Использование литий ионных аккумуляторов: Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы — БилдоМан

Содержание

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

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

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

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

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

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

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

Не допускайте перегрева

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

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

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

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

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

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

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

Вовремя отключайте зарядное устройство

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

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

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

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

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

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

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

Не допускайте глубокий разряд

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

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

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

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

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

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда.

Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

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

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

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

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

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

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

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

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

Имейте при себе резервный аккумулятор

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

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

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

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

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

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

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

5. Иметь резервный аккумулятор.

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

По материалам: electrik.info.

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

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Li-ion аккумуляторы в последнее время широко используются в самых различных устройствах – от электрических автомобилей до смартфонов и игрушек. Учитывая, что такие элементы питания чрезвычайно требовательны к уровню напряжения при зарядке, важно использовать штатные зарядные устройства. Если вы хотите, чтобы любой аккумулятор служил вам максимально долго, требуется придерживаться при его зарядке нескольких простых правил. Каковы эти правила для литий-ионных аккумуляторов, мы и расскажем в этой статье.

В первую очередь важно понимать, что современные литий-ионные аккумуляторы существенно отличаются от более распространенных ранее кадмиевых или литий-металлогидридных элементов питания – как нюансами самого процесса подзарядки, так и особенностями эксплуатации и хранения. А значит следует забыть те рекомендации, которые были усвоены Вами ранее относительно предшественников Li-ion аккумуляторов, и усвоить новые.

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов.

Если речь идет о новом аккумуляторе, перед использованием в любом устройстве его нужно зарядить. Что касается аккумуляторов данного типа для электровелосипедов и других средств электротранспорта, то самой распространенной ошибкой при первой эксплуатации аккумуляторов является их использование непосредственно после покупки. Начинающие драйверы часто считают, что АКБ продаются в заряженном виде. Это действительно так – производители заряжают аккумуляторы, однако только наполовину, и без первой полноценной зарядки емкость и срок службы АКБ снижается.

Другой важный момент – не рекомендуется доводить аккумулятор до полного разряда. После каждой даже самой непродолжительной поездки на электросамокате или на электровелосипеде аккумулятор следует подзарядить. Если Вы усвоите данное правило, то сможете значительно увеличить срок жизни АКБ. Таким образом, сразу же после разрядки литий-ионного аккумулятора его необходимо поставить на подзарядку.

К сожалению, часто неквалифицированные продавцы рекомендуют покупателям довести аккумулятор до полного разряда после первого заряда. Категорически не рекомендуем делать это – так вы рискуете столкнуться с внезапным выходом новой АКБ из строя. Возможно, нерадивые продавцы дают такую рекомендацию из корыстных побуждений -ведь когда аккумулятор выйдет из строя вам потребуется купить новый.

Литий-ионные АКБ очень чувствительны к высоким температурам, поэтому старайтесь не допускать их чрезмерного нагрева. При эксплуатации аккумулятора при температуре в пределах +25 градусов достигается максимальный ресурс и наибольшая отдача тока. Поэтому следите за тем, чтобы аккумулятор не оставался долго под солнцем и избегайте хранить АКБ в помещении, где температура выше указанного максимума.

В том случае, если литий-ионный аккумулятор продолжительное время находился на холоде, перед зарядкой его необходимо прогреть до комнатной температуры. Заряжать АКБ сразу после нахождения на морозе нельзя. Такие резкие температурные колебания могут нанести аккумулятору непоправимый вред.

И последняя важная рекомендация: при длительном перерыве в эксплуатации аккумулятор лучше хранить в холодном месте – зимой, к примеру, на неотапливаемом балконе или в гараже. Это продлит срок его жизни.

Сам процесс зарядки Li-ion аккумулятора не представляет сложности – необходимо сначала присоединить его к штатному устройству для зарядки, а потом соединить устройство с электрической сетью. После того, как полный заряд будет получен, просто отключите аккумулятор от ЗУ.

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы сейчас чрезвычайно популярны. Больше 80% всех бытовых аккумуляторов являются литий-ионными. И для того, чтобы эти аккумуляторы служили верой и правдой долгое время, очень важно правильно с ними обращаться и правильно заряжать.

Как правило, литий-ионный аккумулятор представляет собой дуэт – собственно, саму аккумуляторную банку и присоединенную к ней плату защиты. Плата защиты предохраняет аккумулятор от перезарядки или чрезмерной разрядки. Также она ограничивает максимальный ток аккумулятора – следит, чтобы не было короткого замыкания. Все это очень важно, поскольку литий-ионный аккумулятор может очень драматично реагировать на перезарядку или чрезмерный ток (а еще на перегрев) – банально взрываться, нанося совершенно небанальные повреждения.

Тем не менее, вполне могут поставляться аккумуляторы без защиты – только банки. В этом случае подразумевается, что контроль степени заряда и тока будет осуществляться дополнительной электроникой, о которой должен позаботиться сам потребитель.

Литий-ионные аккумуляторы с защитой и без нее

Необходимо всегда обращать внимание на наличие защитной электроники при использовании литий-ионных аккумуляторов. Без схем защиты ни заряжать, ни использовать эти аккумуляторы нельзя! Поскольку в нештатных ситуациях химические процессы в аккумуляторах могут начать протекать чрезмерно бурно. Это может привести к разрыву аккумуляторной банки, воспламенению выделяющихся газов, электролита и, в итоге, к нехилому взрыву с пламенем и разбрасыванием вокруг горящих частей аккумулятора.

Сам процесс правильного заряда аккумулятора – это контролируемый и управляемый процесс. Вначале разряженный аккумулятор заряжается постоянным током 0.2 – 1 С (С – это емкость аккумулятора в ампер/часах). При достижении напряжения 4.0-4.1В (в зависимости от рекомендаций производителя) зарядка продолжается при постоянном напряжении до достижения 4.2В на элемент. Допустимое отклонение напряжения составляет всего +-0.05В. Для соблюдения этих режимов, безусловно, необходима соответствующая электроника. Как правило, это схемы, собранные на специализированных микросхемах. Хороший выбор – для заряда аккумуляторов использовать специализированные зарядные устройства. Также можно собрать зарядное устройство самостоятельно.

Литий-полимерные аккумуляторы заряжаются также, как и литий-ионные, поскольку по природе своей они очень похожи. В чем их основное различие — читайте в статье «Литий-полимерный аккумулятор — отличие от литий-ионного».

Лучший вариант – заряжать каждый аккумулятор отдельно. Кроме зарядных устройств, можно приобрести готовые платы-контроллеры для зарядки отдельных аккумуляторов. Например, на базе популярной микросхемы TP4056.

Зарядка одного литий-ионного аккумулятора

Миниатюрная плата (около 20х30 мм) позволяет заряжать литий-ионный аккумулятор от источника постоянного напряжения до 8В. Подойдет, в том числе, компьютерный USB. Два индикатора отображают ход заряда. Плата сама остановит зарядку при достижении напряжения 4.2В – с ее помощью можно заряжать и аккумуляторы без платы защиты.

Если используется несколько аккумуляторов одновременно, то возможны варианты. Для увеличения емкости при том же выходном напряжении батареи соединяют параллельно – плюс к плюсу, минус к минусу. Например, если взять два аккумулятора емкостью 2500 мАh и соединить их параллельно, то получится батарея емкостью 5000 mAh с выходным напряжением 4.2В. Заряжать такую батарею нужно также, как и отдельный аккумулятор, только это займет в 2 раза больше времени.

Если нужно повысить напряжение при сохранении емкости, аккумуляторы соединяют последовательно. Те же две банки из предыдущего примера, соединенные последовательно, дадут батарею с напряжением 8.4В и емкостью 2500mAh.

Ток зарядки последовательно соединенных аккумуляторов должен быть такой же, как и при зарядке одного аккумулятора, а напряжение соответствовать напряжению всей батареи – 4. 2В умножить на количество последовательно соединенных элементов.

Когда аккумуляторы используются в связке, очень важно подбирать совершенно одинаковые банки – одного производителя и модели, одной степени свежести. В идеале – из одной партии. Дело в том, что разные аккумуляторы могут иметь немного отличающиеся емкости, напряжение и другие параметры. Соответственно, работать они будут неравномерно и быстрее выйдут из строя.

Правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, соединенные последовательно, необходимо устройствами, которые имеют систему балансировки заряда каждого элемента. Строго говоря, и разряжаться такие батареи должны через аналогичные системы балансировки. Суть ее работы состоит в том, чтобы следить за параметрами каждого аккумулятора и останавливать зарядку всей батареи, если один из аккумуляторов будет уже заряжен полностью. Аналогично при разряде: если один из аккумуляторов полностью разрядился – отключается вся батарея. Это позволит избежать перезаряда/переразряда аккумуляторов и продлит срок их службы.

Контроллер заряда/разряда двух последовательно соединенных аккумуляторов может выглядеть так:

Зарядка двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Контакты P+ и P- платы служат как для подачи напряжения при зарядке, так и при снятии тока при разрядке батареи. Плата может использоваться с аккумуляторами без плат защиты.

Для зарядки трех последовательно соединенных аккумуляторов может подойти такая схема:

Зарядка трех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Так же как и в предыдущем варианте, контакты Р+ и Р- используются как для подачи напряжения зарядки, так и для снятия питания при работе от аккумуляторов. Плата имеет систему балансировки, защиту от перезаряда/разряда и защиту от короткого замыкания. И также может использоваться с незащищенными аккумуляторами.

Похожая плата зарядки/разрядки имеется и для четырех последовательно соединенных аккумуляторов.

Зарядка четырех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Большее количество последовательно соединенных аккумуляторов встречается достаточно редко. Чаще для увеличения мощности используют последовательно соединенные пары параллельно соединенных аккумуляторов. Например, батареи ноутбуков могут содержать три или четыре пары аккумуляторов.

Правильная зарядка аккумуляторов – совершенно необходимое условие для того, чтобы использование литий-ионных аккумуляторов было долговременным и эффективным. Уделите этому достойное внимание и аккумуляторы будут служить вам верой и правдой.

Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 11-08-2020

На данный момент, в зависимости от сферы применения, наиболее популярными являются два вида аккумуляторных батарей: литиевые и свинцово-кислотные. Свинцовые аккумуляторы постепенно теряют популярность, так как не отличаются высокой плотностью энергии и длительным ресурсом. Если требуется максимально компактный источник питания, всегда выбор падает именно на литиевые АКБ.

