшом пространстве.Однако важно иметь в виду, что даже литий-ионные батареи во много раз менее энергоемкие, чем такие вещества, как моторное топливо или продукты питания, которые хранят энергию в химических связях. Увеличение количества энергии, которое может быть упаковано в батарею заданного объема, является одной из основных проблем, стоящих сегодня перед производителями батарей.

, в отличие от стандартных щелочных батарей AA и AAA, можно заряжать, выполняя анодную и катодную реакции в обратном порядке. Обычно это делается с помощью зарядного устройства, которое подключается к мощному источнику электроэнергии, например к сетевой розетке или автомобильному прикуривателю.Возможность многократной перезарядки без большой потери емкости — еще одно важное преимущество литий-ионного аккумулятора. Представьте, если бы вам приходилось покупать новый аккумулятор для мобильного телефона каждые несколько дней!

Зарядка и разрядка. Перепечатано с разрешения рисунка 2 из: «Батареи и электрохимические конденсаторы», Абруна, Кия и Хендерсон, Physics Today , декабрь 2008 г. Авторское право 2008 г., Американский институт физики.

Несмотря на все эти преимущества, литий-ионные аккумуляторы не идеальны.Возможно, вы заметили, что количество заряда, которое может выдержать аккумулятор вашего мобильного телефона и ноутбука, уменьшается через несколько лет. Литий-ионные батареи со временем развивают повышенное внутреннее сопротивление, что снижает их способность передавать ток. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы уязвимы для ряда потенциальных проблем, включая перегрев на аноде (возможно, из-за тепла от устройства, которое питает аккумулятор) и выработка кислорода из-за перезарядки на катоде. Сложите эти две проблемы вместе, и вы получите хорошие условия для пожара — именно то, что случилось с несколькими незадачливыми владельцами ноутбуков.

Изображение внутренней части литий-ионной аккумуляторной батареи с защитными устройствами. Любезно предоставлено ZDNet UK.

Сегодня литий-ионные батареи производятся с защитой для ограничения зарядного напряжения и отключения батареи, если температура становится слишком высокой. Другие меры предосторожности позволяют удалить воздух в случае повышения давления и предотвратить слишком глубокую разрядку, после которой аккумулятор не может быть перезаряжен. Эта защитная схема делает батарею безопасной, но она также уменьшает долю батареи, которая используется для хранения энергии, а также медленно разряжает батарею, даже когда устройство выключено.Ряд исследовательских групп занимаются улучшением этих и других аспектов литий-ионной батареи, и в будущем эта трудолюбивая батарея появится во все большем количестве устройств, включая электромобили, о которых мы так много слышим. в эти дни.

Исследования

Большая часть недавних усилий по усовершенствованию литий-ионных аккумуляторов была сосредоточена на разработке анодных или катодных материалов, которые могут удерживать больше заряда в заданном объеме, что приводит к более высокой плотности энергии. Многочисленные исследовательские группы сосредоточены на замене графитового анода кремнием, который потенциально может хранить до десяти раз больше текущей емкости.Обратной стороной является то, что кремниевые пленки имеют тенденцию расширяться при поглощении ионов лития во время зарядки и снова сокращаться при высвобождении ионов лития во время разряда, что приводит к измельчению и разрушению анода и короткому сроку службы батареи. Недавно группа под руководством И Цуй из Стэнфордского университета использовала кремниевые нанопроволоки для создания анода, который не имеет этого недостатка. На рисунке 3 представлены изображения этих нанопроволок с ионами лития и без них, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM).

Рис. 3. Морфология и электронные изменения Si ННК в результате реакции с Li. Из «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Чан и др. Nature Nanotechnolog, 3, 31 — 35 (2008).

Другая идея, которая привлекла значительное внимание, — использование фосфата лития-железа (LiFePO ₄ ) в качестве катода. Несмотря на то, что он имеет немного меньшую емкость и значительно меньшую проводимость по сравнению с оксидом лития-кобальта, фосфат железа дешевле и менее химически активен.Тем не менее-Мин Чан и его коллеги из Массачусетского технологического института (MIT) работают над изменением этого положения. В 2002 году они показали, что путем «легирования» (добавления примесей) фосфата железа они могут достичь гораздо более высокой проводимости, чем считалось возможным ранее. А в 2004 году команде Чанга удалось использовать очень маленькие (менее 100 нанометров) частицы фосфата железа для улучшения емкости и проводимости катода.

