Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор цилиндрический, типоразмера 18650

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический

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. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году.

Содержание

Характеристики

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

• напряжение единичного элемента:
  • максимальное: 4,2 В;
  • минимальное: 2,5В;
• удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
• внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
• число циклов заряд/разряд до снижения ёмкости до 80%: 600;
• время быстрого заряда: 1 час;
• саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100% ≈1,6 % в месяц;
• ток нагрузки относительно ёмкости С представленной в Ач:
  • постоянный: до 5С;
  • импульсный: до 50С;
  • оптимальный: до 1С;
• диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

Часто в корпус аккумулятора встраивают контроллер защиты, который отключает аккумулятор, предотвращая превышение напряжения заряда, чрезмерный разряд и превышение температуры, приводящие его к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может опционально ограничивать ток потребления. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения стоимости производители могут не устанавливать её.

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно. Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного отличаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировка. Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15-4,25В.

Устройство

Литий-ионный аккумулятор. Схема работы

Контроллер заряда (плата защиты) цилиндрического литий-ионного аккумулятора, конструкционно припаянный к отрицательному контакту аккумулятора и обратной фольгированной стороной выполняющий его функции. На снимке частично демонтирован и отсоединён от проводника, идущего к положительному контакту аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, окислы (LiMnO₂) и соли (LiMn_RO_N) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

• кобальтат лития LiCoO₂ и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
• литий-марганцевая шпинель LiMn₂O₄
• литий-феррофосфат LiFePO₄.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

• литий-кобальтовые LiCoO₂ + 6C → Li_1-xCoO₂ + LiC₆
• литий-ферро-фосфатные LiFePO₄ + 6C → Li_1-xFePO₄ + LiC₆

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

Преимущества

• Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
• Низкий саморазряд.
• Не требуют обслуживания.

Недостатки

Широко применяемые литий-ионные аккумуляторы при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными.

Так же нельзя использовать аккумуляторы обладающие слабой силой тока ( с маркировкой ICR ) в устройствах которые требуют большой силы тока ( таких как электронные парогенераторы ) , в этом случае либо сработает защита на самом устройстве либо аккумулятор нагреется , и загорится \ взорвется .

Взрывоопасность

Вздувшийся литий-ионный аккумулятор в плоском алюминиевом корпусе типоразмера ENEL10 (Li-42B, NP-45). Бумажная этикетка снята

Литий-ионная аккумуляторная батарея электромобиля

Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию. Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова что может приводить к тяжким последствиям. Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.

Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих энергию для саморазогрева, кислород и горючие газы. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Целью тушения может быть лишь снижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения пламени.

Эффект памяти

Традиционно считается, что, в отличие от Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторы полностью избавлены от эффекта памяти. По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) в 2013 году этот эффект был таки обнаружен, но оказался ничтожен.

Причиной его является то, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки. Во время зарядки ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарное напряжение батареи. Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

Требования к режимам заряда/разряда

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать.

Старение

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C:

Температура, ⁰C	С 40 % зарядом, % за год	Со 100 % зарядом, % за год
0	2	6
25	4	20
40	15	35
60	25	40 % за три месяца

Снижение ёмкости при низких температурах

Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов и может приводить к преждевременному исчерпанию ресурса. Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам заряжания, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.

Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом.

См. также

• Зарядное устройство
• Литий-полимерный аккумулятор
• Литий-железо-фосфатный аккумулятор
• Никель-металл-гидридный аккумулятор (NiMH)
• Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)
• Нанопроводниковый аккумулятор
• Электрический аккумулятор
• Батарейка
• Батарейка AA
• Батарейка AAA
• Эффект памяти аккумулятора

Литература

• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
• Юрий Филипповский. Мобильное питание. Часть 2. (неопр.) (недоступная ссылка). КомпьютерраLab (26 мая 2009). — Подробная статья о Li-ion аккумуляторах.. Дата обращения 26 мая 2009. Архивировано 29 мая 2009 года.

Для дополнительного чтения

• Scrosati Bruno, Garche Jürgen. Lithium batteries: Status, prospects and future // Journal of Power Sources. — 2010. — Май (т. 195, № 9). — С. 2419—2430. — ISSN 0378-7753. — DOI:10.1016/j.jpowsour.2009.11.048. (англ.)

Ссылки

• ГОСТ 15596-82 «Источники тока химические. Термины и определения»
• ГОСТ Р МЭК 61960-2007 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения»
•  (недоступная ссылка с 19-12-2016 [883 дня])Внутренности Li-Pol на примере Palm m505 (недоступная ссылка) (рус.)
• Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. iXBT (2001 г.)
• Memory effect in a lithium-ion battery (Эффект памяти в литиевых аккумуляторах.) / Nature Materials 12, 569—575 (2013) doi:10.1038/nmat3623 (англ.)