Как и в случае со свинцово-кислотными аналогами, литиевые аккумуляторные батареи делятся на множество типов. Наиболее распространенными являются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol). Именно они используются в мобильных гаджетах и даже в электрокарах. К примеру, в Tesla model S установлено более 7 тысяч литий-ионных аккумуляторов Panasonic Li-ion NCR18650B.

Большая часть техники, где используются литиевые аккумуляторы, имеют встроенные механизмы зарядки, поэтому пользователю требуется лишь подключиться к электросети. В иных случаях заряд требуется осуществлять самостоятельно. Чтобы аккумулятор служил долго, его требуется правильно заряжать.

Как заряжать литиевый аккумулятор, чтобы ему не навредить? Несмотря на очевидность, попробуем разобраться, чем заряжать литиевый аккумулятор можно, а чем — нельзя.

Что надо знать об аккумуляторе

Процесс заряда всегда зависим от того, какой аккумулятор заряжается. Нельзя одинаковым режимом пополнять заряд разных по характеристикам и типам моделей.

Если обобщить, то приблизительно подобрать правильный режим заряда можно при наличии данных о типе аккумулятора, его емкости и напряжении.

Тип АКБ. Почему важно знать тип? Достаточно сравнить номинальное напряжение литий-титанатного и литий-ионного аккумулятора. 2,4В и 3,7В соответственно. Нетрудно догадаться, к каким последствиям может привести заряд литий-титанатной батареи неким абстрактным зарядным устройством для литиевого аккумулятора, которое предназначено именно для Li-ion.
Емкость АКБ. Данный параметр заряжаемого аккумулятора важен из-за того, что ток, как правило, подбирается в процентном соотношении к номинальной емкости. Литий-ионные аккумуляторы, например, не рекомендуется заряжать током выше, чем 0,5С-1С (ток, равный 50% и 100% соответственно по отношению к емкости в ампер-часах). Этот показатель может значительно меняться от модели к модели. Яркий тому пример — литий-титанатные АКБ, некоторые модели которых позволяют зарядку токами, в сотни раз превышающими номинальную емкость.
Напряжение АКБ. Тип литиевого аккумулятора говорит лишь о напряжении одной ячейки или отдельного элемента питания, состоящего из одной ячейки. Тем не менее, для выбора зарядного устройства или подходящего режима на уже имеющемся ЗУ, надо знать суммарное напряжение всей цепи, так как оно может быть многократно нарощено путем последовательного соединения ячеек. В уже готовых аккумуляторах на основе множества ячеек напряжение всегда указано в маркировке.

Как зарядить АКБ

Нередко пользователи интересуются в сети, как заряжать литиевый аккумулятор мотоцикла. Учитывая, что литиевый АКБ для мотоцикла — это устройство фабричное, а не самодельное, вся важная информация, в том числе и ток заряда, обычно размещена на бирке. Другое дело — это когда имеется элемент питания, собранный из одной или множества ячеек, в том числе из упомянутых ранее аккумуляторов panasonic.

Важно учитывать наличие в аккумуляторе или в схеме защиты в виде BMS. BMS — это контроллер, который выполняет сразу множество функций. Он может защищать элементы питания от опасных значений напряжения и тока, балансировать элементы на последних стадиях заряда, а также осуществлять регулировку подаваемого напряжения. Зарядка литий-ионных аккумуляторов напрямую может представлять опасность для АКБ, особенно если используется кустарное ЗУ. Применять кустарные приспособления как на основе трансформатора с диодным мостом, так и на основе переделанных компьютерных блоков питания не рекомендуется даже для свинцово-кислотных АКБ.

Если по какой-то причине в литиевом аккумуляторе отсутствует BMS, на ЗУ требуется выставить напряжение, являющееся максимальным для данного типа батарей. К примеру, литий-ионные АКБ при полном заряде выдают 4,2В на одну ячейку, а LiFePO4 — 3,65. Если ток, при этом, превышает 0,5С, рекомендуется его ограничить. Если ЗУ не позволяет регулировать ток, понизить его можно путем снижения выходного напряжения. Как только оно будет достигнуто, его можно поднять до конечного показателя, соответствующего полному заряду аккумулятора.

В случае с литиевыми аккумуляторами, оборудованных BMS (к счастью, таких большинство), все куда проще. Контроллер попросту не допустит подачу опасных номиналов тока и напряжения. Единственное исключение — это когда пользователь самостоятельно припаивает BMS к своей сборке батарей. В таком случае нельзя гарантировать, что контроллер настроен верно в соответствии с требованиями, предъявляемыми конкретным блоком аккумуляторов. В принципе, если пользователь делает сборку АКБ и самостоятельно припаивает контроллер — видимо, он знает, что делает.

Как бы там ни было, лучшим способом безопасно и на 100% зарядить аккумуляторную батарею любого типа — это использовать умное зарядное устройство, работающее в автоматическом режиме. Такое устройство не просто выдает постоянный ток с определенным номиналом напряжения, а изменяет режим заряда в зависимости от стадии. Также важным преимуществом являются многочисленные настраиваемые параметры, позволяющие использовать один и тот же прибор с абсолютно разными сборками аккумуляторов.

К выбору зарядного устройства следует относиться максимально серьезно, так как во многом от качества заряда зависит срок службы аккумулятора. И если аккумулятор состоит из множества ячеек с высокой суммарной стоимостью, то даже небольшое увеличение срока службы экономит заметную сумму.

Почему мы используем литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные аккумуляторы сейчас используются практически везде — от тяжелой промышленности до электрических приборов для домашнего использования. В этом легко убедиться просто открыв заднюю крышку своего смартфона — на батарее точно есть пометка Li-ion. До литий-ионных батарей техника работала на никель-кадмиевых аккумуляторах. Но в связи с резким ухудшением экологической ситуации в мире, в Европе с 2017 года запрещено производство и использование аккумуляторов на основе кадмия.

Аккумуляторные инновации в мире

Речь здесь идет об аккумуляторной технике массового потребления — садовая и строительная техника, электронные гаджеты и даже некоторые автомобили. Сегодня как раз эти категории товаров для массового рынка переходят на литий-ионные аккумуляторы.
— поясняет ситуацию Ярослав Перминов, руководитель команды Green Battery.

Технологии не стоят на месте, и практически ежедневно ученые делают все больше открытий, открывают новые химические реакции и их свойства, которые должны послужить на благо человечеству.

Так, например, в 2016 году исследователи Калифорнийского университета в Ирвайне совершили «случайное» открытие: заменив жидкий электролит на гелевый, основой которого является полиметилметакрилат, и добавив золотые нанонити, ученые отметили, что энергоёмкость новых аккумуляторов не снижается даже после большого количества циклов зарядки.

Если стандартный аккумулятор ведет свою «жизнедеятельность» на протяжении 500-2000 циклов, то аккумуляторы с использованием нанотехнологий увеличивают свою работу практически до 100 тысяч циклов.

Российские разработки в аккумуляторной сфере

Российские ученые не отстают от зарубежных производителей аккумуляторов. В Самарском национальном исследовательском университете имени академика С. П. Королёва в 2016 году стартовали разработки аккумулятора на основе алюминия. Технология обещает быть более безопасной в использовании, экологичнее при утилизации и дешевле при производстве.

А в Санкт-Петербурге, в Университете ИТМО инженеры с 2017 года разрабатывают новую технологию производства аккумуляторов, которая заключается в создании нового электродного материала и полной замене лития на твердый электролит. За счет этого время полной зарядки аккумулятора составляет всего 1 минуту, а общее количество циклов зарядки без энергопотерь увеличивается практически до 10 тысяч. Также гарантируется безопасность при эксплуатации и утилизации.

Прикладное развитие аккумуляторов в инструменте и садовой технике

Но здесь нужно отметить тот факт, что о массовом производстве таких инновационных аккумуляторов речь пока не идет, так как помимо высокой стоимости производства сам технологический процесс до сих пор не отработан.

Научные открытия и изобретения новых технологий при производстве аккумуляторов станут драйвером перехода морально устаревшей техники с двигателей внутреннего сгорания на литий-ионные батареи. На данный момент продажи аккумуляторной техники с каждым годом увеличиваются порядка 10-15%. Таким темпом уже к 2020 году мы ожидаем перехода практически 80% покупателей с бензоинструментов на аккумуляторную технику
— рассказывает глава Green Battery.

— Вопрос использования литий-ионных аккумуляторов при существующих аналогах индивидуален. Некоторые предпочитают исключительно аккумуляторную технику, а кто-то работает «по старинке». Но на дворе XXI век, все технологии стремятся улучшить свою работоспособность и при этом не вредить окружающей среде. На данный момент литий-ионные аккумуляторы являются лучшим решением проблем экологической ситуации в мире в совокупности с удобством использования, энергоэффективностью и доступной ценой.

Всегда интересные новости и статьи от команды сайта Green-Battery.ru

Копирование текстов возможно только со ссылкой на первоисточник.

Производство литий-ионных аккумуляторов – Портфельная компания РОСНАНО

Литий-ионные аккумуляторы

Создание первого в России масштабного производства литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов нового поколения для энергетики и электротранспорта

В декабре 2011 года в рамках проекта запущен крупнейший в мире завод по производству литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) высокой емкости компании «Лиотех».

В технологии производства используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-фосфат (LiFePO₄). Этот материал позволяет достигать наилучших характеристик аккумуляторов при их промышленном производстве.

Важнейшие характеристики литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) — высокая плотность энергии, широкий температурный диапазон и длительный срок эксплуатации, экологичность и безопасность.

«Лиотех» осуществляет поставки аккумуляторов для городского электротранспорта, в частности, для троллейбусного завода «Тролза», где продукция «Лиотеха» используется для троллейбусов с запасом автономного хода. Кроме того, «Лиотех» осуществляет поставки для энергетического рынка. Компания «Хевел» запустила гибридную энергоустановку (АГЭУ) в селе Менза Забайкальского края. В составе установки были использованы аккумуляторные ячейки для накопителя энергии емкостью 300 кВт•ч производства «Лиотех». Планируется, что в 2017 году «Хевел» построит в Забайкалье еще две гибридные электростанции, на которых также могут быть использованы накопители энергии «Лиотех».

Сферы применения

Энергетика (стационарные применения)
Электротранспорт

Основные потребители

Системы энергоснабжения и энергосбережения
Производители электротранспорта

Конкурентные преимущества

Высокая емкость аккумулятора
Отсутствие эффекта памяти
Надежность и безопасность
Широкий температурный диапазон эксплуатации
Длительный срок эксплуатации: в энергетике — до 25 лет, на электротранспорте — до 8 лет
Ресурс, заряд/разряд при глубине разрядки до 80% — более 3000 циклов
Ресурс батареи при использовании на электротранспорте — более 600 тыс. км пробега

Подержанные литий-ионные батареи | Агентство по охране окружающей среды США

Литий-ионные батареи и устройства, содержащие эти батареи, НЕ следует выбрасывать в бытовой мусор или в мусорные баки.

