Что лучше li ion или li pol аккумулятор: Чем отличается Li-ion от Li-Pol? Применение и стоимость

Содержание

Какой аккумулятор лучше — литий-полимерный или литий-ионный?

Многие знают, что в подавляющем большинстве современной техники используют литий-ионные аккумуляторы, которые обозначают как Li-Ion. Однако так же появилось и такое обозначение, как Li-Po или Li-Pol. Как нам уже понятно, за этим обозначением скрывается такое название, как литий-полимерный аккумулятор. И, видя разное обозначение, многие люди задумываются, а какой же из этих типов аккумуляторов лучше. Давайте разберем этот вопрос.

Сразу хочется отметить, что противопоставлять эти типы аккумуляторов не стоит, так как литий-полимерный вариант является разновидностью литий-ионного аккумулятора. Всё дело в том, что под названием литий-ионный аккумулятор имеется в виду, что возникновение электрического тока в нем происходит, благодаря движению ионов лития. Так вот, такое движение ионов лития имеется и в одном, и в другом типе аккумулятора.

Разница будет в том, какой тип электролита используется. В «классическом» варианте литий-ионной батареи применяют жидкий или гелеобразный электролит, которым пропитан так называемый сепаратор — пористое вещество, расположенное между анодом и катодом. Однако при использовании жидкого электролита невозможно задать аккумулятору какую угодно форму, в частности плоскую, как у батарей сотовых телефонов. Их можно разместить только в цилиндрическом корпусе, а значит с ними не получится создать устройства с тонким корпусом.

И тогда решили вместо жидкого использовать сухой твердый электролит из полимерного материала. Он выполнен в виде тонкой пленки, которая как и жидкий вариант не проводит электрический ток, но пропускает ионы лития, и его можно свернуть в любую форму, так как такой полимерный электролит достаточно гибкий в отличие от пористого сепаратора. Ну и, благодаря малой толщине полимерного электролита, корпус всей батареи тоже получается тонким.

Однако испытания таких батарей показали, что они могут быть столь же эффективны в использовании, как и «классические» батареи с жидким электролитом, лишь при условии, что температура окружающей среды будет около 60°C. В противном случае в них имеется слишком большое сопротивление, из-за которого электропроводность слишком мала. Поэтому стало понятно, что такую батарею использовать в широком спектре приборов не получится.

Но всё же от идеи придания аккумулятору плоской формы отказываться не хотелось, поэтому было принято решение, что к твердому сухому полимерному электролиту для увеличения электропроводности будет добавляться некоторое количество гелеобразного электролита. И в таком виде литий-полимерные батареи и пошли в массовый выпуск. Поэтому когда вы видите надпись Li-Pol, вы должны понимать, что это гибридный вариант аккумулятора, который правильнее называть литий-ионно-полимерный, однако в рекламных целях в названии оставили только слово «полимерный».

Все современные телефоны, планшеты и ноутбуки оснащаются Li-Pol аккумуляторами. Но при этом многие производители продолжают помечать их как Li-Ion, что, как мы выяснили выше, тоже верно.

А вот, например, для электроинструмента, работающего на аккумуляторах, используют «классические» литий-ионный батареи с жидким электролитом, поскольку в данном случае нет необходимости придания тонкой формы аккумулятору.

Таким образом, из описанного выше, думаю стало понятно, что если сравнивать по энергоэффективности, то «классические» литий-ионные батареи будут несколько лучше, чем литий-полимерные. Однако использование в последних определенного количества жидкого электролита делает такое различие почти незаметным. Ну а что касается удобства использования, то литий-полимерные батареи при одинаковой емкости получаются менее габаритными.

Кроме того сухой электролит более безопасен в плане воспламенения, однако из-за того, что в литий-полимерных батареях все равно используют некоторое количество жидкого электролита, опасность воспламенения все равно присутствует, хоть и в меньшей степени, чем у «классических» литий-ионных батарей. Чтобы максимально обезопасить себя, используйте аккумуляторы от известных мировых производителей, где используются самые серьезные уровни защиты, и старайтесь избегать дешевые китайские образцы, где должной безопасности не уделено достаточного внимания.

Что же, думаю на этом можно и закончить. Надеюсь в статье все понятно разъяснено и у вас не осталось больше вопросов по поводу того, какой тип аккумулятора лучше.

Читайте также:

Литий-полимерный аккумулятор: отличие от ионного, срок службы, устройство. Li-pol или Li-ion: какой лучше

Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения никель-кадмиевых аккумуляторов NiCd более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же литий-ионных батареях важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока катод и анод соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чем главное отличие от ионной батареи?

Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.

Срок службы литий-полимерного аккумулятора

В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.

Недостатки

Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать – Li-pol или Li-ion, — не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

Оптимальный метод зарядки

Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос – как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.

Меры предосторожности

В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания – разумеется, при условии поддержания их герметичности.

Какой аккумулятор лучше – Li-pol или Li-ion?

Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.

Заключение

Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.

что это, плюсы и минусы

Литий полимерные аккумуляторы появились не так давно, но уже смогли покорить мир мобильной электроники. Они используются во всех гаджетах, от смартфонов и камер до электроинструмента.

За развитием литиевых аккумуляторов трудно уследить. Новые технологии появляются примерно раз в полгода. Каждое новое поколение смартфонов выходит с новыми АКБ, которые отличаются по характеристикам от предыдущих.


Специфические свойства литий полимерных аккумуляторов

Полимерный аккумулятор – это подвид литиевых батарей. При их разработке ученые основывались на опыте работы с литий-ионными аккумуляторами. Их недостаток в том, что ионные батареи работают на жидком электролите, из-за чего возникают проблемы в использовании. Главной задачей техников было добиться замены электролита.

Специфические свойства литий полимерных аккумуляторов заключаются в использовании в качестве электролита твердого полимера.

Прежде чем рассказать об отличиях двух видов литиевых батарей, стоит пояснить два термина:

  • Электролит является раствором кислоты, проводящим ток. В этом случае электрический ток проводится с помощью положительно заряженных частиц
  • Полимер – это вещества с большой молекулярной массой, состоящее из большого количества повторяющихся групп молекул.

Первое, чего удалось добиться техникам – это сделать электролит li pol аккумулятора твердым. Ученые решили, что в качестве эксперимента подойдет полимер. Именно отсюда и пошло название таких батарей.

Преимущество полимера в том, что он тонкий. Электрический ток он не проводит, но справляется с передачей ионов. Проще говоря, теперь сепаратор и электролит стали одним целым.

Характеристики li pol

Все полимерные АКБ имеют следующий набор характеристик:

  • Циклы работы – это количество полных разрядов и зарядов, на которые рассчитана АКБ. Говоря простым языком: допустим, li polymer аккумулятор рассчитан на 1000 циклов работы, получается если заряжать телефон один раз в сутки, то в таком режиме аккумулятор будет нормально функционировать 1000 дней. Затем емкость АКБ начнет снижаться и телефон начнет быстрее терять заряд.
  • Емкость батареи – величина, которая измеряется в миллиамперах в час (мАч). этот показатель указывает на то, какой ток поддерживается в батарее в течение часа. Например, если взять стандартную телефонную АКБ, емкость которой 5000 мАч, то это значит, что она сможет на протяжении часа выдавать ток силой 5000 мА.
  • Напряжение – еще одна базовая характеристика батареи. Оно бывает входное и выходное. Входное – это то, которое в источнике питания (например, в розетке), а выходное – то, что выдает сама батарея. Обычно они совпадают, но не всегда.

Правильная эксплуатация

С полимерными АКБ следует быть предельно аккуратными в обращении, так как они максимально чувствительны. Нарушение правил может привести к поломке батареи и в редких случаях к пожару.

Для того, чтобы полимерные батареи служили продолжительное время, необходимо придерживаться следующих правил эксплуатации:

  • Недопустим перезаряд аккумулятора li po, проще говоря напряжение не должно быть больше 4,2 В. Несоблюдение этого правила приведет к вздутию аккумулятора
  • Нельзя подавать на аккумулятор ток, превышающий нормы
  • Недопустим перегрев батареи свыше 60 градусов Цельсия
  • Нельзя использовать АКБ с поврежденным корпусом
  • Не рекомендуется допускать полной разрядки АКБ. Лучше ставить телефон на зарядку, когда уровень заряда составляет где-то 15-20 %.

Первые две причины часто становятся причиной возгорания АКБ. Чтобы этого избежать лучше использовать только проверенные зарядные устройства из комплекта устройства или сертифицированное производителем.

Также недопустим и перегрев батареи. Основной причиной перегрева, как правило, является нагрев самого устройства, из-за чего нагревается и аккумулятор. Если температура внутри АКБ поднимется выше 70 градусов, это спровоцирует превращение энергии в тепло, что приведет к еще большему нагреву. Это чревато возникновением пожара.

Для стандартной полимерной АКБ рабочий температурный диапазон – от 0 до 50 градусов. Но несмотря на это и при отрицательных температурах аккумулятор работает исправно. Главное – не допускать сильного переохлаждения АКБ. Поэтому в зимнее время рекомендуется по минимуму использовать телефон на улице, лучше держать его в кармане. В такой ситуации внутреннее тепло АКБ не даст ей замерзнуть. К тому же полимерные аккумуляторы имеют свойство быстрее терять заряд при слишком низких температурах.

