Дисковые литий ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор — типы и характеристики, принцип работы

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

СПРАВКА: Разработчик коммерческой версии аккумулятора Акиро Ёсино, а также Уиттенгем и Гуденаф в 2019 году получили Нобелевскую премию в области химии за равноценный вклад в создание литиево ионных аккумуляторов.

Принцип действия

Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.

Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.

Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.

ВНИМАНИЕ: даже находясь в режиме ожидания, аккумуляторы теряют часть заряда. При этом они обладают такой характеристикой как старение – постепенно приходящая неспособность удерживать первоначальное количество заряда.

Устройство li-ion аккумулятора

В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.

В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.

По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.

Характеристики литиевых аккумуляторов

ИНТЕРЕСНО: собственные удельные характеристики обеспечили описываемым батареям лидирующие позиции среди всех выпускаемых химических источников тока.

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

СПРАВКА: 14500 аккумулятор, размеры которого сопоставимы с пальчиковой батарейкой (АА), также популярен среди пользователей и обладает номинальной ёмкостью 900 микроампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

ВНИМАНИЕ: если температура упадёт до +4°С объём вырабатываемой батареей энергии уменьшится на 5-7% в соответствии с максимальным значением. Более низкие значения приведут к потери 40-50% ёмкости и преждевременному исчерпанию ресурса.

Саморазряд

Данная характеристика варьируется от 6% до 10% в год.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Процент оставшегося заряда, %	Количество циклов зарядки
500
50	1500
75	2500
90	4700

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

Разновидности аккумуляторов

Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:

• Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
• Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
• Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
• Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
• Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.

Особенности хранения и утилизации

Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:

• Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
• Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
• Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.

После окончания срока годности использованный аккумулятор нужно сдать на переработку или утилизацию, причём этими вопросами занимаются специализированные службы, занимающиеся приёмом батарей.

Обычно процедура переработки включает в себя несколько этапов:

• Разбор корпуса.
• Избавление от электролита путём слива.
• Очищение электродов.
• Переработка корпуса и переплавление металлов.

ВАЖНО: литиевые батареи нельзя выбрасывать, как обычный мусор! Для их утилизации необходимо обращаться в специальные пункты сдачи.

Существует несколько способов для определения мест сбора использованных источников тока:

• Проект RecycleMap от «Гринпис», позволяющий после выбора и объекта утилизации города найти пункты приёма.
• Городской сайт администрации. На случай, если регион тщательно следит за подобным процессом.
• Сайты с объявлениями. Частные организации и подрядчики выкладывают в интернет информацию о сборе батарей.
• Магазины бытовой техники или крупные гипермаркеты. В последнее время в подобных местах стали появляться специальные контейнеры, куда можно выбросить неработающие батарейки.

Отличие аккумуляторов Li-ion от Ni-Cd аккумуляторов

Ёмкость литий-ионных источников тока значительно выше, чем тот же показатель у никель-кадмиевых аккумуляторов, вследствие чего требуется много меньшая по весу и габаритам батарея, чтобы обеспечить одно и то же время работы.

Также в процессе хранения ввиду низкой скорости саморазряда li-ion аккумуляторы разряжаются меньше, чем другие типы, и они более терпимы к постоянной зарядке, даже если заряд батареи не обнулён.

В плане экологичности рассматриваемые батарейки меньше вредят окружающей среде, чем никель-кадмиевые, как при изготовлении, так и в использовании материалов.

Однако по отношению к Ni-Cd аккумуляторами в литий-ионных используют более дорогостоящие технологии.

Источник

Лучшие литий-ионные аккумуляторы

Статья обновлена: 2020-12-17

Статья обновлена: 22.10.2020

Чтобы определить лучшие литиевые аккумуляторы, нужно сравнить их по основным параметрам: емкости, напряжению, величине разрядных токов, химическому составу, диапазону рабочих температур. Имеют значение и дополнительные критерии выбора: форма, размеры, торговая марка, наличие или отсутствие платы защиты. Подходящие элементы питания выбираются с учетом их рабочих характеристик и назначения.

Форма и размеры

Литий-ионные аккумуляторы производятся в форме цилиндра или призмы в металлическом корпусе, а также в виде пакетов в полимерной оболочке. Форма зависит от метода сворачивания фольги, из которой производятся аккумуляторы. Форма и размеры «банок» имеют значение, если выбирать их под конкретный батарейный отсек. В остальных случаях строгой привязки нет. Например, аккумуляторную батарею с заданными характеристиками можно собрать из цилиндрических ячеек или призматиков – на ваше усмотрение.