Литий-ионные батареи СЛЕДУЕТ сдать на отдельные пункты переработки или сбора бытовых опасных отходов.

Во избежание возгорания заклейте клеммы аккумуляторных батарей и / или поместите литий-ионные аккумуляторы в отдельные пластиковые пакеты.

На этой странице:

Общая информация

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы

используются во многих продуктах, таких как электроника, игрушки, беспроводные наушники, портативные электроинструменты, малая и крупная бытовая техника, электромобили и системы хранения электроэнергии.При неправильном обращении в конце срока их полезного использования они могут нанести вред здоровью человека или окружающей среде.

Повышенный спрос на литий-ионные батареи на рынке в значительной степени объясняется высокой «плотностью энергии» этого химического состава батарей. «Плотность энергии» означает количество энергии, которое система хранит в определенном пространстве. Литиевые батареи могут быть меньше и легче других типов батарей, сохраняя при этом такое же количество энергии. Такая миниатюризация привела к быстрому увеличению потребления потребителями портативных и беспроводных продуктов меньшего размера.

Информация для потребителей

Существует два типа литиевых батарей, которые используются потребителями в США и с которыми необходимо работать по окончании срока службы: одноразовые неперезаряжаемые литий-металлические батареи и перезаряжаемые литий-полимерные элементы (литий-ионные, литий-полимерные). ионные ячейки).

Щелкните изображение, чтобы увеличить его. Литий-ионные батареи сделаны из таких материалов, как кобальт, графит и литий, которые считаются важными минералами. Критические полезные ископаемые — это сырье, которое экономически и стратегически важно для США.S., имеют высокий риск того, что их снабжение будет нарушено, и для которых нет легких заменителей. Когда эти батареи выбрасываются в мусор, мы полностью теряем эти критически важные ресурсы. Для получения дополнительной информации о важнейших минералах посетите веб-сайт Геологической службы США.

Кроме того, если аккумулятор или электронное устройство, содержащее аккумулятор, выбрасывать в мусорное ведро или помещать в муниципальный мусорный бак вместе с бытовыми вторсырьями, такими как пластик, бумага или стекло, они могут быть повреждены или раздавлены во время транспортировки или обработки и сортировки. оборудование, создающее пожарную опасность.

Поэтому литий-ионные батареи

или батареи, содержащиеся в электронных устройствах, следует утилизировать в сертифицированных перерабатывающих предприятиях аккумуляторной электроники, которые принимают батареи, а не выбрасывать их в мусор или выбрасывать в муниципальные мусорные баки.

Одноразовые неперезаряжаемые батареи	Изготовлен из металлического лития и обычно используется в таких продуктах, как фотоаппараты, часы, пульты дистанционного управления, портативные игры и детекторы дыма. Эти батареи трудно отличить от обычных щелочных батарей, но они также могут иметь особую форму (например,g., кнопочные элементы или батарейки для монет) для определенного оборудования, например некоторых типов фотоаппаратов: поищите слово «литиевый» на батарее, чтобы помочь идентифицировать их.
Перезаряжаемые литий-полимерные элементы (Li-ion, Li-ion)	Обычно встречается в мобильных телефонах, электроинструментах, цифровых камерах, ноутбуках, детских игрушках, электронных сигаретах, мелкой и крупной бытовой технике, планшетах и электронных книгах. Некоторые литий-ионные батареи можно легко извлечь из продуктов, в которых они работают, а другие — нет.

Утилизация литий-ионных батарей для потребителей

Рекомендация EPA: найдите место для переработки литий-ионных аккумуляторов и продуктов, содержащих литий-ионные аккумуляторы, используя одну из предлагаемых ссылок; не выбрасывайте их в мусорное ведро или в муниципальные мусорные баки.

Литий-ионные аккумуляторы в электронике: Отправьте электронные устройства, содержащие литий-ионные аккумуляторы, сертифицированным переработчикам электроники, участвующим розничным продавцам и перерабатывающим компаниям в службах возврата электроники или обратитесь в местную программу сбора твердых или опасных бытовых отходов для получения дополнительных вариантов.

Литий-ионные аккумуляторы, которые легко отделяются от продукта (например, электроинструменты): Найдите ближайший к вам пункт переработки, чтобы правильно утилизировать литий-ионные аккумуляторы. Отправляйте отдельные аккумуляторы специализированным предприятиям по переработке аккумуляторов или розничным торговцам, которые участвуют в услугах по возврату, или обратитесь в местную программу по твердым отходам или бытовым опасным отходам для получения дополнительных вариантов.

Два ресурса для поиска переработчика — это база данных службы экстренной помощи Earth 911 и Call2Recycle.

Меры предосторожности при обращении: Поместите каждую батарею или устройство, содержащее батарею, в отдельный пластиковый пакет.Оберните токонепроводящую ленту (например, изоленту) на клеммах аккумулятора. Если литий-ионный аккумулятор поврежден, обратитесь к производителю аккумулятора или устройства за конкретной информацией по обращению. Даже использованные батареи могут иметь достаточно энергии, чтобы нанести травму или вызвать возгорание. Не все батареи могут быть удалены или обслужены пользователем. Соблюдайте маркировку батареи и продукта относительно безопасности и использования.

Утилизация литий-ионных аккумуляторов среднего и крупного размера

Рекомендация EPA: Свяжитесь с производителем, автомобильным дилером или компанией, которая установила литий-ионную батарею, для получения информации о возможностях управления; не выбрасывайте его в мусорное ведро или в муниципальные мусорные баки.

Из-за размера и сложности этих аккумуляторных систем, средние и крупные литий-ионные аккумуляторы не могут быть удалены потребителем. См. Инструкции производителя, а также предупреждения и инструкции по технике безопасности.

Автомобиль: обратитесь к дилеру автомобилей, в магазин или на ремонтную мастерскую, где был приобретен аккумулятор.
Накопитель энергии: обратитесь к производителю оборудования для аккумулирования энергии или в компанию, которая установила аккумулятор.

«Избегайте искры.Будьте осторожны с аккумулятором ». Кампания

В связи с увеличением количества пожаров на предприятиях по переработке и утилизации отходов по всей стране отраслевые группы совместно разработали «Избегайте искры». Будьте осторожны с аккумулятором. Кампания . Эта кампания направлена на ознакомление американского потребителя с безопасностью использования батарей и правильным обращением с использованными литий-ионными батареями. Главный посыл кампании заключается в том, что батареи можно и нужно утилизировать, когда срок их службы истечет. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Call2Recycle.

Кампания «Поставь галочку» Министерства транспорта (DOT)

Кампания DOT «Check the Box» — это кампания по информированию общественности, направленная на предотвращение серьезных инцидентов за счет повышения осведомленности населения о предметах повседневного пользования, которые считаются опасными при транспортировке, в том числе о батареях, которые упаковываются и отправляются на переработку или утилизацию. Перед отправкой на переработку или утилизацию батареи должны быть правильно идентифицированы, упакованы и промаркированы с помощью маркировки на упаковке.Для получения дополнительной информации перейдите в кампанию DOT’s Check the Box и посмотрите видео кампании.

Информация для бизнеса

Некоторые литий-ионные батареи могут соответствовать определению опасных отходов в соответствии с Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA), если они демонстрируют такие характеристики опасных отходов, как воспламеняемость, реактивность или токсичность при утилизации. Лица, производящие отходы, которые определены как опасные в соответствии с RCRA, называются «производителями опасных отходов».«Эти правила не применяются к домашним хозяйствам, потому что согласно RCRA опасные отходы, выбрасываемые домашними хозяйствами, как правило, освобождены от правил обращения с опасными отходами. Напротив, коммерческие предприятия несут ответственность за определение того, являются ли производимые ими отходы опасными отходами, включая литий-ионные батареи по окончании срока их службы.

Литий-ионные батареи с разным химическим составом могут выглядеть почти одинаковыми, но при этом иметь разные свойства. Кроме того, некоторые утилизированные литий-ионные батареи с большей вероятностью будут иметь опасные свойства, если они содержат значительный заряд, однако такие батареи могут показаться пользователю полностью разряженными.По этим причинам генератору может быть трудно определить, какие из его отработавших литий-ионных аккумуляторов считаются опасными при утилизации. Таким образом, в случае неопределенности EPA рекомендует компаниям рассмотреть возможность обращения с литий-ионными аккумуляторами в соответствии с федеральными правилами «универсальных отходов» в Разделе 40 Свода федеральных правил (CFR), часть 273.

Правила универсальных отходов содержат упрощенный набор требований к производителям конкретных типов обычных опасных отходов (например,g., люминесцентные лампы, содержащие ртуть, батарейки) из самых разных коммерческих помещений. Требования различаются в зависимости от того, накапливаете ли вы за один раз меньше или больше 5000 кг общих универсальных отходов, но они включают инструкции о том, как обращаться с отходами, как маркировать контейнеры, как долго отходы могут накапливаться на месте и куда могут быть отправлены отходы, среди прочего. Правила универсальных отходов не требуют отправки с использованием декларации об опасных отходах, но требуют, чтобы отходы отправлялись на разрешенный объект по удалению опасных отходов или в переработчик.EPA рекомендует предприятиям проконсультироваться со своими государственными агентствами по твердым и опасным отходам для получения дополнительной информации о применимых правилах в отношении универсальных отходов.

Дополнительным соображением, особенно для малых предприятий или предприятий, производящих небольшие количества опасных отходов в месяц, являются правила RCRA «Генераторы очень малых количеств» (VSQG). Литий-ионные аккумуляторы, выбрасываемые предприятиями, которые производят менее 100 кг (220 фунтов) опасных отходов в месяц, считаются отходами генератора с очень небольшим количеством и могут подлежать уменьшенным требованиям к опасным отходам.Перед тем, как использовать освобождение от VSQG, сверьтесь с программой государственного регулирования, так как они могут иметь другие требования. Хотя EPA рекомендует утилизировать все батареи в соответствии со стандартами универсальных отходов, лица, собирающие или хранящие использованные литий-ионные батареи в домашних хозяйствах или в VSQG для целей любого исключения, должны хранить их отдельно от других собранных литий-ионных батарей, которые подлежат более строгому использованию. строгие требования. В противном случае они рискуют подвергнуть всю смешанную коллекцию более строгим требованиям (например,g., упрощенные требования к универсальным отходам или стандартные правила образования опасных отходов).