Преимущества и недостатки полимерных аккумуляторов

Преимущества:

  • Емкость. Полимерные АКБ обладают большей ёмкостью, по сравнению с другими видами батарей.
  • Габариты. Толщина подобных АКБ может быть и 1 мм, а форма может меняться для конкретного устройства, что удобно в современной портативной технике
  • Даже при полной разрядке, напряжение на падает так сильно, как в других батареях
  • Отсутствие эффекта памяти.
  • Большой рабочий температурный диапазон (от -20 до 50 градусов). Низкие и высокие температуры слабо сказываются на работе батареи.

Недостатки:

  • Высокая цена по сравнению с другими видами. Производители вынуждены продумывать безопасность каждого устройства, что ведет к увеличению себестоимости.
  • При сильном морозе АКБ разряжается быстрее

Правильная зарядка Li Pol

Зарядка полимерных АКБ – несложная. Для нее необходим источник питания с напряжением 4.2 В. Время полной зарядки разнится в зависимости от характеристик батареи и составляет от 1 часа до 3. Как правило, подобная информация указывается в технической документации.

Важно правильно подобрать зарядное устройство. Оно бывает двух типов: бюджетное, которое предназначено исключительно для литиевых АКБ. Второй тип – универсальные. Как правило, они оснащаются индикаторами силы тока и напряжения. Для нормальной зарядки подойдут и бюджетные модели, главное не допускать перезаряда батареи.
Лучше всего использовать зарядное устройство из комплекта устройства.

Видео про литий полимерные аккумуляторы

Сравнение аккумуляторов Li-ion и Li-pol

Вы когда-нибудь задумывались, как в целом, ваш мобильный телефон или смартфон работает? Скорее всего нет. Но, если подумать, всем портативным устройствам нужны аккумуляторы, чтобы работать, и в некоторых время автономной работы больше, чем в других. Вот почему мы собираемся рассказать, за счет чего работают ваши сотовые телефоны и почему некоторые батарейки лучше других, расскажем про типы аккумуляторов Li-pol и Li-ion.

Обзор сравнений Li-ion аккумулятора против Li-pol аккумулятора: В чем различия?

Начнем обзор с Li-ion аккумуляторов и истории. Li-ion аккумуляторы начали свое развитие с 1912 года, однако они не пользовались популярностью вплоть до 1991 года, когда их стал активно использовать производитель Sony. Li-ion аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии и стоят дешевле, чем Li-pol аккумуляторы. Кроме того, им не требуется прокачка при первом использовании, и саморазрядка у них очень мала. Но все же, Li-ion аккумуляторы со временем портятся — даже, если ими не пользоваться.


Технические характеристики Li-ion аккумуляторов (Lithium Ion):


Изменение химической реакции, в зависимости от электролита.

Рабочая температура от -20 до +60 ºС (или от 4 до 100 ºF).

Li-ion аккумуляторы Рекомендованы для сотовых телефонов, портативных компьютеров.

Входной ток 3,6 и 7,2.

Вариации по емкости (обычно в два раза превышает емкость NiCd-аккумулятора).

Уровень разрядки при комнатной температуре.

Количество зарядов-разрядов до 100%: 300 — 400 циклов.

Температура для заряда от 0 до 60 ºС (от 32 до 140 ºF).

Срок хранения аккумулятора — теряет менее 0,1% заряда в месяц.

Температура хранения батарейки от -20 до 60 ºС (от -4 до 140 ºF).

Утилизация — принимаются на переработку в некоторых магазинах страны.

Должны быть сданы на переработку.

Другие примечания — согласно разработке, аккумуляторы должны заряжаться совместно с устройством, а не от внешних зарядок.

Химическая конструкция аккумулятора ограничивает его изготовление прямоугольной формой.

Более легкий, чем вторичные аккумуляторы на основе никеля (NiCd и NiMH).

Теперь обсудим Li-pol аккумулятор


Li-pol аккумуляторы возникли в 70-х. Их первая конструкция включала электролит в виде твердого полимера, который напоминает пластиковую пленку. Поэтому, этот тип батарей может быть тонким, как кредитная карта и поддерживать довольно продолжительный заряд. Кроме того, Li-pol аккумуляторы весят очень мало, их безопасность повышена. Однако, производство таких батарей стоит дорого, а плотность энергии в них ниже, чем в Li-ion аккумуляторах.

Технические характеристики Li-pol аккумуляторов (Lithium Polymer):

Изменение химической реакции в зависимости от электролита.

Улучшена производительность при низких и высоких рабочих температурах.

Рекомендуется для портативных компьютеров, а так же сотовых телефонов или смартфонов.

Входной ток 3,6 — 7,2

Вариации по емкости зависят от батареи. Улучшено, по сравнению со стандартным Li-ion.

Уровень разрядки при комнатной температуре.

Количество зарядов-разрядов от 300 до 400 циклов.

Температура заряда от 0 до 60 по Цельсию (от 32 до 140 по Фарингейту)

Срок хранения батарейки — теряет менее 0,1% в месяц.

Температура хранения от 0 до 60 ºС (от -4 до 140 ºF)

Утилизация аккумуляторов — принимаются на переработку.

Могут быть сданы в местный магазин принимающий аккумуляторы на переработку.

Другие примечания — согласно разработке, Li-pol аккумуляторы должны заряжаться вместе с электронным устройством, а не от внешней зарядки.

Легче чем вторичные аккумуляторы на основе никеля (NiCd и NiMH)

Li-pol аккумуляторы могут быть произведены различной формы.

Это главные отличия характеристик, помогающие легко понять в чем разница мобильных батарей Li-ion и Li-pol.

Подведем итоги и определим победителя на звание «лучший аккумулятор»

Прочитав обо всех плюсах и минусах, о спецификациях двух типов аккумуляторов, вы можете заметить, что конкуренция между Li-ion и Li-pol не настолько сильна. Хотя Li-pol аккумулятор изящнее и тоньше, плотность заряда в Li-ion аккумуляторе больше, и их производство обходится дешевле конкурента. Поэтому, очевидно, какой из них выбирают компании вроде Samsung, Meizu, Vertu, Apple, Lenovo, UMi, Nokia, HTC, BlackBerry, Haipai, Google, Jiayu, Motorola, Zopo, Sonim, LG и многих других.

И наконец, часто происходит применение новых химических соединений, и кто знает, какие аккумуляторы станут наиболее популярны через некоторое время. Мы знаем лишь то, что телефон, смартфон или планшетный компьютер сможет похвастать в будущих, специальных модификациях очень тонким и незаметным Li-ion аккумулятором.

Li-polymer или Li-Ion. Что такое литий полимерный аккумулятор

Разница между литий-ионным и литий-полимерным типами аккумуляторов значительна , если полимерный материал выступает в качестве электролита. Здесь вы узнаете особенности каждого типа батареи и сможете сделать правильный выбор .

Забегая наперёд, поспешим вас успокоить — при покупке смартфона, планшета или ноутбука тип аккумулятора внутри вам встретится один и тот же . И чтобы там ни было указано — Li-Ion или Li-Po , это меньше всего повлияет на время работы и характеристики устройства в целом. .

Например, модель процессора или версия прошивки для общей автономности мобильного гаджета (имейте ввиду, что речь не об инструментах) куда важнее типа аккумулятора. Выбирайте наиболее ёмкую батарею и читайте отзывы от реальных пользователей.

Отличия литий-ионного от литий-полимерного аккумулятора

Во всех известных смартфонах, планшетах, ноутбуках, смарт-часах и других портативных гаджетах наиболее подходящий аккумулятор рассчитывается на этапе проектирования на этапе инженерного конструирования. Производители последние годы с особым усердием стремятся внедрить новейшие технологии энергосбережения.

Порой разработчикам удаётся достичь максимально длительного цикла автономности . Но в угоду концептуальных особенностей будущего продукта (например, тонкий корпус или огромная камера без увеличения габаритов) даже самые крутые системы экономии расхода заряда могут быть «задушены» .

Поэтому нам покупателям остаётся идти на компромисс и выбирать характеристики, которые подходят для конкретных целей. Ходите в походы или много путешествуете — выбирайте долгий срок службы батареи в ущерб габаритам и грациозному внешнему виду. Любите выкладывать телефон на стол в дорогом ресторане? Тогда отнеситесь к нему как к аксессуару — пусть он будет работать меньше, зато лишний раз подчеркнёт статус владельца.

Тип аккумулятора (литий-ионный и литий-полимерный) здесь никак не влияет на оценку гаджета — это часть инженерного расчёта под выбранную концепцию, где стоит выбор между, условно говоря, конструкцией «попроще и дешевле» или «посложнее, но дороже». Если вы хотите самостоятельно определить самый выносливый аппарат среди конкурентов, то лучше обратиться к профессиональным обзорам или хотя бы отзывам реальных пользователей. Эта информация расскажет вам гораздо больше о качестве батареи, чем её принадлежность к литий-ионной или литий-полимерной технологии.

Неважно, какой тип размещён в мобильном устройстве, просто не беспокойтесь об этом!

Вот вам факт от экспертов «Battery University » — в современных гаджетах практически не встречаются литиевые батареи на основе полимера , нам предлагают литий-ионные полимерные батареи , в которых применяется ламинированная оболочка вместо жёстких корпусов, как у обычных литий-ионных батарей.