Размеры цилиндрических элементов – стандартизованные, самый популярный типоразмер – 18650. Это ячейки диаметром 18 мм и длиной 65 мм. В этом типоразмере выбор элементов питания наиболее разнообразен. Также распространены цилиндрические элементы типоразмера 21700, 26650, 26980, 32650 и др. Призматики и пакеты бывают разных размеров, без строгой привязки к стандартам.

Емкость, напряжение, допустимые токовые нагрузки

Напряжение у всех Li-ion ячеек с одинаковым химическим составом совпадает. У большинства моделей напряжение составляет 3,6 или 3,7 В. К исключительным относятся литий-железо-фосфатные ячейки (3,2 В) и литий-титанатные (2,3 В). С увеличением размеров литиевых аккумуляторов возрастает их емкость. У ячеек форм-фактора 18650 она обычно составляет от 2000 до 3600 мАч.

Но при выборе лучших литиевых аккумуляторов не стоит оценивать их только по емкости. С увеличением этого параметра снижается токоотдача. Например, у моделей типа LiFePO4 удельная емкость ниже, а токоотдача – выше, чем у большинства Li-ion элементов.

Основные отличия в характеристиках представлены в таблице:

Диапазон рабочих напряжений (от разряженного до заряженного состояния)

около 30–110 Вт·ч/кг

Допустимые токи разряда

Оптимально – до 1С;

в постоянном режиме – до 5С;

в импульсном режиме – до 50С.

до 10С, кратковременно – до 30С

Допустимые температуры в процессе работы

Допустимые температуры в ходе зарядки

С защитой и без нее

Аккумуляторы бывают незащищенные и со встроенной защитой. Это специальная плата, контролирующая процесс заряда-разряда. Она оберегает ячейку от коротких замыканий, неправильной полярности, глубокого разряда и чрезмерного заряда. Защищенные «банки» максимально безопасны при использовании в быту.

В отношении незащищенных ячеек перезаряд, глубокий разряд и короткое замыкание недопустимы. Такие факторы в лучшем случае приводят к ухудшению характеристик аккумуляторов, а в худшем – к вздутию, возгоранию или взрыву.

Но это не значит, что защищенные аккумуляторы Li-ion хорошие, а незащищенные – хуже. Главное – выбирать их в зависимости от дальнейшего использования. Незащищенные ячейки в основном используются для сборки аккумуляторных батарей. Краткие рекомендации по использованию ячеек с защитой и без нее приведены в таблице:

Применение в фонарях и других приборах нескольких последовательно установленных аккумуляторов.

Установка в короткий или узкий батарейный отсек, рассчитанный на 1 аккумулятор без защиты. При наличии защиты аккум на 0, 5 мм шире и на 2–3 мм длиннее по сравнению с незащищенным элементом того же типоразмера.

Подзарядка простейшим зарядным устройством, не способным ограничивать уровень заряда.

Использование в мощных LED фонарях и других приборах, потребляющих ток выше 3 А. «Банки» с защитой в таких условиях отключаются при включении из-за токовых перегрузок.

Использование в приборах, не имеющих собственной защиты от критического разряда.

При подзарядке умным зарядным устройством и параллельном расположении ячеек в приборах.

Сравнение Li-ion аккумуляторов по химическому составу

Современные Li-ion аккумуляторы в зависимости от состава катода или анода делятся на несколько типов. Отличия в химическом составе сказываются и на характеристиках элементов. Чаще всего встречаются ячейки следующих типов:

1. Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO или ICR в маркировке). Их плюс – высокая емкость, а минус – низкая термическая стабильность и небольшие допустимые нагрузки по току (1С).
2. Литий-марганцевые (LiMn2O4, LMO или IMR в маркировке) – высокотоковые. По удельной емкости они немного уступают аналогам, зато имеют высокие разрядные токи – 5–10С. Дополнительные преимущества таких моделей – высокая термическая стабильность и малое внутреннее сопротивление.
3. LiNiMnCoO2 (NMC или INR) – имеют низкий уровень самонагрева, сбалансированное соотношение емкости и допустимых нагрузок по току (2С). Считаются хорошим выбором для электротранспорта.
4. Литий-железо-фосфатные (LiFePO4, LFP или IFR). При меньших значениях напряжения и емкости выигрывают у конкурентов по остальным параметрам. Выдерживают высокие токовые нагрузки (25–30С и выше), не снижают характеристики на морозе, отличаются долговечностью, термической и химической стабильностью.
5. LiNiCoAlO2 (NCA или NCR) – модели с высокой удельной емкостью, мощные и долговечные. Допустимые токовые нагрузки для них – до 1С.
6. Литий-титанатные (LTO, Li4Ti5O12) – рекордсмены по сроку службы, скорости зарядки и допустимым токам разряда (до 10С и выше). Но по номинальному напряжению и удельной емкости они уступают конкурентам.