Информация для рабочих

Управление по охране труда и здоровья Министерства труда (OSHA) выпустило информационный бюллетень по безопасности и охране здоровья: Предотвращение травм от пожара и / или взрыва от небольших и переносных устройств с питанием от литиевых батарей . Бюллетень носит рекомендательный характер, информационный по содержанию и предназначен для обучения работников и помощи работодателям в обеспечении безопасных и здоровых условий труда.

Информация для перевозчиков

Правила обращения с опасными материалами Департамента транспорта (DOT)

Литиевые батареи

являются опасными материалами и подпадают под действие Положений об опасных материалах Министерства транспорта (HMR; 49 CFR, части 171–180). Сюда входят требования к упаковке и стандартным сообщениям об опасности (например, маркировка, ярлыки, отгрузочные документы, информация о действиях в чрезвычайных ситуациях) и требования к обучению сотрудников, связанных с опасностями. Требования к информированию об опасности содержатся в части 172 HMR, а требования, специфичные для литиевых батарей, — в разделе 173 49 CFR.185.

Дополнительные ресурсы

Для чего используются литий-ионные батареи?

Литий-ионные или литий-ионные батареи

— это тип перезаряжаемых батарей, которые используются во многих приложениях, но чаще всего в электронной промышленности. Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают портативное электричество, питая электронные устройства, такие как мобильные телефоны, ноутбуки и планшеты. Литий-ионные батареи также используются для подачи энергии в медицинское оборудование, электромобили и электроинструменты.

Литий является основным источником литий-ионных аккумуляторных батарей, поскольку он более стабилен и безопасен при зарядке и разрядке по сравнению с другими минералами.

Помимо электронной промышленности, литий является основным минералом в горнодобывающей промышленности, производстве, хранении энергии и многих других. Из-за того, что литий-ионные аккумуляторы широко используются в промышленности, важность литий-ионных аккумуляторов невозможно переоценить: это, вполне возможно, одно из наиболее важных достижений в современном мире, без которого 21 ^-й-й век был бы невозможен.

Литий-ионный: краткая история

Литий-ионная батарея возникла в 1970-х годах, когда британский химик М.Стэнли Уиттингем предложил создать накопитель энергии с использованием литиевых элементов. В первых литиевых батареях использовались сульфидные металлы лития и титана (IV), которые в процессе эксплуатации были непрактичны из-за высокой стоимости производства сульфида титана (IV) (в 70-х годах сульфид титана стоил около 1000 долларов), не говоря уже о его токсичных побочных продуктах. при воздействии сероводородных соединений.

На протяжении большей части 70-х и 80-х годов различные ученые и инженеры первыми разработали и усовершенствовали литиевую батарею.В 1979 году ученые Джон Гуденаф, Нед А. Годшалл и др. И Коичи Мидзусима в отдельных попытках создали и усовершенствовали диоксид лития-кобальта, или LiCoO ₂. Эта батарея проложила путь к новым перезаряжаемым батареям, которые стали основой для разработки литий-ионной батареи в 1985 году, когда Акира Йошино собрал прототип батареи, в которой в качестве электродов использовались и ионы лития, и диоксид лития-кобальта.

К 1991 году японские компании Asahi Kasei и Sony начали массовое производство литий-ионных аккумуляторов и их применение во многих своих электронных продуктах, при этом все больше ученых и инженеров совершенствовали эту технологию на протяжении 90-х годов и по сегодняшний день.В 2019 году ученые Стэнли Уиттингем, Акира Йошино и Джон Гуденаф были совместно удостоены Нобелевской премии по химии, особенно за их работу по разработке литий-ионных аккумуляторов.

Состав литий-ионной батареи

Литий-ионные батареи

бывают разных типов, но обычно они состоят из следующих компонентов:

Катод или положительный электрод: источник ионов лития, определяющий емкость и напряжение батареи
Анод или отрицательный электрод: секция, которая накапливает и высвобождает ионы через внешний блок
Электролит: среда, переносящая ионы между катодом и анодом
Сепаратор: барьер, предотвращающий контакт катода и анода друг с другом

Эти основные компоненты должны присутствовать в литий-ионной батарее для правильной работы.

Портативные блоки питания

Как упоминалось выше, литий-ионные аккумуляторы обеспечивают портативное электричество, питающее электронные устройства. Литий-ионные батареи легкие и могут быть меньше по размеру, чем батареи других типов, что делает их удобными для переноски.

Источник бесперебойного питания (ИБП)

Литий-ионные аккумуляторы

обеспечивают аварийное резервное питание в случае потери или колебания напряжения. Офисное оборудование, такое как компьютеры, а также ИТ-серверы, должны продолжать работать в случае отключения электроэнергии, чтобы предотвратить потерю данных.Резервное питание также необходимо в медицине или здравоохранении, чтобы гарантировать стабильное энергоснабжение жизненно необходимого медицинского оборудования.

Электромобили

Автомобильная промышленность предъявляет спрос на литий-ионные аккумуляторные батареи для обеспечения источников энергии для электрических, гибридных или подключаемых гибридных электромобилей. Поскольку литий-ионные аккумуляторы могут накапливать большое количество энергии и их можно перезаряжать много раз, они обеспечивают лучшую зарядную емкость и более длительный срок службы.

Морские автомобили

Литий-ионные батареи

продолжают появляться в качестве альтернативы бензиновым и свинцово-кислотным батареям в рабочих или буксирных лодках и прогулочных катерах, таких как скоростные катера и яхты.Литий-ионные батареи обеспечивают бесшумный и эффективный источник энергии, а также могут использоваться для обеспечения электроэнергией приборов внутри лодки или яхты, когда она находится в доке.

Личная мобильность

Литий-ионные батареи

используются в инвалидных колясках, велосипедах, скутерах и других средствах передвижения для людей с ограниченными физическими возможностями или мобильностью. В отличие от кадмиевых и свинцовых аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы не содержат химикатов, которые могут нанести дополнительный вред здоровью человека.

Накопитель солнечной энергии

Литий-ионные аккумуляторы

также используются для хранения солнечной энергии в солнечных батареях, поскольку их можно быстро заряжать.Они легче, компактнее и могут удерживать большее количество энергии по сравнению со свинцово-кислотными батареями.

Вышеуказанные области применения — лишь некоторые из множества применений литий-ионных батарей. Поскольку литий-ионные батареи компактны, портативны и оснащены быстрой зарядкой и большой емкостью, спрос на литий-ионные батареи сохраняется или может даже увеличиться в будущем.

Безопасность и опасность для окружающей среды, связанная с литий-ионным аккумулятором

Источник: Wallpaper Flare

Несмотря на широкое распространение и энергоэффективное хранение, литий-ионный аккумулятор не идеален; он может представлять угрозу безопасности при неправильном производстве, использовании и хранении.Поскольку аккумулятор содержит легковоспламеняющиеся электролиты, литий-ионные аккумуляторы имеют тенденцию повышаться под давлением до точки взрыва, если они получат какие-либо структурные повреждения. При слишком быстрой зарядке литий-ионные аккумуляторы также могут вызвать короткое замыкание и взрыв.

Из-за этого и из-за того, что он широко используется в большинстве коммерческих продуктов, стандарты безопасности и испытания литий-ионных аккумуляторов намного строже, чем для других типов аккумуляторов. Легковоспламеняющиеся электролиты, присутствующие в литий-ионных аккумуляторах, означают, что неправильное производство может привести к зачастую плачевным результатам.

Литий-ионные аккумуляторы

также подвержены повреждению при превышении допустимого для них напряжения. Обычно литий-ионный аккумулятор имеет диапазон напряжения от 2,5 до 3,65 В (или до 4,35 В в зависимости от состава элемента). Превышение этого напряжения из-за неправильной зарядки может привести к преждевременному старению ячеек батареи, что в лучшем случае означает, что батарея менее эффективно накапливает энергию, или, в худшем случае, вызывает взрыв реактивных компонентов в ячейках.

При слишком долгом хранении литий-ионные аккумуляторы также могут преждевременно разлагаться, что означает, что они не смогут достичь своего нормального диапазона напряжений после окончательного использования.Это создает риск, поскольку существует вероятность перезарядки, несмотря на то, что пользователь следует инструкциям по зарядке на упаковке.

Несмотря на то, что в литий-ионных батареях используются «менее токсичные» металлы, такие как железо, никель, медь и кобальт (и классифицируются как таковые), их производство и методы утилизации могут представлять значительную опасность для окружающей среды.

Хотя металлические компоненты литий-ионных аккумуляторов подлежат вторичной переработке и даже безопасны как для сжигания, так и на свалках, их повторное использование для повторного использования и воспроизведения в других продуктах — длительный и дорогостоящий процесс, который, в свою очередь, заставляет производителей отказываться от вторичной переработки. а вместо этого просто добывайте новые компоненты.

До тех пор, пока в производстве литий-ионных аккумуляторов не будут внесены существенные улучшения, они всегда будут представлять угрозу для окружающей среды: для создания одного килограмма литий-ионных аккумуляторов требуется 67 мегаджоулей энергии.

Будущее литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный аккумулятор, которому уже более 50 лет, все еще постоянно совершенствуется: ученые постоянно расширяют пределы и границы современной литий-ионной технологии, экспериментируя с новыми способами комбинирования электролитов, анодов и катодов для создания аккумулятора. это более энергоэффективно, рентабельно и намного безопаснее, чем его нынешняя форма.

От использования относительно дешевых (но более безопасных) материалов, таких как оксиды кремния и ванадия, до создания «наноструктур» внутри клеток для создания большей площади поверхности, ученые думают о новых способах повышения энергоемкости литий-ионных аккумуляторов и мер безопасности.