Чаще всего литий-полимерной батареей называют литий-ионный аккумулятор в эластичной полимерной оболочке с компактными габаритами.

Вы задумывались, почему производители Li-Ion Polymer на некоторых батареях (например, на iPhone и других смартфонах)? Теперь вы знаете, что здесь на самом деле происходит — из-за сокращённых названий разница между литий-ионным и литий-полимерным аккумулятором, когда речь идёт о портативной электронике, по факту минимальная. Давайте остановимся на этом подробнее.


Плюсы литий-ионной (Li-Ion) батареи

+ высокая плотность
+ нет эффекта памяти
+ низкая стоимость

Основные типы аккумуляторов:

  • Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы
  • Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы
  • Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы

Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Для аккумуляторного инструмента никель-кадмиевые аккумуляторы являются фактическим стандартом. Инженерам хорошо известны их достоинства и недостатки, в частности Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат кадмий – тяжёлый металл повышенной токсичности.

У никель-кадмиевых аккумуляторов есть так называемый «эффект памяти» суть которого сводится к тому, что при заряде не полностью разряженного аккумулятора его новый разряд возможен только до того уровня, с которого его зарядили. Другими словами аккумулятор «помнит» уровень остаточного заряда, с которого его полностью зарядили.

Итак, при заряде не полностью разряженного Ni-Cd аккумулятора происходит уменьшение его ёмкости.

Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Опишем только самый простой и надёжный способ.

При использовании аккумуляторного инструмента с Ni-Cd аккумуляторными батареями следует придерживаться простого правила: заряжать только полностью разряженные аккумуляторы.

Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

  • Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
  • Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
  • Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
  • Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
  • Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более

Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

  • Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
  • Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
  • После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
  • Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Эти аккумуляторы предлагаются на рынке как менее токсичные (по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами) и более экологически безопасные, как в производстве, так и при утилизации.

На практике Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы действительно демонстрируют весьма большую ёмкость при габаритах и массе, несколько меньших, чем у стандартных Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов.

Благодаря практически полному отказу от применения токсичных тяжелых металлов в конструкции Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов последние после использования могут быть утилизованы вполне безопасно и без экологических последствий.

У никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижен «эффект памяти». На практике «эффект памяти» практически незаметен из-за высокого саморазряда этих аккумуляторов.

При эксплуатации Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов желательно разряжать их в процессе работы не полностью.

Хранить Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы следует в заряженном состоянии. При длительных (более месяца) перерывах в работе аккумуляторы следует перезаряжать.

Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

  • Нетоксичные аккумуляторы
  • Меньший «эффект памяти»
  • Хорошая работоспособность при низкой температуре
  • Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами

Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

  • Более дорогой тип аккумуляторов
  • Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
  • После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
  • Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы

Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы

Несомненным достоинством литий-ионных аккумуляторов является практически незаметный «эффект памяти».

Благодаря этому замечательному свойству Li-Ion аккумулятор можно заряжать или подзаряжать по мере необходимости, исходя из потребностей. Например, можно подзарядить не полностью разряженный литий-ионный аккумулятор перед важной, ответственной или продолжительной работой.

К сожалению эти аккумуляторы являются наиболее дорогими аккумуляторными батареями. Кроме того литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, независящий от числа циклов разряд-заряд.

Резюмируя можно предположить, что литий-ионные аккумуляторы лучше всего пригодны для случаев постоянной интенсивной эксплуатации аккумуляторного инструмента.

Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

  • Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
  • Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
  • Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
  • Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
  • Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

  • Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
  • Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
  • Ограниченный срок службы

Примечание

Из практики эксплуатации Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов в телефонах, фотокамерах и т.д. можно отметить, что эти аккумуляторы служат в среднем от 4 до 6 лет и выдерживают за это время около 250-300 циклов разряда-заряда. При этом абсолютно точно замечено: больше циклов разряд-заряд – короче срок службы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов!

Все эти типы аккумуляторов имеют такой важный параметр как емкость. Емкость аккумулятора показывает, сколько времени он сможет питать подключенную к нему нагрузку. У радиостанции емкость аккумулятора измеряется в миллиампер-часах. Эта характеристика обычно указывается на самой батарее.

Для примера возьмем радиостанцию Альфа 80 и ее батарею емкостью 2800 мАч. При цикле работы 5/5/90, где 5% времени работы радиостанции на передачу, 5% работы на прием, 90% времени дежурный режим — время работы радиостанции составит не менее 15 часов. Чем ниже будет этот параметр у батареи, тем меньше она сможет проработать.

Следите за новостями в наших группах:

Задаетесь вопросом: «Что выбрать: Li-Ion или Li-Po аккумулятор?» Мы подробно расскажем в чем отличие этих двух типов аккумуляторов.

Как всем нам известно, мощность портативного зарядного устройства в большей степени зависит от качества аккумуляторов внутри устройства. На современном рынке существует два вида аккумуляторов, которые используются для производства портативных зарядных устройств: Li-Ion и Li-Po элементы аккумулятора.

Li-Ion или Li-Po: В Чем Различие и Что Выбрать

К сведению пользователей, один из частозадаваемых вопросов касательно портативных зарядных устройств – это: какая разница между аккумуляторами Li-Ion и Li-Po, а также, какой из них лучше. Давайте будем разбираться.

Что же такое Li-Ion и Li-Po?

Li-Ion – это сокращение от литий-ионный, а Li-Po – от литий-полимерный. Окончание «ионный» и «полимерный» — это указание на катод. Литий-полимерный аккумулятор состоит из полимерного катода и твердого электролита, а литий-ионный аккумулятор – из углерода и жидкого электролита. Оба аккумулятора перезаряжаемые, и потом, в том или ином смысле, они оба выполняют одну и ту же функцию. В целом, литий-ионные аккумуляторы старше, чем литий-полимерные, но они по-прежнему широко распространены из-за низкой цены и неприхотливости в техническом обслуживании. Литий-полимерные аккумуляторы считаются более совершенными, с улучшенными характеристиками, обеспечивающими более высокий уровень безопасности, следовательно, такие аккумуляторы стоят дороже, чем литий-ионные.

Существует много конфигураций аккумуляторов Li-Ion. Самые распространенные литий-ионные аккумуляторы для портативных зарядных устройств – это аккумуляторы с типоразмером 18650, диаметром 18мм и длиной 65мм, в которых 0 означает цилиндрическую конфигурацию. Больше 60% портативных зарядок изготовлены из элементов аккумулятора с типоразмером 18650. Размер и вес таких элементов легко позволяет применять их во многих электронных устройствах. Технологии изготовления также не стоят на месте.

Поскольку среди покупателей все больше и больше возрастает спрос на более легкие и компактные портативные зарядки, все более очевидными становятся ограничения, которые влекут за собой литий-ионные аккумуляторы. Поэтому производители переходят на изготовление более легких, более плоских модульных литий-полимерных аккумуляторов для новых портативных зарядных устройств. Более того, литий-полимерные аккумуляторы не так подвержены риску взрыва, а поэтому в портативные зарядки больше не нужно встраивать защитный слой, в то время как большинство литий-ионных 18650 аккумуляторов должны быть установлены только вместе с защитой.

Давайте подытожим информацию про различия между литий-ионом и литий-полимером в виде таблицы.

Ключевые особенности Li-Ion Li-Po
Энергетическая плотность Высокая Низкая, с меньшим количеством циклов в сравнении с Li-Ion
Универсальность Низкая Высокая, производители не привязаны к стандартному формату ячеек
Вес Немного более тяжелые Легкие
Ёмкость Ниже Одинаковый объем Li-Po аккумулятора, превосходит по ёмксоти Li-Ion почти в два раза
Жизненный цикл Большой Большой
Взрывоопасность Более высокая Более продуманная безопасность снижает риск перезаряда, а также утечку электролита
Время заряда Немного более длинное более короткое
Изнашиваемость Теряет менее чем 0,1% своей эффективности каждый месяц Более медленней, чем Li-Ion аккумуляторы
Стоимость Более дешевый Более дорогой

После изучения всех преимуществ, недостатков и характеристик двух типов аккумуляторов, вы можете убедиться, что между ними нет сильной конкуренции. Хотя литий-ионный аккумулятор тоньше и изящнее, литий-ионные аккумуляторы отличаются большей удельной энергоемкостью, и потом, они гораздо дешевле в производстве.

Поэтому, не стоит обращать особого внимания на тип аккумулятора, просто выбирайте брендовое портативное зарядное устройство, которое соответствует вашим требованиям. В конце концов, в эти аккумуляторы добавляется множество химикатов, поэтому, еще неизвестно, какие из них прослужат дольше.

Технологии производства аккумуляторов не стоят на месте и постепенно Ni-Cd (никель-кадмиевые) и Ni-MH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы вытесняются на рынке аккумуляторами, в основе производства которых используются литиевые технологии. Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы всё чаще используются в различных электронных устройствах в качестве источника тока

Литий — серебристо-белый, мягкий и пластичный металл, твёрже натрия, но мягче свинца. Литий — самый легкий металл в мире! Его плотность составляет 0,543 г/см 3 . Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой. Месторождения лития имеются в России, Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве и Конго

Экскурс в историю

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом с плотностью энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно в несколько раз превышает плотность стандартных NiCd и NiMH аккумуляторов. Благодаря применению новых активных материалов это превосходство ежегодно увеличивается. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично никелевым аккумуляторам (форма их разрядных характеристик похожа и отличается лишь напряжением).