Шарообразная модель фосфата лития-железа, в которой атомы лития синие, атомы железа серые, атомы фосфора желтые, а атомы кислорода красные.Из «Электропроводящие фосфооливины как электроды для хранения лития». S Cung, J. Bloking и Y. Chiang. Nature Material , Volume 1, October 2002.

Chiang также участвовал в исследованиях передовых технологий сборки. Группа исследователей недавно использовала вирусы для сборки катодов литий-ионных аккумуляторов из очень тонких проводов из золота и оксида кобальта. Вирусы и другие биологические системы способны распознавать молекулы и собираться в организованные структуры, что делает их идеальными для инженерии микроскопических батарей.Как и в случае кремниевых анодов, описанных выше, эти новые катоды используют большую площадь поверхности нанопроволок, что обеспечивает большую емкость для заряженных частиц.

Изображение с помощью туннельного электронного микроскопа (ПЭМ) нанопроволок Co3O4, созданных на основе вирусов. «Синтез и сборка нанопроволок для электродов литий-ионных батарей с помощью вирусов». Нам и др., Science, , 12 мая 2006 г., том 312, стр. 886.

Другие исследовательские группы занимаются новыми электролитическими материалами. Как упоминалось ранее, современные литий-ионные батареи со временем теряют емкость, в основном из-за химических реакций между электролитами и электродами.Мохит Сингх из начинающей компании SEEO разрабатывает новый электролит на основе полимеров, которые представляют собой молекулы, состоящие из длинных цепочек повторяющихся структурных единиц. Сингх объединил структурно стабильный полимер с полимером, который хорошо проводит ионы, чтобы создать слой электролита, который является более тонким и менее химически активным, чем те, которые используются сегодня. Хироюки Нисиде из Университета Васеда в Токио разрабатывает полностью органическую гибкую батарею с электродами, состоящими из цепочек органических молекул, а не металлов.Это поможет избежать проблем, связанных с некоторыми металлами, включая ограниченную доступность и удаление отходов. По сравнению с сегодняшними литий-ионными батареями, Nishide предлагает возможность для более быстрой зарядки и разрядки и более длительного срока службы в обмен на, по крайней мере, на данный момент, более низкую плотность заряда.

Фотография гибкого полимерного аккумулятора Nishide. От Такео Суги, Хироки Охширо, Шухеи Сугиты, Кеничи Ояйдзу и Хироюки Нисиде, адв. Mater. в печати (adma200803073).

Схема, показывающая реакции зарядки и разрядки.От Такео Суги, Хироки Охширо, Шухеи Сугиты, Кеничи Ояйдзу и Хироюки Нисиде, адв. Mater. в печати (adma200803073).

Какими бы материалами не были выбраны электроды и электролиты, ясно одно: для обеспечения энергоэффективного будущего, о котором мы все мечтаем, батареи будущего, как и многие многообещающие технологии, будут зависеть от инженерных технологий нанометрового уровня, которые все еще изобретается.

Ссылки

HowStuffWorks
Как работают литий-ионные батареи

Battery University
Отличный веб-сайт, посвященный батареям.

Science @ Berkeley Lab
Батареи будущего II

YouTube
Как это сделано: литий-ионные батареи

Tech-On
Li-Ion аккумуляторные батареи безопаснее

Science Daily
Новый аккумулятор из нанопроволоки удерживает в 10 раз больше заряда существующих

Обзор технологий
Литий-ионные батареи повышенной емкости

Лес медных стержней диаметром около 100 нанометров создает гораздо большую площадь поверхности для электродов батарей большой емкости.Первоначально опубликовано в «Высокоскоростные электроды на основе Cu с наноархитектурой на основе Fe3O4 для литий-ионных аккумуляторов».
P.L. Таберна, С. Митра, П. Пойзот, П. Саймон * и Дж.М. Тараскон, Nature Materials , 5 (2006) 567-573