Lithium Battery — обзор

1.4 Будущие тенденции и разработки

Литиевые батареи представляют собой революционную технологию в области хранения возобновляемой энергии не только для устройств PE, но и для транспорта.Однако в автомобильной сфере некоторые важные вопросы все еще остаются открытыми. Несмотря на огромные успехи, достигнутые в недавнем прошлом с точки зрения производительности элементов, сегодня литий-ионные батареи имеют недостаточную энергию или срок службы для использования в транспортных средствах, чтобы соответствовать характеристикам двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, такие устройства имеют серьезные проблемы с безопасностью, связанные с тепловым разгоном и воспламеняемостью компонентов электролита. В частности, эта тема вызывает растущий интерес, поскольку количество инцидентов, связанных с аккумулятором, быстро увеличивается.Благодаря богатому химическому составу лития, в этой технологии был достигнут большой прогресс за счет разработки современных материалов как для электродов, так и для электролита, а также инновационных стратегий для дальнейшего повышения плотности энергии, срока службы и безопасности элементов. Повышение плотности энергии в 2–3 раза, например, было достигнуто с помощью новых электродов, таких как системы с высоким потенциалом в качестве катодов, а именно LiMn _1,5 Ni _0,5 O ₄ или LiMPO ₄. Материалы вставки, однако, показывают низкий коэффициент диффузии лития, и реакция внедрения включает перенос только одного электрона для переходного металла.Все эти аспекты ограничивают потребляемую мощность и удельную энергию батарей. Перспективной альтернативой вставным материалам являются преобразовательные электроды на основе многовалентных катионов, которые могут в принципе предлагать более одного электрона на один окислительно-восстановительный акт. Они включают электрохимическое восстановление оксидов, сульфидов, нитридов, фторидов и фосфидов металлов с различной степенью обратимости. Преобразующие электроды обладают большей емкостью, но страдают от замечательного гистерезиса напряжения между зарядкой и разрядкой, что обеспечивает низкую энергоэффективность и низкое напряжение.По этой причине такие материалы открывают огромные возможности для будущих достижений как с точки зрения разработки материалов, так и с точки зрения конструкции электродов. Значительного улучшения кинетики электродов, контроля повреждающей деформации и путей реакции можно в дальнейшем достичь путем перехода на наноструктуры, которые по-разному возможны благодаря непрерывному развитию нанотехнологий.

Материалы на основе кремния или графена, по-видимому, значительно улучшают удельную емкость накопителя Li.Кроме того, металлы, обратимо легирующие литием, включая Sn, SnO, Sb, Ge и другие, в основном обеспечивают отличные характеристики, в основном, если они производятся с правильно подобранной наноархитектурой, чтобы уменьшить объемное расширение, вызванное процессами введения / извлечения лития.

Электролиты также предоставляют исключительные возможности для инновационных исследований с целью поиска систем, устойчивых в рабочих условиях в широком диапазоне напряжений и широком диапазоне температур. В последнее время было приложено много усилий для оптимизации термической стабильности электролита, особенно в случае жидких электролитов на карбонатной основе.Для снижения риска теплового разгона могут быть дополнительно разработаны ионные жидкости, легированные литием, новые огнезащитные добавки, а также растворители на основе фтора. Твердый полимер (SPE), полимерные ионные жидкости (PIL) и полимер-в-солевые электролиты также являются очень многообещающими и все еще современными системами, которые, как считается, повышают безопасность батареи из-за отсутствия какого-либо растворителя и более высокое термическое сопротивление.

Однако в поисках перезаряжаемых источников с высокой плотностью энергии нового поколения большое внимание уделяется литий-воздушным и литиево-S-аккумуляторам.Даже если для того, чтобы сделать их надежными, все еще потребуется значительная работа, такая технология определенно бросит вызов превосходству литий-ионных аккумуляторов в ближайшем будущем.

Наконец, натриевые, магниевые и батареи с органическими электродами — другие быстро развивающиеся темы в области энергетики при разработке недорогих перезаряжаемых батарей из природных, богатых и легкодоступных источников. Они станут основными и инновационными направлениями постлитиевых устройств с большой удельной мощностью для построения низкоуглеродного общества, основанного на возобновляемых и устойчивых источниках энергии.

Литий-ионная батарея — обзор

7.2.3 Неводные электролиты

Во вторичных литий-ионных батареях почти исключительно используются неводные электролиты в жидкой, гелеполимерной или твердой полимерной форме. Жидкие электролиты являются наиболее часто используемой формой и основаны на растворе литиевой соли в одном или нескольких типах органических жидких растворителей. Гелевый электролит представляет собой материал с ионной проводимостью, в котором соль лития и растворители растворены в смеси полимеров, образующих гелеобразную матрицу для раствора.Наконец, твердый электролит — это материал электролита, который находится в форме твердого вещества, а не жидкости или геля.

Как отмечалось ранее в этой главе, электролит представляет собой смесь, состоящую из жидкого карбонатного растворителя, в котором растворена соль лития. Гексафторфосфат лития LiPF _6. — типичная соль лития, которая используется в неводных электролитах и смешивается с одним или несколькими алкилкарбонатами, такими как этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC) или этилметил. карбонат (EMC).Семейство алкилкарбонатов чаще всего используется в современных литий-ионных батареях из-за его стабильности с катодами, допускающими напряжения более 4 вольт, разумного температурного диапазона, хорошей проводимости и в целом низкой токсичности (Aurbach et al., 2004). Соли, используемые в растворах электролитов, представляют собой анионы или отрицательно заряженные частицы, которые позволяют им образовывать пары с катионами лития. Гексафторфосфат лития используется из-за его высокой проводимости и относительно хороших свойств безопасности. Однако важно отметить, что LiPF ₆, будучи углеводородом, легко воспламеняется, поэтому, когда элемент выходит из строя и переходит в тепловой режим, электролит сгорает.

Как показано в упрощенном примере на рис. 77, молекула LiPF ₆ состоит из атома фосфата (красный), который связан с шестью атомами фтора (зеленый) с образованием молекулы аниона, которая, в свою очередь, может быть связана с катион лития (серебро). LiPF ₆ образует стабильную границу раздела с алюминиевым токосъемником при высоких потенциалах напряжения. Он также образует стабильный интерфейсный слой SEI с электродами на основе графита. Одна из проблем, связанных с LiPF ₆, заключается в том, что он имеет тенденцию абсорбировать воду или подвергаться гидролизу при воздействии окружающей среды и имеет относительно низкое окно термостабильности, что ограничивает температурный диапазон большинства литий-ионных элементов.LiPF ₆ может показывать присутствие примесей, таких как гидрофторуглероды (HF), которые оказывают большое влияние на срок службы и производительность элементов (Henderson, 2014).

Рис. 77. Типичная молекула LiPF6.

В настоящее время разрабатываются и другие соли электролитов: тетрафторборат лития или LiBF ₄, бис-трифторметан лития LiN (CF ₃ SO ₂) ₂, бис-оксальтоборат лития (LiBOB) и литий. дифлоур (оксальто) борат (LiDBOB). LiBF ₆ вызывает большой интерес на протяжении многих лет, поскольку он более термически стабилен и менее подвержен гидролизу, чем LiPF ₆.Однако он не получил коммерческого использования из-за его гораздо более низкой проводимости, чем LiPF ₆. Тем не менее, он по-прежнему может иметь преимущества в качестве дополнительной соли. И LiBOB, и LiDBOB предлагают преимущества в улучшении характеристик при высоких температурах и увеличении верхнего предельного диапазона напряжения до более 4,5 В для LiBOB и 5,0 В для LiDBOB. Но они также страдают от более низкой проводимости, чем LiPF ₆, и представляют собой гораздо более сложные молекулы (Dahn & Ehrlich, 2011; Henderson, 2014).

При оценке потенциала новых солей лития они должны не только соответствовать описанным ранее эксплуатационным характеристикам, но и быть простыми в производстве при низких затратах и без токсичных химикатов.Они должны обладать низкими гидролизными свойствами, не вступать в реакцию с водой с образованием HF ни при высоких температурах, ни в процессе производства. Это снижает затраты на весь процесс производства ячеек. У них могут быть двухвалентные анионы, а это значит, что им потребуется меньше соли, чтобы сохранить такое же количество катионов. Они должны продолжать действовать как окислительно-восстановительный шаттл и быть термически стабильными. Они должны обеспечивать улучшенные характеристики при низких температурах и должны образовывать стабильные слои SEI с активными материалами и токосъемниками.Наконец, новые соли также должны работать с новыми растворителями (Henderson, 2014).

Растворители, используемые в неводных литий-ионных элементах, обычно представляют собой циклический карбонат, такой как этиленкарбонат (EC), из-за его высокой диэлектрической проницаемости и стабильного образования SEI или пропиленкарбоната (PC). Циклический карбонат представляет собой сложный эфир, органическое соединение, полученное путем замены водорода кислоты алкилом слабой угольной кислоты. Но EC страдает от высокой вязкости и низкой температуры плавления (36 ° C), что означает, что обычно требуется добавка в качестве разбавителя в форме линейного карбоната, такого как диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC) или этилметилкарбонат (EMC) (An et al., 2016). Добавление DMC обеспечивает лучшую электролитическую проводимость, улучшая более высокие энергетические характеристики в приложениях.

Соли лития обычно составляют от примерно 30% до 50% концентрации электролита в расчете на объем, с предпочтительной концентрацией примерно 30% объема. В смеси электролитов часто используется множество различных добавок для достижения различных характеристик. Они могут включать виниленкарбонат (VC), пропенсултон (PES), метиленметандислфонат (MMDS) или трис (триметилсилилфосфит (TTSPi), которые все обсуждались ранее.

Сегодня также продолжаются исследования ряда других растворителей, включая фтор, бор, фосфор и серу. Фторирование анионов, по-видимому, уменьшает взаимодействия анионов и катионов лития, что может увеличить проводимость электролита. Это также может улучшить стабильность при высоких потенциалах напряжения и может улучшить стабильность к окислению и диапазон температур, в котором электролит находится в жидкой форме, и может даже добавить электролиту характеристики негорючести, но за счет растворимости солей лития (Henderson, 2014 ; Ue et al., 2014).

Другая область непрерывных исследований и разработок неводных электролитов — это поиск способов сделать электролиты негорючими. Некоторые подходы к снижению воспламеняемости электролитов включают переход на твердый полимерный электролит, использование ионных жидкостей комнатной температуры в качестве растворителей, использование огнезащитных добавок и сорастворителей, добавление добавок алкилфосфатов и использование неорганических твердых электролитов. Каждое возможное решение дает шанс повысить безопасность электролитов, но большинство из них по-прежнему страдают от снижения производительности ячеек и общего срока службы (Ue et al., 2014).

Литий-ионный литий-ионный аккумулятор »Электроника

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы в настоящее время широко используются во многих сферах применения в электронном оборудовании, а также в электромобилях, электроинструментах и т. Д.

Литий-ионная батарея Включает:
Литий-ионная технология Типы литий-ионных аккумуляторов Литий-полимерный аккумулятор Литий-ионная зарядка Литий-ионные преимущества и недостатки

Аккумуляторная технология включает: Обзор аккумуляторной технологии Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотные

Литий-ионные батареи обеспечивают повышенный уровень емкости в сочетании с надежной работой по сравнению с другими формами элементов и аккумуляторных технологий, включая никель-кадмиевые, Ni-Cd и никель-металлогидридные, NiMH.