На сегодня существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных (Li-Po) аккумуляторов.

Li-ion аккумулятор всем был хорош, но проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость привели учёных к созданию литий-полимерного аккумулятора (Li-pol или Li-po).

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом, благодаря чему они имеют гибкую пластиковую оболочку, имеют меньший вес, большую токоотдачу и могут быть использованы в качестве силовых аккумуляторов для устройств с мощными электродвигателями.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется более высокой безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. Минимальная толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества

  • Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости никелевые (NiCd и Ni-MH) аккумуляторы
  • Низкий саморазряд
  • Высокое напряжение единичного элемента (3.6-3.7V против 1.2V-1.4 у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители применяют в различных компактных электронных устройствах (сотовые телефоны, коммуникаторы, навигаторы и пр.) именно такой одноэлементный аккумулятор
  • Толщина элементов от 1 мм
  • Возможность получать очень гибкие формы

Недостатки

  • Аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется и просто лежит на полке. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Часы начинают тикать с того момента, как аккумуляторы произвели на заводе, и снижение емкости является результатом повышения внутреннего сопротивления, которое в свою очередь порождается окислением электролита. В итоге внутреннее сопротивление достигнет такого уровня, когда аккумулятор больше не сможет отдавать накопленную энергию, хотя ее в аккумуляторе будет достаточно.Через два или три года он часто становится непригодным к использованию.
  • Более высокая стоимость по сравнению с NiCd и Ni-MH аккумуляторами
  • При использовании литий-полимерных аккумуляторов, всегда есть риск их воспламенения, которое может случиться вследствие замыкания контактов, от неправильной зарядки, или механического повреждения аккумулятора. Так как температура горения лития очень высока (несколько тысяч градусов), то он может воспламенить рядом стоящие предметы и вызвать пожар.

Основные характеристики Li-Po аккумуляторов

Как было сказано выше, литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd и Ni-MH аккумуляторы в несколько раз. Срок службы современных Li-Po аккумуляторов, как правило, не превышает 400-500 циклов заряд-разряд. Для сравнения, срок службы современных Ni-MH аккумуляторов с низким саморазрядом составляет 1000-1500 циклов.

Технологии производства литиевых аккумуляторов не стоят на месте и названные выше цифры в любой момент могут потерять актуальность, т.к. производители аккумуляторов с каждым месяцем наращивают их характеристики за счёт внедрения новых технологических процессов их производства.

Из всего многообразия литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы — быстро-разрядные (Hi Discharge) и обычные . Отличаются они между собой максимальным разрядным током — его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой «С».

Области применения Li-Po аккумуляторов

Применение Li-Po аккумуляторов позволяет решить две важные задачи — увеличить время работы устройств и снизить вес батареи

Обычные Li-Po аккумуляторы применяются в качестве источников питания в электронных устройствах с относительно небольшим токопотреблением (мобильные телефоны, коммуникаторы, ноутбуки и т.д.).

Быстро-разрядные литий-полимерные аккумуляторы часто называют «силовыми » — такие аккумуляторы применяются для питания устройств с высоким токопотреблением. Ярким примером применения «силовых» Li-Po аккумуляторов являются радиоуправляемые модели с электродвигателями и современные гибридные автомобили. Именно в этом сегменте рынка происходит основная конкурентная борьба различных производителей Li-Po аккумуляторов.

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают никелевым — это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH. Но в этом сегменте рынка уже появились конкуренты — (Li-Fe), технология производства которых развивается с каждым днём.

Зарядка Li-Po аккумуляторов

Заряд большинства Li-Po аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму — от источника постоянного напряжения 4.20V/элемент с ограничением тока в 1С (некоторые модели современных силовых Li-Po аккумуляторов позволяют заряжать их током в 5С). Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. До перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 1-2 часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда — не хужу 0,01 V/банку.
Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить два основных типа — простые, не «компьютерные» зарядники в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные зарядные устройства в ценовой категории 80-400$, предназначенные для обслуживания различных типов аккумуляторов.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками или путём подключения аккумулятора к различным разъемам на зарядном устройстве. Достоинство таких зарядных устройств — низкая цена. Главный недостаток — некоторые из таких устройств не умеет правильно определять окончание заряда. Они определяют лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость в мАч, которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор. При использовании зарядного устройства самое главное — правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.

Эксплуатация Li-Po аккумуляторов и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» из существующих, т.е. требуют обязательного соблюдения нескольких несложных правил. Перечислим их в порядке убывания опасности:

  1. Перезаряд аккумулятора — заряд до напряжения, превышающего 4.20V на банку
  2. Короткое замыкание аккумулятора
  3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или приводящим к нагреву Li-Po аккумулятора cвыше 60°С
  4. Разряд ниже напряжения 3V на банку
  5. Нагрев аккумулятора выше 60ºС
  6. Разгерметизация аккумулятора
  7. Хранение в разряженном состоянии

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных — к полной или частичной потере емкости

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

  • Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок
  • Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и контролировать ток, потребляемый устройством, в котором установлен Li-Po аккумулятор
  • Необходимо быть уверенным, что ваше электронное устройство,в котором установлен аккумулятор не перегревается. При +70ºС в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть
  • Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно «умрет» из-за переразряда
  • Следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте его после работы
  • Разгерметизация — так же причина выхода литиевых аккумуляторов из строя. Внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки) в результате удара, или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод — не ронять с большой высоты и паять аккуратно
  • Хранить аккумуляторы, судя по рекомендациям производителей, следует в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температуре не выше 30°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы. Как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка Li-Po батарей

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква Р (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, a S (serial) — последовательно. Например, «Kokam 1500 3S2P» обозначает батарею, соединенную последовательно из трех пар аккумуляторов, и каждая пара образована двумя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500 мАч, т.е. емкость батареи будет 3000 мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение — 3,7V х 3=11,1V.

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы, особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую и зарядный ток может превысить значение 1C. Желательно, все купленные банки перед соединением разрядить до 3V током около 0.1- 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым — батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей — например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, поскольку различное внутренне сопротивление приведет к разбалансировке батареи.

При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов — это может нарушить герметизацию и навсегда «убить» еще не поработавший аккумулятор. Некоторые Li-Po аккумуляторы поставляются с уже припаянными к выводам кусочками текстолитовой печатной платы для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес — около 1 г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше — стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батареи, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать их при многократном подключении к зарядному устройству

Нюансы применения Li-Po аккумуляторов

Приведу еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд …

В течение долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными — какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее. Отсюда вытекает следующее правило — необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи .

В случае обнаружения в сборке аккумулятора, ёмкость которого отличается от других элементов более, чем на 15-20%, рекомендуется отказаться от использования всей сборки, или из оставшихся аккумуляторов спаять батарею с меньшим количеством элементов.

Современные зарядные устройства имеют встроенные балансиры (balancer), которые позволяют заряжать все элементы в батареи отдельно под чётким контролем. Если зарядное устройство не оборудовано балансиром, то его необходимо приобрести отдельно и заряд аккумуляторов желательно производить с его использованием.

Внешний балансир — это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17-4.19V. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17V балансир замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством определения «плохих» элементов в батарее.

Вышесказанное относится к батареям, составленных из трех элементов и более, для двух-баночных батарей балансиры, как правило, не применяют

По многочисленным отзывам, разряд литиевых аккумуляторов до напрряжения 2.7- 2.8V более губительно сказывается на емкости, чем, например перезаряд до напряжения 4.4V. Особенно вредно хранить батарею в переразряженном состоянии.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50°С (при 0°С сохраненяется 80% емкости аккумулятора). Но тем не менее, использовать Li-Po аккумуляторы при отрицательных температурах, около-10…-15°С, можно. Дело в том, что не нужно перед использованием морозить батарею — положите ее в карман, где тепло. А в процессе использования внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литиевыми технологиями накопления энергии, если их не догонят топливные элементы. Поживем — увидим…

В статье использованы материалы статей Сергея Потупчика и Владимира Васильева

Подавляющее большинство жителей развитых стран имеют мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки. Когда вы приобретаете какой-нибудь гаджет в магазине, скорее всего, даже не задумываетесь о типе аккумулятора в нём. И это неудивительно. Технологии быстро развиваются, в том числе, в сфере аккумуляторов. Не так давно в мобильной электронике использовались Ni─Cd аккумуляторы, которые потом сменили Ni─MH. Затем появились литий─ионные, которые быстро завоевали рынок портативных гаджетов. И вот теперь их теснят литий─полимерные батареи. В какой-то момент пользователь начинает задумываться о том, какая аккумуляторная батарея у него. В чём её преимущества и недостатки? В этой заметке мы попытаемся понять, в чём заключается отличие литий─полимерного аккумулятора от литий─ионного.

Работы по созданию аккумуляторов с использованием лития велись достаточно давно. Но первые работоспособные экземпляры для бытовой техники появились только в 70-е годы прошлого столетия. Но тогда это были несовершенные модели с электродами из металлического лития. И эксплуатация таких аккумуляторов проблематичной в плане безопасности. Оставалось много нерешенных проблем с процессом заряда и разряда таких батарей.