Правила выбора

При выборе подходящих Li-ion аккумуляторов нужно учесть особенности их использования и определить, какие параметры необходимы в конкретном случае. Например, для использования в электронной сигарете или фонарике важно учесть требования к источнику питания, которые приводятся в инструкциях по эксплуатации устройств.

Для использования в фонарях, пауэрбанках, ноутбуках и подобных им устройствах подходят слаботоковые аккумуляторы – с токами разряда до 2С. Другое дело – батареи для портативного электроинструмента, радиоуправляемых моделей, гироскутеров, электровелосипедов и других устройств со значительным потреблением энергии. АКБ для них собирают из высокотоковых аккумуляторов – с разрядными токами до 10С.

Если же аккумуляторы будут использоваться для сборки АКБ с заданными параметрами, то нужно сопоставить характеристики ячеек и будущей батареи. Для получения батареи заданной емкости ячейки соединяются параллельно, а для суммирования напряжения – последовательно. Например, при сборке из ячеек емкостью 3200 мАч и напряжением 3,6 В по схеме 10S13P получится батарея емкостью 9600 мАч и вольтажом 36 В.

Какие литий-ионные аккумуляторы 18650 лучше?

В рейтинге Li-ion аккумуляторов лидирует продукция всемирно известных производителей: Panasonic, Samsung, LG, Sony. Рекордсменами по популярности в 2020 году остаются:

1. Panasonic NCR18650B, Япония. При доступной цене эти аккумуляторы имеют емкость 3400 мАч, ресурс около 500 циклов и допустимый ток при разряде 4,78 А (пиковый – 10 А). Используются в любых приборах, которым нужны мощные и компактные источники питания. Из незащищенных «банок» собираются АКБ для квадрокоптеров, радиоуправляемых моделей, электроинструмента и других портативных устройств. Защищенные ячейки отлично подходят для компактных фонариков.
2. Samsung INR18650-25R, Корея, тип химии NMC. Это высокотоковые ячейки емкостью 2500 мАч, с током отдачи до 25 А, без платы защиты. Они рассчитаны на постоянную работу под нагрузкой до 20 А и выдерживают пиковые нагрузки до 100 А. Подходят для сборки АКБ, использования в электронных сигаретах и других приборах с собственной платой защиты. Ориентировочный ресурс – более 500 циклов.
3. LG HG2 18650 – незащищенные ячейки емкостью 3000 мАч. Рассчитаны на токовые нагрузки до 20 А. При более высоких токах разряда сильно нагреваются. Аккумуляторы этой серии отлично зарекомендовали себя в разных сферах – от питания фонариков и электронных сигарет до сборки мощных аккумуляторных батарей. Выдерживают более 500 циклов заряд-разряд.
4. Sony VTC6 18650 – незащищенные «банки» емкостью 3000 мАч с допустимыми разрядными токами до 30 А. Устойчивы они и к глубокому разряду. В отличие от большинства Li-ion ячеек, у которых нижний порог напряжения составляет 2,5 В, аккумуляторы Sony VTC6 18650 допускают снижение напряжения до 2 В. Максимальный ток заряда у них составляет 5 А, а при зарядке пульсирующим током – 6 А. Купить аккумуляторы этого вида – отличное решение, если вам нужны элементы питания с рекордно высокой токоотдачей, например, для использования в электроинструменте.
5. Samsung INR18650-30Q, Корея. Эти высокотоковые ячейки без платы защиты имеют емкость 3000 мАч и ток отдачи до 15 А, а при импульсной нагрузке – до 25 А. Используются в устройствах со встроенной платой защиты и для сборки аккумуляторных батарей. В составе АКБ применяются в электроинструменте, бытовых приборах, электронике, персональном электротранспорте. Выдают полную мощность даже при низком остаточном заряде. По составу схожи с аккумуляторами Tesla. Выдерживают не менее 500 циклов заряд-разряд.

Подробнее о свойствах Li-ion аккумуляторов читайте здесь.

Источник