Благодаря своим характеристикам литий-ионные или литий-ионные аккумуляторы стали предпочтительной технологией для различных областей применения. Литий-ионные аккумуляторы используются почти исключительно в мобильных телефонах, ноутбуках, электронных книгах и многих других электронных устройствах. В дополнение к этому, литий-ионная технология также используется для приложений питания — от мельчайших электронных гаджетов до мобильных телефонов, ноутбуков и т. Д. До электроинструментов, и есть даже литий-ионные автомобильные аккумуляторы для питания электромобилей.

С ростом использования мобильных и портативных источников энергии использование литий-ионных технологий будет еще больше расти.

Стоит отметить, что литий-ионные элементы и батареи перезаряжаемые, и они отличаются от литиевых батарей или элементов, которые являются первичными, а не перезаряжаемыми.

Рост и развитие литий-ионных аккумуляторов

Понимание того, как была разработана литий-ионная батарея, дает общее представление о ее работе, а также полезно увидеть, как она развивалась и как она может развиваться в будущем.

На разработку технологии литиевых батарей

ушло много лет. Он предлагает явные преимущества по сравнению с другими более старыми технологиями перезаряжаемых аккумуляторов, такими как никель-кадмиевые и никель-металлогидридные. Несмотря на преимущества литий-ионных аккумуляторов, потребовались годы, чтобы довести их до совершенства и достичь такого уровня зрелости, при котором его можно было бы широко использовать. Теперь он используется во многих областях, и его использование позволило многим технологиям, таким как мобильные телефоны, ноутбуки и другие предметы повседневного обихода, двигаться вперед.

Идея технологии литий-ионных аккумуляторов была впервые предложена в 1970-х годах М. Уиттингемом, который использовал сульфид титана в качестве катода и металлический литий в качестве анода.Хотя элемент вырабатывал энергию, она могла быть нестабильной, так как усы лития из анода врастали в электролит и в конечном итоге касались катода.

В Пенсильванском университете была проведена работа по использованию графитового электрода с ионами лития в электроде. Это было большим достижением, хотя другие достижения в области ионно-литиевой технологии не сразу начали его использовать.

Однако другие методы, связанные с зарядкой, должны были быть решены, прежде чем можно было сделать жизнеспособный элемент.В 1979 году Дж. Гуденаф продемонстрировал перезаряжаемый литий-ионный элемент, в котором в качестве положительного электрода использовался оксид лития-кобальта, а в качестве отрицательного — литий.

Следующими этапами создания работоспособной производственной ячейки была возможность перезарядки литием в графите. Это было достигнуто Рашидом Язами в 1979 году. Затем потребовалось время до 1985 года, прежде чем был разработан перезаряжаемый литий-ионный элемент, который можно было производить в больших количествах. Акира Йошино использовал углеродистый материал, в который в качестве одного электрода входили ионы лития, а в качестве другого — оксид лития-кобальта LiCoO2.Использование оксида лития-кобальта было важно, потому что он стабилен на воздухе в отличие от самого лития, и это сделало эту структуру ячейки более стабильной химически и гораздо менее опасной.

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы, основы технологии

Несмотря на то, что существует множество различных форм литий-ионных аккумуляторов, есть несколько общих элементов.

Литий-ионный аккумулятор или элемент любой формы состоит из четырех основных компонентов:

Катод: Это положительный электрод, и он обычно изготавливается из оксида металла на основе лития той или иной формы.Существует несколько различных технологий литий-ионных аккумуляторов, поэтому точный формат будет меняться от одного типа к другому.
Анод: Это отрицательный электрод литий-ионной батареи, обычно он сделан из углерода, обычно в форме графита.
Электролит: Электролит расположен между двумя электродами внутри ячейки. Часто это смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат, диэтилкарбонат и т. Д.
Разделитель: Чтобы два электрода не касались друг друга, между анодом и катодом помещается разделитель. Это поглощает электролит и обеспечивает прохождение ионов, но предотвращает прямой контакт двух электродов внутри литиевой ячейки.

Базовая структура литиево-ионного аккумуляторного элемента

В течение всего цикла с перемещением ионов лития связаны два процесса:

Интеркаляция: Процесс, при котором ионы лития в литий-ионной батарее вставляются в электрод, называется интеркаляцией.
Деинтеркаляция: Это обратный процесс, который происходит, когда ионы лития извлекаются из электрода, то есть они возвращаются обратно.

Чтобы дать более подробное объяснение, во время разряда литий-ионного элемента, когда он подает ток во внешнюю цепь, на аноде происходит реакция окисления. Это производит ионы лития и свободные электроны, и ионы лития проходят через электролит к катоду — электроны проходят через внешнюю цепь.Затем они рекомбинируют на катоде в противоположность реакции окисления, то есть реакции восстановления.

Таким образом, химическая энергия, хранящаяся в ионно-литиевом элементе, преобразуется в электрическую энергию, которую можно использовать в электрических и электронных схемах.

Во время цикла зарядки реакции происходят в обратном направлении, когда ионы лития проходят от катода через электролит к аноду. Электроны, обеспечиваемые внешней схемой, затем объединяются с ионами лития, чтобы обеспечить накопленную электрическую энергию.

Следует помнить, что процесс зарядки не совсем эффективен — некоторая энергия теряется в виде тепла, хотя обычно уровень эффективности составляет около 95% или немного меньше.

Управление литий-ионной батареей

Литий-ионные батареи

должны эксплуатироваться в относительно строгих пределах. Им не нравится быть чрезмерно заряженным, полностью разряженным, подвергаться коротким замыканиям и т.п.

Литиевые батареи

неизменно сопряжены с системой управления батареями.Он отслеживает уровень заряда, температуру, напряжение и ряд других факторов.

Система управления литиевой батареей управляет зарядкой и разрядкой, отмечая уровень заряда, отсекая аккумулятор от подачи большего количества заряда, когда он почти разряжен (им не нравится, когда он полностью разряжен), управляет циклом зарядки и применяет требуемый формат для заряжать во время зарядки, так как обычно используются два или более режима. Он также прекращает заряд, когда аккумулятор или элемент полностью заряжены.Функция управления также обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрева.

Соответственно, система управления батареями является неотъемлемой частью любой системы литий-ионных батарей.

Варианты литий-ионного аккумулятора

Хотя литий-ионные аккумуляторы обычно называют их общим названием, на самом деле существует несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов.

Типичный ионно-литиевый аккумулятор, используемый для питания электроинструмента

Различные типы ионно-литиевых аккумуляторов имеют очень схожие характеристики, но каждый со своими уникальными характеристиками.Соответственно, разные типы используются в разных приложениях.

Обзор технологий литий-ионных батарей
Имя	Составляющие	Аббревиатура	Основные характеристики	Приложения
Литий Кобальт	LiCoO2	LCO	Высокая производительность	Мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты
Литий оксид марганца	LiMn2O4	LMO	Меньшая вместимость	Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий-фосфат железа	LiFePO4	LFP	Меньшая вместимость	Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий, никель, марганец, кобальт, оксид	LiNiMnCoO2	NMC	Меньшая вместимость	Электроинструменты медицинские, для любителей
Литий Никель Кобальт Оксид алюминия	LiNiCoAlO2	NCA		Электромобили и сетевое хранилище
Титанат лития	Li4Ti5O12	LTO		Электромобили и сетевое хранилище

Литий-полимерные батареи

Новой и захватывающей разработкой для литиевых батарей является литий-полимерный вариант.Хотя это не другая технология аккумуляторов, чем те, в которых используются другие материалы анода и катода, в ней действительно используется другая форма электролита.

Используя этот другой электролит, аккумуляторы могут быть изготовлены в гораздо большем количестве форматов, даже если они гибкие.

В литиево-полимерной батарее могут использоваться те же материалы анода и катода, что и в других батареях, дающих аналогичные характеристики, но ее гораздо проще изготавливать в различных формах. Это делает его идеальным вариантом для производителей оборудования, которым требуется конкретная форма, соответствующая малым форм-факторам их конструкций электронного оборудования.

Форматы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные элементы

могут быть изготовлены в различных формах, и, как и следовало ожидать, принят ряд стандартных форматов. Это позволяет настраивать оборудование для работы с большими партиями элементов и батарей одинакового размера, тем самым снижая затраты.

Литий-ионные элементы и батареи обычно не соответствуют форматам AAA, AA, C и D, используемым для многих первичных элементов, а также для никель-кадмиевых, Ni-Cd или никель-металлогидридных, NiMH элементов.Вместо этого они используют разные форматы.

Очевидно, что для разных приложений существуют разные форматы, но обычно используются одни и те же принципы.

Малые цилиндрические элементы: Цилиндрический формат используется в различных приложениях, и часто батареи состоят из серии этих элементов. Типичные размеры 18 × 65 мм, 21 × 50 мм и 26 × 65 мм.
Цилиндрический с большой мощностью: Во многих отношениях это большая версия цилиндрического типа меньшего размера, но обычно с большими винтовыми клеммами для обеспечения эффективной передачи тока с низким сопротивлением.
Формат пакета: Аккумулятор, известный как «пакет», представляет собой плоский пакет из фольги, который можно сравнить с упаковками жевательной резинки. Этот формат обычно используется для литий-полимерных элементов и аккумуляторов, так как их легко изготовить для определенных форм, что позволяет производителям электронных устройств и оборудования иметь аккумуляторы определенной формы для заполнения доступного пространства.
Призматический: Этот формат обычно представляет собой батарею плоской или прямоугольной формы, часто используемую для питания электронных устройств и т.п.Типичными размерами являются 5 × 34 × 50 мм и 10 × 34 × 50 мм, хотя, как и в других стилях, также доступны размеры для конкретных поставщиков и другие, которые изготавливаются на заказ.
Большой жесткий пластиковый футляр: Эти большие жесткие футляры обычно используются для более крупного электрического оборудования и транспортных средств.

Перспективы для литий-ионных аккумуляторов и не только — видение 2030 года

Здесь стратегии можно условно разделить на следующие категории:

(1)
Поиск новых электродных материалов LIB.
(2)
«Сделанные на заказ» аккумуляторы для более широкого спектра применений.
(3)
Отказ от традиционных жидких электролитов — например, ионных жидкостей, электролитов с высоким содержанием соли и твердотельных батарей (SSB).
(4)
Обеспечение окислительно-восстановительной химии анионов — Li-воздух, Li-сера и другие.
(5)
Выходя за рамки Li: Na, Mg, Ca, Al.
(6)
Разделение электрохимии и накопителя — проточные окислительно-восстановительные батареи.