Дело в том, что металлический литий очень активен и обладает высоким электрохимическим потенциалом. Его использование в аккумуляторах позволяет значительно увеличить энергетическую плотность. Аккумуляторные батареи с электродами из металлического Li, которые были разработаны первыми, имеют высокое напряжение и большую ёмкость. Однако постоянная работа такого аккумулятора в режиме заряда и разряда приводит к тому, что литиевый электрод изменяется.

Это приводит к тому, что стабильность работы нарушается и возникает угроза воспламенения из-за неконтролируемого протекания реакции в батарее. Аккумуляторный элемент быстро нагревается и, когда температура поднимается до плавления лития, то идёт бурная реакция с воспламенением. С этим были связаны отзывы первых аккумуляторов литиевого типа в потребительской электронике в начале 90-х годов.

В результате учёные стали заниматься разработкой АКБ на основе ионов Li. Из-за того, что пришлось отказаться от использования металлического лития, несколько уменьшилась энергетическая плотность. Но зато были решены проблемы с безопасностью при эксплуатации АКБ. Эти новые аккумуляторы получили название литий─ионных.


Энергетическая плотность литий─ионных аккумуляторов в 2─3 раза (в зависимости от используемых материалов) выше, чем у . При разряде Li─Ion аккумуляторы показывают схожие с Ni─Cd характеристики. Единственное, в чём они им уступают – это работа при сверхвысоких токах разряда (более 10С). К настоящему времени уже выпущено немало различных модификаций литий─ионных аккумуляторов.

Они отличаются материалом, используемым в качестве катода, форм-фактором и по некоторым другим параметрам. Их однозначно характеризует конструкция, в которую входят электроды, погружённые в жидкий электролит, содержащий ионы лития. Этот аккумуляторный элемент помещён в герметичную металлическую оболочку (сталь, алюминий). Для управления процессами заряда и разряда в литий─ионных аккумуляторных батареях есть печатная плата, называемая контроллером.

Чтобы картина по Li─Ion батареям была полной, рассмотрим их преимущества и недостатки.

Преимущества Li─Ion

  • Небольшой саморазряд;
  • Высокая энергетическая плотность и ёмкость по сравнению со щелочными;
  • Один аккумуляторный элемент имеет напряжение около 3,7 вольта. Для кадмиевых и металлогидридных это значение 1,2 вольта. Это позволяет значительно упростить конструкцию. В телефонах, например, используются батареи, имеющие в своём составе только одну банку;
  • Отсутствует эффект памяти, а значит, упрощается обслуживание АКБ.

Недостатки Li─Ion

  • Необходим контроллер. Это печатная плата, которая контролирует напряжение аккумуляторного элемента или элементов, если их несколько. Плата также контролирует максимальный ток разряда, а в некоторых случаях и температуру банки. Без контроллера невозможна безопасная эксплуатация литий─ионной АКБ;
  • Деградация Li─Ion системы идёт даже при хранении. То есть, через год ёмкость батареи ощутимо уменьшается, даже если она не используется. Аккумуляторы других типов (щелочные, свинцово-кислотные) тоже постепенно деградируют в процессе хранения, но у них это менее выражено;
  • Цена литий─ионных выше, чем кадмиевых или .


Возможности литий─ионной технологии не выработаны до конца. Поэтому постоянно появляются новые батареи, где решаются те или иные проблемы этого типа АКБ. Подробнее о том, что представляет собой читайте в статье по указанной ссылке.

Li─Pol аккумулятор

Из-за проблем с обеспечением безопасности при заряде-разряде Li─Ion аккумуляторов стали вестись дальнейшие разработки модификаций этих батарей. В результате были разработаны литий─полимерные аккумуляторы. Их отличие от ионных в применяемом электролите. Стоит сказать, что первые разработки в этом направлении велись одновременно с Li─Ion технологией. Ещё в прошлом столетии был впервые использован сухой электролит из твёрдого полимера. По внешнему виду он похож на плёнку из пластика. Этот полимер не проводит ток, но не препятствуйте ионному обмену, который подразумевает движение заряженных атомов или их групп. Помимо содержания в нём электролита, полимер ещё выступает как пористый сепаратор между электродами.


Новая конструкция позволила повысить безопасность и упростить производство аккумуляторов. И ещё более важно то, что литий─полимерные аккумуляторы могут быть выпущены практически любой формы и очень малой толщины (до 1 миллиметра). Это позволяет делать различные устройства, работающие от Li─Pol аккумуляторных батарей, тонкими, компактными и изящными. Некоторые литий─полимерные аккумуляторные батареи могут быть даже вшиты в одежду.

Естественно, что есть и недостатки. В частности, Li─Pol аккумуляторы с сухим электролитом имеют низкую электрическую проводимость в условиях комнатной температуры. Это объясняется тем, что при этой температуре их внутреннее сопротивление большое, что препятствует выдаче разрядного тока, необходимого для работы портативной электроники.

Если нагреть литий─полимерный аккумулятор до 60 градусов Цельсия, то проводимость увеличивается. Понятно, что это не годится для использования в телефонах или планшетах. Однако аккумуляторы с сухим полимером нашли свою нишу на рынке. Их используются в роли запасных источников питания в условиях повышенных температур. Есть варианты, когда ставятся нагревательные элементы для обеспечения температуры, необходимой для нормальной работы аккумулятора.

Здесь стоит пояснить ещё один важный момент. Наверняка все видели, что в смартфонах, планшетах и ноутбуках уже давно используются аккумуляторы с пометкой Li─Pol. Это литий─полимерные аккумуляторы гибридного типа, если так можно выразиться. Они представляют собой нечто среднее между Li─Ion и батареями с сухим полимером. Производители, выпускающие литий─полимерные аккумуляторы, используют в них в роли электролита гелеобразное вещество с ионами лития.

Так, что практически все литий─полимерные аккумуляторы в современных мобильных гаджетах используют гелеобразный электролит. По своей конструкции они представляют собой гибрид ионных и полимерных батарей. В чём же отличие между ионными и полимерными АКБ с гелеобразным электролитом? Их основные электрохимические параметры примерно одинаковы. Отличие таких гибридных АКБ заключается в том, что в них вместо пористого сепаратора используется твёрдый электролит. Он, как говорилось выше, ещё и выполняет роль пористого сепаратора. А электролит в гелеобразном состоянии используется для того, чтобы увеличить электропроводимость ионов.

Литий─полимерные аккумуляторы всё больше распространяются на рынке и за ними будущее. По крайней мере, в сегменте бытовой техники и потребительской электроники. Но пока их внедрение идёт не очень активно. Некоторые эксперты на рынке объясняют это тем, что слишком много средств было вложено в разработку Li─Ion батарей. И инвесторы просто хотят «отбить» вложенные деньги. читайте по ссылке.

Ноутбук ASUS TUF Dash F15 FX516PM-HN090 Full HD, IPS, Intel Core i5 11300H, 8 ГБ, SSD 512 ГБ, GeForce RTX 3060 6 ГБ, Wi-Fi, DOS

Гарантия
12 мес.
Код производителя
90NR05X1-M06020
Операционная система
DOS

Цвет верхней крышки
серый
Материал корпуса
пластик
Конструктивное исполнение
классический
Цифровой блок клавиатуры
нет
Подсветка клавиш
есть
Сканер отпечатка пальца
нет

Тип экрана
IPS
Диагональ экрана (дюйм)
15.6″
Разрешение экрана
Full HD (1920×1080)
Покрытие экрана
матовое
Сенсорный экран
нет
Максимальная частота обновления экрана
144 Гц
Плотность пикселей
141 ppi
Технология динамического обновления экрана
нет

Производитель процессора
Intel
Линейка процессора
Core i5
Модель процессора
11300H
Количество ядер процессора
4
Максимальное число потоков
8
Частота
3.1 ГГц
Автоматическое увеличение частоты
4.4 ГГц
Оперативная памятьТип оперативной памяти
DDR4
Объем оперативной памяти
8 ГБ
Частота оперативной памяти
3200 МГц
Количество слотов под модули памяти
1
Максимальный объем памяти
32 ГБ

Вид графического ускорителя
дискретный и встроенный
Модель встроенной видеокарты
Intel Iris Xe Graphics
Производитель видеочипа
NVIDIA
Модель дискретной видеокарты
GeForce RTX 3060 для ноутбуков
Тип видеопамяти
GDDR6
Объем видеопамяти
6 ГБ
Тактовая частота с ускорением
1525 МГц
Максимальное энергопотребление
85 Вт
Накопители данныхОбщий объем твердотельных накопителей (SSD)
512 ГБ

Общий объем жестких дисков (HDD)
нет
Объем накопителя eMMC
нет
Веб-камера
нет
Встроенный микрофон
есть
Поддержка карт памяти кард-ридером
нет
Оптический привод
нет

Стандарт Wi-Fi
6 (802.11ax)
Порт Ethernet
1000 Mb/s
Беспроводные виды доступа в Интернет
Wi-Fi
Поддержка дополнительных видов передачи данных
Bluetooth 5.2

Видеоразъемы
HDMI
Аудиоразъемы
3.5 мм jack (микрофон/аудио)
Поддержка USB Power Delivery
есть
Дополнительные интерфейсы
Thunderbolt 4
USB разъем 2.0
нет
USB разъем 3.х
3
USB 3.x разъем Type-C
1

Тип аккумулятора
Li-Pol
Емкость аккумулятора
76 Вт*ч
Приблизительное время автономной работы
16.6 ч
Выходная мощность адаптера питания
200 Вт
Дополнительная информация
Комплектация
документация, адаптер питания

Габариты, вес
Глубина
252 мм
Ширина
360 мм
Толщина
19.9 мм
Вес
2 кг

Полимерные электролиты для литий-полимерных аккумуляторов

В этом обзоре обсуждаются современные полимерные электролиты с точки зрения их электрохимических и физических свойств для использования в литий-полимерных батареях. Мы делим полимерные электролиты на две большие категории: твердые полимерные электролиты и гелевые полимерные электролиты (ГПЭ). Сначала представлены требования к характеристикам и механизмы ионного переноса полимерных электролитов.Затем систематически описываются системы твердых полимерных электролитов, включая сухие твердые полимерные электролиты, системы полимер-в-соли (каучукоподобные электролиты) и одноионно-проводящие полимерные электролиты. Твердые полимерные электролиты по-прежнему страдают низкой ионной проводимостью, которая ниже 10 −5 См см −1 . Для дальнейшего улучшения ионной проводимости были изучены многочисленные новые типы литиевых солей, а неорганические наполнители были включены в твердые полимерные электролиты.В разделе, посвященном гелевым полимерным электролитам, кратко описаны типы пластификаторов и методы приготовления ГПЭ. Хотя ионная проводимость ГПЭ может достигать 10 −3 См см −1 , их низкая механическая прочность и плохие межфазные свойства являются препятствиями для их практического применения. Большое внимание уделяется включению неорганических наполнителей в ГПЭ для улучшения их механической прочности, а также транспортных и электрохимических свойств.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова? Литий-ионные батареи

– Arkema.com

Смолы Kynar® для улучшения характеристик аккумулятора

Во время циклов зарядки и разрядки ионы лития проходят через сепаратор и текут туда и обратно между катодом и анодом.Катоды изготавливаются путем связывания частиц активного материала с алюминиевым или медным листом.

Разработанные группой Arkema поливинилиденфторидные смолы Kynar ® PVDF (PVDF) представляют собой оптимизированный ассортимент материалов для литий-ионных аккумуляторов. Эти полимеры могут быть использованы в покрытиях для защиты микропористых сепараторов или в качестве катодных связующих смол .

В частности, полимеры Kynar® и Kynar® Flex обладают многими необходимыми характеристиками для катодных связующих:

  • Исключительная чистота, предотвращающая электрохимический пробой
  • Отличная адгезия к электродам
  • Высокая электрохимическая, термическая и химическая стабильность
  • Простая реализация, солюбилизация

Всегда находясь в авангарде инноваций, группа Arkema разработала Kynar® HSV 900.Эта смола обеспечивает исключительную адгезию при производстве электродов. Он ограничивает необходимое количество смолы Kynar®, одновременно улучшая долговременную работу аккумулятора.

Наши продукты в разработке

Исследования также проводятся в отношении будущих поколений батарей, в которых будут использоваться новые материалы для электродов, например углеродных нанотрубок. В дополнение к улучшению электропроводности электродов, эти наноматериалы увеличивают механическое сопротивление, которое подвергается серьезным испытаниям во время каждого цикла зарядки / перезарядки.В результате оптимизируются производительность и срок службы литий-ионных аккумуляторов.

Кроме того, для катодных материалов следующего поколения потребуются электролиты, стабильные при очень высоком напряжении. Усовершенствованные соли, такие как LiFSI , могут обеспечить такую ​​стабильность электролита, тем самым улучшая характеристики батареи.

Литий-полимерный аккумулятор — Jauch Blog-Seite

Одно можно сказать наверняка: технология литиевых батарей в настоящее время лидирует в области мобильных источников питания.Просто загляните в карман: нет смартфона, который не питался бы от литий-полимерного аккумулятора. С тех пор, как в 1999 году шведский поставщик мобильных телефонов Ericsson выпустил первый мобильный телефон с литий-полимерным аккумулятором, эта технология стала неотъемлемой частью отрасли. Причин много.

Как и литий-ионные батареи, литий-полимерные батареи имеют очень высокую плотность энергии по сравнению с другими химическими элементами и поэтому особенно мощны. В то же время они чрезвычайно долговечны благодаря низкому саморазряду аккумуляторных элементов.

Та же производительность, повышенная гибкость

Гибкость их конструкции делает литий-полимерные батареи особенно привлекательными. В то время как литий-ионные элементы всегда имеют прочный металлический корпус, литий-полимерные элементы заключены только в тонкий слой алюминиевой фольги, ламинированной пластиком. Кроме того, многослойная структура литий-полимерных элементов позволяет создавать батареи значительно более плоской конструкции, чем это возможно с литий-ионными батареями. Благодаря этим двум факторам литий-полимерные батареи доступны практически всех мыслимых размеров.Возможны даже изогнутые конструкции, например, для фитнес-браслетов или умных часов, а также ультратонкие батареи толщиной менее одного миллиметра.

Благодаря своей гибкости и производительности литий-полимерные батареи востребованы не только в мобильной связи и потребительских приложениях, но и в других отраслях, например, в медицине. Однако в то же время высокое напряжение и отсутствие защитного металлического корпуса создают новые проблемы.

Безопасное обращение с литий-полимерными батареями

Во-первых, необходимо учитывать, что элементы литий-полимерной батареи расширяются во время зарядки.Если аккумулятор разряжен, толщина элемента уменьшается. Это явление, известное как «набухание», может вызвать расширение литиевых полимерных элементов на величину до десяти процентов от их первоначальной толщины в течение нескольких циклов. Производители продуктов с батарейным питанием должны учитывать это и соответственно рассчитывать размер батарейного отсека. Кроме того, нельзя размещать компоненты с острыми краями в непосредственной близости от аккумуляторного отсека, так как они могут повредить аккумулятор.

Наконец, литий-полимерные элементы требуют защитной электроники для безопасной работы. Этот «модуль схемы защиты» (PCM) прерывает цепь в критических рабочих условиях, таких как перезарядка, короткое замыкание или глубокая разрядка.

Как видите: литий-полимерные батареи настолько же мощны, насколько и требовательны. По этой причине Jauch поддерживает своих клиентов на протяжении всего этапа проекта: от планирования до разработки правильного аккумуляторного блока и программирования правильной защитной электроники.Обзор всего портфолио литий-полимерных батарей Jauch можно найти здесь.

Если вы хотите узнать больше о производстве, химической функциональности и безопасной эксплуатации литий-полимерных батарей, вы можете загрузить нашу техническую документацию.

Менеджер по маркетингу и связям с общественностью в штаб-квартире нашей компании в Филлинген-Швеннингене — писатель-энтузиаст, страстно любящий слова и Вердер (Бремен).

Какой внешний аккумулятор хороший, литий-ионный или литиево-полимерный?


Оба они похожи и хороши по разным причинам, но в конечном итоге стоимость и функциональность, по-видимому, являются ключевыми определяющими факторами предпочтения.

Разница между Li-ion и Li-Po

Литий-ионный (Li-ion) — Обеспечивает высокую плотность энергии, низкую скорость разряда, не требует специальной подготовки или зарядки перед первым использованием, а общая стоимость относительно невысока.Однако они страдают старением, даже когда не используются. Возможно, вы слышали о жизненных циклах батарей, 500 циклах и т. Д. Батарейные блоки, как правило, имеют внутреннюю схему управления, которая регулирует ток для предотвращения перегрева или взрыва. В результате вы получаете аккумуляторы с длительным сроком службы.

Литий-ионные аккумуляторы обычно помещаются в жесткие упаковки и также не любят холода. Для обеспечения наилучшей производительности используйте / заряжайте при достаточно теплой комнатной температуре. Их легко модифицировать, а высокая плотность энергии привлекает много инвестиций в инновации, повышение безопасности, универсальность использования, например, в электромобилях и т. Д.

Выпуск здоровья и безопасности Высокий риск взрыва при слишком быстрой или неправильной зарядке. Вы можете вспомнить взрывы Samsung Galaxy Note 7 и отзыв продукции в 2016 году. Смартфон был оснащен литий-ионным аккумулятором емкостью 3500 мАч.

Президент Samsung DJ Koh сказал на конференции в Сеуле, Южная Корея, что проблема была вызвана компонентами отрицательного электрода, которые сдулись и вызвали короткое замыкание, которое привело к перегреву и взрывам.

В результате этих проблем стандарты тестирования очень строги.

Литий-полимерный (LiPo) Это может показаться маркетинговым трюком, но основное отличие состоит в том, что вместо жидкого литиевого электролита используется твердый, но гибкий полимерный электролит. Это означает, что тонкие и легкие конструкции могут удерживать немного более высокую удельную энергию, следовательно, хорошее время автономной работы, а при более низкой плотности энергии они относительно намного безопаснее, чем литий-ионные. Но более низкая плотность энергии также означает, что его производство дороже.


Это означает, что этот тип аккумуляторной батареи может выглядеть элегантно, но вы не получите от нее столько энергии, сколько от литий-ионной аккумуляторной батареи.Если аккумуляторные элементы неисправны, аккумуляторный блок также может пострадать от высоких температур, перегрева и расширения, как это видно на Apple iPhone 3GS. Они могут задымиться, но не взорваться, учитывая низкую удельную энергию батареи этого типа.