Поиск новых материалов для электродов LIB представляет собой область со значительными трудностями. Хотя о новых материалах или морфологиях сообщается регулярно, чтобы быть коммерчески значимыми, они должны быть масштабируемыми. Объемная и гравиметрическая плотности энергии должны отражать плотности электрода, а не только плотности самих материалов, т.е.е. должны быть продемонстрированы скоростные характеристики электрода, который содержит достаточно активного материала, чтобы обеспечить требуемую плотность энергии для рассматриваемого применения. Сравнительно рано в рамках проекта «Материалы» была добыта вся база данных неорганических структур (ICSD) и материалы, предложенные с помощью алгоритмов интеллектуального анализа данных (включая простую замену элементов при сохранении фиксированного типа структуры) — на тот момент более 10 000 материалов. В то же время было получено значительное понимание того, какие конструктивные особенности управляют напряжением и т. Д.было обнаружено лишь ограниченное количество новых классов материалов для аккумуляторов. Например, были идентифицированы карбонофосфаты, которые представляют собой тип минеральной структуры, который ранее не синтезировался и не тестировался в аккумуляторных батареях ¹¹. Последующие действия по прогнозированию структуры сгенерировали множество (мета) стабильных структур, но остается проблема идентифицировать структуры, которые устойчивы при циклическом воздействии, например, по отношению к потере кислорода, особенно в верхней части заряда, или, в более общем смысле, к структурным перестройкам.Даже если структура предсказана, в настоящее время непросто предсказать, можно ли и как ее синтезировать ¹².

Область, которая в последнее время привлекла большое внимание, — окислительно-восстановительный потенциал связанного переходного металла и аниона. Хотя это установлено в химии на основе серы, где сульфид-ионы, S ^2-, могут легко и обратимо окисляться до персульфидов, S ₂ ^2-, и до элементарной серы (в литий-серных батареях), существуют отчетливые различия, когда анион является оксидным ионом.Более высокая окислительно-восстановительная пара O ^2- / O ^— означает, что окислительно-восстановительный процесс аниона может происходить одновременно с окислительно-восстановительной химией катионов, обеспечивая более высокую производительность и сопряженные процессы. Проблемы связаны с часто сопутствующей нестабильностью по отношению к потере кислорода и структурным изменениям, сопровождающим удаление Li. Последнее может привести к гистерезису между зарядом и разрядом и «падению напряжения», наблюдаемому в так называемых материалах с избытком лития. Хотя это напрямую не связано, многие из этих химикатов связаны с низкими показателями.Однако «лишние Li-материалы» содержат более высокое содержание Mn, чем типичные катодные материалы EV-типа, и поэтому потенциально могут быть как более дешевыми, так и более экологически чистыми, что еще больше мотивирует их исследования. В следующие 10 лет мы увидим рост понимания того, как эти материалы функционируют и как можно уменьшить потерю кислорода. Возможно, появятся приложения, в которых они смогут оказать влияние?

Мы не касались широкого диапазона электродных материалов, исследуемых в течение многих лет, которые включают химические процессы замещения или преобразования, где литиирование (или натрирование) приводит к частичной или полной перестройке решеток.Здесь к проблемам относятся: производительность, гистерезис напряжения и срок службы. Металлический литий продолжает привлекать значительное внимание в качестве анода, но образование дендритов лития остается проблемой, обеспечивая значительный стимул для продвижения всех твердотельных батарей (SSB) с твердотельными электролитами.

Ни один из перечисленных выше вариантов химии Li не является однозначным, за исключением, возможно, Na, где можно применить многие знания, полученные для LIB. Но даже здесь есть явные различия из-за большего размера Na, который способствует разным координационным средам и решеткам (например,g., графит не может вмещать Na), и более высокая растворимость солей Na в SEI, что означает, что требуются другие добавки электролита.

Один вопрос, над которым стоит задуматься, — это то, в какой степени новые развивающиеся — или более мелкие «нишевые» рынки могут терпеть новые химические составы батарей, или всегда ли сокращение затрат, связанное с масштабом, будет способствовать использованию ограниченного набора химикатов батарей. Оксид лития-титана (LTO) в настоящее время имеет относительно скромный рынок приложений, включая быструю зарядку, где безопасность и способность работать в широком диапазоне температур являются проблемами: материал анода работает при 1.55 В по сравнению с Li, где ни покрытие Li, ни обычное формирование SEI не являются проблемой. В настоящее время разрабатываются альтернативы LTO, которые включают оксид ниобия и титана (NTO) от Toshiba и соединения оксида ниобия-вольфрама в нашей лаборатории, которые могут быть применены в аккумуляторных батареях небольшого размера. Батареи с другим напряжением могут быть более подходящими для новых приложений микроэлектроники (например, при падении напряжения, необходимого для компьютерных микросхем), устраняя необходимость в преобразовании постоянного тока в постоянный и их легче соединять с электроникой, собирающей энергию.Небольшие первичные батареи в настоящее время используются для питания некоторых удаленных датчиков. Предполагается, что их миллиарды или триллионы потребуются для обеспечения работы устройств Интернета вещей (IoT), что потребует значительной рабочей силы для их замены, часто из труднодоступных мест ¹³. Можно ли производить новые аккумуляторные батареи по достаточно низкой цене для различных применений, которые часто делают на заказ? Медицинские батареи могут допускать более высокую наценку, что, возможно, позволяет разрабатывать батареи из других материалов, но здесь надежность и безопасность будут иметь первостепенное значение.

Авторы убеждены, что фундаментальная наука будет ключом к преодолению множества и разнообразных фундаментальных препятствий в пространстве «за пределами LIB». начальный синтез, к их стабильности в неравновесных и суровых условиях — будь то температура или напряжение. Мы должны научиться управлять межфазными структурами — от SEI до интерфейсов между двумя компонентами в твердотельной батарее.Необходимы более совершенные структурные модели этих интерфейсов, чтобы улучшить нашу способность вычислять соответствующие процессы с реалистичными вычислительными ресурсами и улучшить наше понимание того, как они функционируют. Идеи самовосстановления систем возникли в области полимеров и были предложены в качестве потенциальных механизмов безопасного отключения, но, глядя в будущее, эти концепции должны быть воплощены в химии катодов и анодов. Мы должны продолжать разрабатывать новые методы, чтобы улучшить наше понимание множественных неравновесных процессов в батареях: с ростом требований к технологиям, в сочетании с целями ZC, которые диктуют сокращение и более устойчивое использование энергии, потребность в фундаментальных и прикладных исследованиях становится более важной, чем когда-либо, и впереди еще предстоит решить множество фундаментальных научных задач.

Применение литий-ионных батарей в сетевых системах накопления энергии

LIB были коммерчески внедрены Sony с начала 1990-х годов. На сегодняшний день LIB были разработаны как одна из наиболее важных аккумуляторных технологий, доминирующих на рынке [22]. Как правило, технология LIB основана на соединениях с интеркаляцией лития. Как показано на схеме LIB (рис. 1 [23]), ионы лития мигрируют через электролит, расположенный между анодом и катодом. Во время процесса разряда ионы лития легко высвобождаются из анода и диффундируют в катод с делитированием, что связано с окислением и восстановлением двух электродов соответственно [5, 24].

Рис. 1

Схематическое изображение принципа работы LIB на основе катода Li _x C ₆ / Li _{1- x} CoO ₂ катода. Во время процесса разряда ионы лития высвобождаются из литиированного графитового анода (Li _x C ₆) на катод из литиированного Li _{1- x} CoO ₂.В процессе зарядки реакция обратная.

Аноды

Обычно в LIB аноды изготавливаются из материалов на основе графита из-за низкой стоимости и широкой доступности углерода. Более того, графит широко используется в коммерческих LIB из-за его устойчивости к вставке лития. Низкое тепловое расширение LIB способствует их стабильности для поддержания их разрядной / зарядной емкости даже после длительных циклов разрядки / зарядки. Однако емкость графита для размещения литиевой вставки (372 мАч / г) относительно невысока, и LIB привлекут больше внимания, если это свойство будет улучшено [25].К счастью, в последние годы были предприняты значительные усилия по оптимизации анодных материалов на основе графита, и было разработано несколько новых анодных материалов, включая кремний, сплавы и оксиды металлов [26,27,28,29]. Емкость и срок службы коммерческих LIB были эффективно улучшены за счет разработки новых анодных материалов (например, кремний / углеродный композит) или новых катодных материалов с высоким содержанием никеля [30].

Катоды

Название современных коммерческих LIB произошло от литий-ионного донатора в катоде, который является основным фактором, определяющим характеристики батареи.Как правило, катоды состоят из сложного литиированного составного материала, в частности из нескольких материалов оксида лития, таких как LiCoO ₂, LiMn ₂ O ₄ и LiFePO ₄ [31,32,33]. С разными катодами производительность аккумуляторов существенно различается. Однако по сравнению с металлическим литием все вышеупомянутые соединения показывают высокий импеданс из-за их низких коэффициентов диффузии и ионной проводимости, что приводит к низким EE и сроку службы.Это ограничение можно преодолеть, изготовив катод из тонкодисперсных материалов на основе литиевых соединений и смешав их с проводящими материалами (например, углеродом) путем смешивания со связующим (например, поливинилиденфторидом) и растворителем (например, N -метил-2- пирролидон) [34]. Катод на алюминиевой фольге имеет форму пластины или спирали.

Электролиты

Электролиты в LIB в основном делятся на две категории: жидкие электролиты и полутвердые / твердотельные электролиты.Обычно жидкие электролиты состоят из солей лития [например, LiBF ₄, LiPF ₆, LiN (CF ₃ SO ₂) ₂ и LiBOB], которые растворены в органических карбонатах (например, этилене карбонат, пропиленкарбонат, этилметилкарбонат, диметилкарбонат и их смеси) [35]. Обычно полутвердые / твердые электролиты состоят из солей лития в качестве проводящих солей и высокомолекулярных полимерных матриц (например, поливинилиденфторида, поли (этиленоксида) и поливинилиденфторида-гексафторпропилена) [36, 37].

Характеристики и производительность LIB

Как упоминалось выше, в процессе преобразования электрической энергии системы хранения энергии на уровне энергосистемы преобразуют электроэнергию из энергосистемы масштаба сети в пригодную для хранения форму и при необходимости преобразуют ее обратно в электрическую энергию. Системы накопления энергии в энергосистеме должны обеспечивать баланс спроса и предложения электроэнергии в сети. Следовательно, чтобы соответствовать приложениям к системам хранения энергии на уровне сети, необходимо учитывать гравиметрическую плотность энергии [14].Также необходимы высокая энергоэффективность и длительный срок службы [38]. Кроме того, недорогой и безопасный аккумуляторный модуль имеет решающее значение для построения высокоэффективной аккумуляторной системы в крупномасштабных накопителях энергии.

Обычно в настоящее время используются типы коммерческих LIB: монетные, цилиндрические, призматические и карманные (рис. 2 [39]). В большинстве случаев цилиндрические элементы соответствуют стандартному размеру модели, т. Е. 18650 ячейкам, таким как те, что используются в автомобилях Tesla [40]. Обычно при сборке при высоком напряжении батареи 18650 обеспечивают на 20% большую объемную плотность энергии до 600–650 Втч / л, чем призматические и карманные элементы [41].Хотя цилиндрические ячейки демонстрируют более высокую плотность энергии, призматические и карманные ячейки более широко используются из-за меньшего мертвого объема на уровне модуля и большей свободы конструкции. Кроме того, по сравнению с цилиндрическими элементами, батареи призматического типа и карманного типа можно легко настроить для конкретных продуктов.

Рис. 2

Схема a монетного типа, b цилиндрического типа, c призматического типа, d карманных батарей.

В настоящее время коммерчески доступные LIB основаны на материалах графитового анода и катода из оксида лития (например, LiCoO ₂, LiFePO ₄ и LiMn ₂ O ₄), теоретическая емкость которых составляет 372 мАч / ч. г и менее 200 мАч / г соответственно [21]. Однако современные LIB с плотностью энергии 75–200 Втч / кг не могут обеспечить достаточное количество энергии для использования в накоплении энергии на уровне сети. Для дальнейшего повышения удельной энергии LIB исследуются многие альтернативы графиту с более высокой удельной емкостью.Например, кремний демонстрирует высокий потенциал как многообещающий анодный материал, который обеспечивает высокую теоретическую емкость 4200 мАч / г и привлекательное рабочее напряжение (примерно 0,3 В по сравнению с Li / Li ⁺) [21]. В предыдущей работе на основе анода с заменой 50% графита на промышленный SiO _x и катода из LiNi _0,8 Co _0,1 Mn _0,1 O ₂ электродов большой емкости, Согласно прогнозам, удельная энергия аккумуляторной батареи карманного типа увеличится на 7.6% [40]. Более того, жизненный цикл LIB является весьма привлекательным для использования в накоплении энергии на уровне сети до 10 000 циклов.

В дополнение к описанному ранее жизненному циклу необходимо проанализировать календарные показатели срока службы LIB, когда они применяются к системам хранения энергии на уровне сети, где обслуживание или замена батарей требует высоких затрат. Календарный срок службы относится как к продолжительности хранения, так и к тесту периодической разрядки, который также следует учитывать, поскольку он вызывает потерю емкости батареи из-за саморазряда [42].В 2017 году Кубяк и др. [43] исследовали эффекты саморазряда после 3-летнего использования в полевых условиях в режиме ожидания LIB мощностью 250 кВт / 500 кВтч, интегрированного с сетью и солнечной фермой, в суровых климатических условиях Катара. После тестирования остаточная емкость пакета LIB была оценена как 93% от его первоначальной доступной емкости, что указывает на его потенциал. Однако следует отметить, что несколько батарейных блоков были повреждены в результате саморазряда. Снижение емкости и замирание мощности происходят из-за электродов и электролитов и межфазного согласования между ними.Для электродов доминирующим механизмом является следующий [44]: (1) контактная потеря частиц активного материала и разложение электродных материалов (например, связующего и добавок) из-за изменения объема во время цикла; (2) образование и рост непрерывной границы раздела твердое тело – электролит (SEI) приводит к увеличению импеданса на электродах; и (3) реакции лития с электродами, приводящие к потере подвижного лития. Что касается электролитов, разложение электролита является основной причиной потери емкости, приводящей к растворению металла, миграции растворимых частиц, осаждению новых фаз, выделению газа и образованию поверхностного слоя.Кроме того, температура хранения существенно влияет на календарный срок жизни LIB. Например, Asakura et al. [45] исследовали сохранение емкости LIB типа LP10 в условиях поплавковой зарядки. Они наблюдали потерю емкости на 30% за 12 месяцев при 45 ° C даже в мягких условиях. Поэтому желательны постоянные усилия по исследованию механизма саморазряда и разработке усовершенствованных электродов и электролитов, способствующих практическому использованию LIB в электрических сетях.

Как упоминалось ранее, несколько нежелательных / паразитных реакций включают рост SEI, разложение электролита и растворение электрода во время циклирования LIB, что приводит к потере емкости.Кулоновская эффективность (CE), которая выражается как отношение разрядной емкости к емкости, необходимой для зарядки материала / системы, может использоваться для измерения обратимости окислительно-восстановительных реакций [46]. Обычно аноды на основе графита имеют высокие начальные значения КЭ, т.е. в диапазоне 95–99%. Аналогично CE, EE, который представляет собой отношение энергии разряда к энергии заряда, также является ключевым показателем производительности LIB, поскольку электрическая энергия может преобразовываться в другую форму энергии, такую как тепловая энергия.Meister et al. [46] проанализировали КЭ и ЭЭ различных анодных материалов. Сравнение вставок / вставок графита и мягкого углерода показывает почти сравнимые значения для CE. После первых циклов формирования CE увеличивается примерно до 100%. Что касается ЭЭ, графит и мягкий углерод показывают значения 93,8% и 93,0% соответственно. Кроме того, катодные материалы с высоким содержанием лития демонстрируют высокие значения CE и EE, составляющие примерно 99% и более 90%, соответственно, превосходя другие конкурирующие аккумуляторные системы (например.ж., свинцово-кислотные и никель-металлогидридные батареи). При практическом использовании низкий EE будет отражаться высокими дополнительными затратами на энергию, особенно для хранения энергии на уровне сети. Таким образом, LIB с высоким КПД, длительным сроком службы, низким саморазрядом и высокой удельной энергией являются перспективными для электроснабжения сетей.

Хотя LIB доминируют на рынке, они также сталкиваются с серьезными проблемами при реализации их широкомасштабного использования. Основным ограничением является их высокая стоимость, которую можно объяснить нехваткой ресурсов металлического лития, специальной упаковки и внутренних схем защиты, предотвращающих перезарядку [1].Измерение стоимости срока службы (в долларах / кВтч) для понимания экономики системы имеет решающее значение. Для расчета стоимости срока службы сумму затрат на аккумулятор, установку и транспортировку можно умножить на количество раз, которое потребуется новая система в течение периода проекта, включая первоначальную установку. Олбрайт и др. [47] проанализировали стоимость срока службы LIB при стоимости батареи около 600 долларов США / кВтч, стоимости установки около 3,6 доллара США / кВтч и транспортных расходов около 5 долларов США / кВтч.Было приложено много усилий для снижения стоимости производства LIB для захвата будущих энергетических рынков. В США проект по проектированию и строительству LIB в качестве системы хранения энергии для обеспечения энергией подключенных к сети микротурбинных приложений был спонсирован Министерством энергетики и SAFT и SatCon Power Systems [1]. Более того, в предыдущем исследовании сообщалось, что к 2025 году ожидается потребность в 100 ГВтч при уровне затрат примерно 100 евро / кВтч для стационарного хранения [48].

Кроме того, LIB состоят из высокоактивных материалов, находящихся в контакте с легковоспламеняющимся органическим электролитом.Когда они попадают в условия, которые неправильно спроектированы, LIB преждевременно выходят из строя. В частности, реакции заряженных положительных и отрицательных электродов с электролитами при повышенной температуре легко приводят к несчастным случаям и проблемам безопасности. Предыдущая работа [49] показала, что все эти материалы начинают реагировать с электролитом примерно при 80 ° C с низкой скоростью, что объясняет феномен того, что LIB начинают терять емкость при циклировании при температурах выше 60 ° C.

Как правильно эксплуатировать литий-ионные аккумуляторы

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

Избегайте полного разряда аккумулятора

Полностью разряжайте аккумулятор раз в 3 месяца

Не храните аккумулятор полностью разряженным или заряженным долгое время

Оберегайте ваш аккумулятор от высоких температур и влаги

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов.

Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор

Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Что надо знать об аккумуляторе

Как зарядить АКБ

Почему мы используем литий-ионные аккумуляторы?

Аккумуляторные инновации в мире

Российские разработки в аккумуляторной сфере

Прикладное развитие аккумуляторов в инструменте и садовой технике

Производство литий-ионных аккумуляторов – Портфельная компания РОСНАНО

Создание первого в России масштабного производства литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов нового поколения для энергетики и электротранспорта

Сферы применения

Основные потребители

Конкурентные преимущества

Подержанные литий-ионные батареи | Агентство по охране окружающей среды США

Общая информация

Информация для потребителей

«Избегайте искры.Будьте осторожны с аккумулятором ». Кампания

Кампания «Поставь галочку» Министерства транспорта (DOT)

Информация для бизнеса

Информация для рабочих

Информация для перевозчиков

Правила обращения с опасными материалами Департамента транспорта (DOT)

Дополнительные ресурсы

Для чего используются литий-ионные батареи?

Литий-ионный: краткая история

Состав литий-ионной батареи

Портативные блоки питания

Источник бесперебойного питания (ИБП)

Электромобили

Морские автомобили

Личная мобильность

Накопитель солнечной энергии

Безопасность и опасность для окружающей среды, связанная с литий-ионным аккумулятором

Будущее литий-ионных аккумуляторов

Lithium Battery — обзор

1.4 Будущие тенденции и разработки

Литий-ионная батарея — обзор

7.2.3 Неводные электролиты

Литий-ионный литий-ионный аккумулятор »Электроника

Рост и развитие литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы, основы технологии

Управление литий-ионной батареей

Варианты литий-ионного аккумулятора

Литий-полимерные батареи

Форматы литий-ионных аккумуляторов

Рекомендации по использованию литий-ионных аккумуляторов

Перспективы для литий-ионных аккумуляторов и не только — видение 2030 года

Применение литий-ионных батарей в сетевых системах накопления энергии

Аноды

Катоды

Электролиты

Характеристики и производительность LIB

Добавить комментарий Отменить ответ