Значение

Чтобы сократить расходы и сделать свою продукцию более доступной, значительное число производителей в основном выбирают литий-ионные. Многие гаджеты, такие как аккумуляторы, смартфоны, ноутбуки, планшеты, электронные книги, MP3 / 4-плееры, беспроводные устройства и т. Д.сделаны из литий-ионных аккумуляторных элементов, которые обычно имеют номинальное напряжение 3,7 В.

Некоторые гаджеты поставляются с задними панелями Li-po аккумуляторных батарей, которые дают дополнительное преимущество, заключающееся в возможности увеличения напряжения за счет добавления большего количества ячеек в аккумуляторный блок из гибкого пластикового контейнера.

Когда вы добавляете автоматический выключатель или блок управления внутренней цепью для контроля рабочей температуры, входной / выходной мощности, уровня заряда и т. Д. (Чтобы гарантировать, что они не взорвутся), вы технически получаете блок питания.

Проблемы здоровья и безопасности

Все типы батарей подвержены разным уровням риска возгорания / взрыва из-за природы электрического тока. Имея это в виду, солнечные аккумуляторы HetoGrow имеют двойную защиту от перезарядки и разрядки. Это очень важно для регионов с нестабильностью напряжения. Для получения дополнительной информации об этом риске см. — Может ли Power Bank взорваться без какого-либо триггерного фактора?

Надеюсь это поможет.

https://www.hetogrowshop.com/shop

Развитие и будущее литий-ионных батарей

Всего 25 лет назад (1991 г.) Sony Corporation анонсировала новый продукт, названный литий-ионным аккумулятором. Это объявление последовало вслед за отзывом продукции телефонов, в которых использовались литиевые батареи Moli Energy / MoS 2 из-за вентиляционного отверстия с пламенем, вызывающего травмы пользователя. 1 Sony (как и ряд других компаний) пыталась разработать литий-металлическую батарею с положительным электродом из диоксида марганца, но также имела проблемы с безопасностью в этой системе.Автор знаком с этими инцидентами, связанными с безопасностью, поскольку он одновременно работал в исследовательской лаборатории Energizer с системами Li / MnO 2 . Тестируемые элементы будут показывать признаки дендритного короткого замыкания лития (наблюдаемого как всплески отрицательного напряжения во время заряда), за которым следует случайный и непредсказуемый взрыв элементов. Интерес к технологии металлического лития был обусловлен высокой удельной энергией и плотностью энергии этих элементов. Улучшение по сравнению с предыдущими водными системами было связано с высоким потенциалом ячейки и низким атомным весом лития по сравнению со всеми другими исследованными материалами отрицательного электрода.Были исследованы и другие литиевые батареи — в частности, система Li / TiS 2 группой Exxon и система Li / NbSe 3 группой Bell Laboratory. 2 Система Exxon страдала от проблем с безопасностью, и было установлено, что небезопасен не только литиевый отрицательный электрод, но и электролит, состоящий из соли LiClO 4 , растворенной в эфирном растворителе (в основном диоксолане). чувствительны и могут взорваться при достаточно сильном ударе.Срок службы также был очень ограничен из-за низкой эффективности повторного использования литиевого электрода. В большинстве исследований использовался избыток металлического лития в элементе, чтобы обеспечить очевидное повышение эффективности, но когда избыток лития был израсходован, емкость быстро падала с каждым циклом. Эта работа с литием, хотя и безуспешная, привела к значительному изучению процесса и требований к материалам. Было обнаружено, что вторичные элементы намного более чувствительны к таким примесям, как вода в электролите и материалах электродов.Кроме того, было обнаружено, что методы обработки отличаются от методов обработки первичных батарей. Эта работа помогла развить литий-ионную батарею до превосходного состояния существующих систем. В этой статье рассматривается работа с литий-металлическими батареями, которая привела к изобретению и разработке литий-ионной системы. Батарея в том виде, в котором она была разработана впервые и существует сегодня, и, наконец, обсуждаются недостатки существующей системы и возможные улучшения, которые определят будущие возможности литий-ионной батареи.Разработка совершенно новых систем, таких как другие металлические аноды, другие системы вставки, такие как ионно-натриевые батареи, системы с газообразным или жидким катодом, здесь не рассматривается, но читатель должен знать, что другая концепция аккумуляторных батарей может вытеснить по крайней мере, некоторые из применений литий-ионных батарей из-за более высокой энергии, мощности, большей безопасности или более низкой стоимости.

Несмотря на то, что Sony была явно первой, кто начал производить и продавать литий-ионные батареи, ряд предыдущих исследований были прелюдией к продукту 1991 года.Идея батареи, в которой ион лития обратимо перемещается между положительным и отрицательным электродами, была впервые сформулирована Арманом в конце 1970-х годов с использованием интеркаляционных материалов с разными потенциалами для двух электродов, и ее часто называют батареей кресла-качалки из-за того, что поток ионов лития назад и вперед между двумя электродами. 3 Идея была быстро подхвачена Лаццари и Скросати и реализована с помощью электрода из литированного диоксида вольфрама и электрода из дисульфида титана. 4 Диапазон потенциалов составлял от 0,8 до 2,1 вольт, и оба электрода имели высокую молекулярную массу, но важный принцип был установлен, поскольку ячейка работала более 60 циклов, хотя напряжение заряда было ограничено примерно 2,2 В, а разряд разрядки примерно 1,6 V.

Основополагающим открытием лаборатории Гуденаф 5 была способность семейства литированных оксидов переходных металлов структуры NaFeO 2 обратимо деинтеркалировать и реинтеркалировать ионы лития при относительно высоких потенциалах (но напряжение было ограничено для предотвращения окисление электролита).Было обнаружено, что никель и кобальт, а также их смеси с Mn, Al, Fe и т. Д. Обладают этой способностью, и более позднее использование этого запатентованного материала (LiCoO 2 ) сформировало активный положительный материал литий-ионной батареи Sony. Чуть позже JC Hunter из Eveready Laboratories 6 открыл новую форму MnO 2 , обозначенную как λ-форма, со структурой шпинели и полученную из LiMn 2 O 4 (также шпинельная форма) , который может быть обратимо восстановлен и окислен в неводном электролите при высоком потенциале, аналогичном потенциалу LiCoO 2 с аналогичной емкостью.Этот материал позже был также выбран для ряда высокопроизводительных батарей для коммерческого применения.

Открытие подходящих материалов для отрицательного электрода было несколько сложнее, чем для материалов для положительного электрода. Ранние работы с графитом и углеродистыми материалами показали, что ионы лития могут интеркалировать, процесс осложнялся совместной интеркаляцией молекул растворителя, во время которой происходило восстановление растворителя и разрушение углеродной структуры. 7 Ранние работы с графитовыми электродами, такие как ранний патент Басу из Bell Laboratories, 8 или Язами из Университета Гренобля, 9 , не учитывали этот фактор и были бы неудачными в практических батареях.Важное открытие Фонга, фон Сакена и Дана показало, что нефтяной кокс намного лучше графита по устойчивости к совместной интеркаляции и восстановлению растворителя, в то время как добавление этиленкарбоната к ПК значительно улучшило стойкость как графита, так и нефтяного кокса. 10 Тем не менее, Ёсино и его коллеги из Asahi Kasei (японский поставщик сепараторов и электролитов для аккумуляторов) уже описали преимущества низкотемпературных углеродов, таких как нефтяной кокс, в оригинальном патенте 11 , который позволил идентифицировать Ёсино как Истинный изобретатель литий-ионного аккумулятора.В этом патенте комбинация кокса с более низкой температурой (температура прокаливания предпочтительно составляет от 800 до 1600 ° C и формула, включающая параметры рентгеновского излучения L c и ρ) и материала LiCoO 2 , слегка модифицированного по сравнению с материалом, предложенным Гуденафом. Промышленный кокс, используемый группой Dahn, подвергался термообработке при температуре приблизительно 1300 ° C, и поэтому был сопоставим с коксом, используемым Yoshino et al., А обратимая производительность кокса, циклически обрабатываемого с низкой скоростью, была только вдвое меньше, чем у графита (x в Li x C 6 было 0.5 для кокса и 1,0 для графита). Поскольку Йошино и др. использовались чистые исходные материалы, а не нефть, в большинстве случаев чистота кокса была намного выше, чем у тех, которые использовались группой Дана. Еще одним различием в двух исследованиях была соль, используемая в электролитах. Группа Дана использовала LiAsF 6 , который, по мнению многих исследователей, является одной из лучших солей электролита для вторичных литий-металлических батарей, но Yoshino et al. использовали LiClO 4 , LiBF 4 и LIPF 6 , которые обычно использовались в Японии для первичных литий-металлических батарей в Японии.Йошино и др. также изучали различные связующие, включая полиметилметакрилат, поливинилидинфторид и различные эластомеры, в то время как группа Дана использовала только этиленпропилендиеновый мономер (EPDM), который широко использовался для вторичных литий-металлических батарей. Группа Дана протестировала углеродистый положительный электрод против лития вместо оксида металла. Поэтому они не наблюдали сильной коррозии алюминиевого носителя положительного электрода с электролитом LiAsF 6 .Автор наблюдал такую ​​коррозию в экспериментах с полными ячейками с ячейками (Cu-C / LiCoO 2 -Al) в более поздних экспериментах, которые позволили бы избежать использования этой соли в полных ячейках. 12 Наконец, все сепараторы, используемые группой Dahn, были из микропористого полипропилена, в то время как Yoshino et al. рекомендовали микропористый полиолефиновый сепаратор и часто использовали полиэтилен, а не полипропилен. Asahi Kasei опубликовал в Интернете профиль доктора Йошино и его работы над литий-ионными батареями, который включает большую часть этой ранней работы. 13 Позже Asahi Kasei создала совместное предприятие для создания корпорации A&T Battery Corp. по производству литий-ионных аккумуляторов. Сейчас A&T работает как дочерняя компания Toshiba.

В то время как основные элементы литий-ионной батареи были изложены Йошино и др., Потребовалось множество исследований, чтобы создать действительно коммерческую батарею с превосходными свойствами по сравнению с никель-кадмиевыми и недавно обнаруженными никель-металлогидридными батареями. Потребность была велика из-за недостатков этих более ранних батарей, в частности из-за эффекта памяти, низкой удельной энергии, плохого удержания заряда и экологических проблем, связанных с кадмиевой системой. 14 Кроме того, быстро развивалась электронная промышленность, особенно в так называемых 3С вычислений, связи и камер. Sony была ведущей компанией в области потребительской электроники и продемонстрировала готовность выпустить новаторские продукты, которых раньше не было на рынке. Sony была относительно новичком в аккумуляторном бизнесе, изучая технологию и бизнес щелочных первичных элементов через совместное предприятие с Union Carbide Battery Products Division, но разорвала договоренность в 1986 году и начала серьезно работать над перезаряжаемыми батареями. 15 Некоторые из основных элементов разработки Sony обсуждались Йошио Ниси 16,17 (специалист по электролитам и углеродным материалам в батареях) и Кадзунори Одзава 18 (эксперт по покрытиям, привезенный с магнитной ленты). отдел по надзору за разработкой электродов).

Первоначальная разработка использовала низкотемпературный кокс (температура термообработки 1200 ° C) для отрицательного электрода из-за хорошей стабильности с электролитами, даже несмотря на то, что удельная емкость была низкой. 17 Для отрицательного электрода второго поколения кокс был заменен твердым углеродом (первоначально полученным из полифурфурилового спирта) с более высокой удельной емкостью. 17,19 Твердый углеродный негатив имеет наклонную кривую разгрузки, но имеет более высокую удельную энергию, чем кокс, хорошую безопасность и лучшую производительность, чем многие виды кокса. 17,20 Еще более поздней разработкой стали широко используемые сейчас мезофазные углеродные микрогранулы (MCMB). Этот тип углерода получают путем термической обработки материала-предшественника, обычно используемого для изготовления искусственного графита (такого как нефтяной пек), до умеренной температуры, такой как 400 ° C, вызывая образование мезофазы сферических частиц, закалку до более низкой температуры для стабилизации частицы мезофазы и извлечение изотропного материала, окружающего сферы.Затем скопление частиц повторно нагревается до более высокой температуры для улучшения графитации. Доказано, что MCMB обладают превосходными свойствами для многих литий-ионных аккумуляторов (особенно для термообработанных при высокой температуре — 2600 ° C — с почти сферической формой и, следовательно, с малой площадью поверхности по сравнению с размером частиц и высокой степенью графитизации), что дает еще более высокая удельная емкость и плоский профиль нагнетания. 19 Материал положительного электрода, LiCoO 2 , был тщательно разработан, чтобы иметь более крупный размер частиц и хорошую кристалличность.Работа с частицами меньшего размера привела к проблемам безопасности. Процесс включал гранулирование ПВС, Co 3 O 4 и избытка Li 2 CO 3 и прокаливание на воздухе с фиксированным содержанием CO 2 . 17 Хотя изначально использовался коммерческий поливинилидендфторид (PVDF), незадолго до появления продукта было обнаружено отсутствие адгезии материала положительного электрода. В рамках краш-проекта с Kureha Chemical Ind. Co. был разработан улучшенный материал путем прививки ангидрида карбоновой кислоты на PVDF, что значительно улучшило адгезию к алюминиевой фольге-носителю. 17 Ozawa 18 упоминает способность Sony производить магнитную ленту как полезную при производстве покрытых электродов. Нет сомнений в том, что часть этого опыта включала использование превосходного производственного оборудования для нанесения покрытий, но, как подтвердил Тору Нагаура, 21 , один из ключевых инженеров проекта, особый вид высокоэнергетического перемешивания суспензии для нанесения покрытия был также имеет большое значение. Одзава также упоминает, что железные банки с никелевым покрытием были критически важны для успеха проекта, потому что нержавеющие банки, первоначально выбранные из-за присутствия следовых количеств HF, оказались слишком высокими для предполагаемых применений.В качестве сепаратора был выбран микропористый полиэтилен, растянутый по двум осям. 16 Выбранный размер ячейки составлял 18650 (в соответствии с принятой номенклатурой для цилиндрических литиевых первичных элементов, первые два числа представляют диаметр в мм, а остальные числа представляют высоту ячейки в десятых долях мм — таким образом, обычная плоская ячейка 2016 года диаметром 20 мм и высотой 16 десятых миллиметра). Этот выбор близок к объему перезаряжаемых никелевых батарей subC, самого популярного в то время размера для небольших электронных устройств (17.9 см 3 для subC и 16,5 см 3 для размера 18650) и уникальна для литий-ионных аккумуляторов, так что никель-кадмиевый аккумулятор 1,2 В или NIMH не может заменить литий-ионный элемент или наоборот. Выбранный электролит представлял собой этиленкарбонат с линейным диалкилкарбонатом, очень похожий на используемые в настоящее время диметилкарбонат и диэтилкарбонат, а соль представляла собой LiPF 6 высокой чистоты и состояния сухости. 18 Этот полностью карбонатный растворитель имел важное свойство стойкости к окислению примерно до 4.5 В. Последующие усовершенствования электролита в основном включали использование добавок для улучшения пассивирующей пленки на негативном материале, улучшения устойчивости электролита к окислению по отношению к позитивному активному материалу и в некоторых случаях снижения воспламеняемости электролита.

Оригинальный продукт Sony с коксовым негативом имел плотность энергии 200 Втч / л и удельную энергию 80 Втч / кг с ограничением заряда 4,1 В. Элемент с твердым углеродным негативом имел 295 Втч / л и 120 Втч / кг с а 4.Ограничение заряда 2 В. При более позднем использовании отрицательного материала MCMB значения энергии составили 400 Втч / л и 155 Втч / кг. 17 В то время как Sony оставалась лидером отрасли в течение некоторого времени, конкуренция со стороны многих других производителей 22 в конечном итоге привела к запланированному уходу Sony с рынка аккумуляторов с предполагаемой передачей бизнеса аккумуляторов группе Murata. 23

Современный рынок литий-ионных аккумуляторов намного сложнее, чем рынок оригинальных небольших электронных устройств для рынка 3C, упомянутых выше.Было открыто множество дополнительных рынков для небольших устройств, таких как игрушки, освещение (ЖК-дисплеи и флуоресцентные лампы), электронные сигареты и испарители, медицинские устройства и многие другие. Открытие 24,25 того, что литий-ионные аккумуляторные батареи с размерами 18650, 26700 и 26650 могут быть разработаны для работы с гораздо большей мощностью, чем предполагалось изначально, открыло рынки для портативных электрических инструментов, садовых инструментов, электронных велосипедов и многих других продуктов. В то время как элементы 18650 с высокой энергией теперь имеют до 3,4 Ач, элементы с высокой мощностью пожертвовали некоторой емкостью, чтобы получить способность к непрерывному разряду 20 А или выше при размере ячейки 18650.В то время как некоторые элементы заявляют о емкости до 2,5 Ач, трудно поддерживать такую ​​высокую емкость во время работы на велосипеде. Исследования моделирования, проведенные Reimers 26 и Spotnitz с соавторами 27 , ясно показывают важный эффект от использования нескольких вкладок и их размещения. Другими важными переменными конструкции являются толщина электрода, содержание углерода в положительном электроде, пористость электродов и тип углерода, используемого в отрицательном электроде.

Кроме того, нанесение керамического покрытия на сепаратор или положительный электрод оказало положительное влияние на предотвращение внутреннего короткого замыкания во время цикла из-за случайного присутствия металлических частиц на поверхности электродов.Эти частицы мелкие и обычно находятся в воздухе и часто возникают в результате механического разрезания электродов. Сепаратор имеет толщину всего порядка 12-25 мкм, поэтому концепция, согласно которой очень маленькие проводящие частицы могут проникать в сепаратор и вызывать короткое замыкание, была признана основным механизмом отказа литий-ионных батарей. Такие покрытия сепаратора могут быть на одной или обеих сторонах полиолефинового сепаратора и могут быть толщиной до 2 мкм. Дополнительные преимущества покрытия сепаратора — это значительно меньшая усадка сепаратора при температурах отключения (отключение тока из-за плавления сепаратора может быть неудачным, если сепаратор сжимается до такой степени, что разрешен прямой контакт между анодом и катодом), лучшая цикличность в случай, когда слабое короткое замыкание снижает емкость во время цикла, не вызывая нарушения безопасности, и улучшенное смачивание электролита из-за легко смачиваемой керамической фазы неорганического оксида. 28,29 Еще более сложные покрытия становятся обычным явлением, например, сепаратор Sumitomo, используемый Panasonic и Tesla Motors, включает покрытие с керамическими частицами, а также ароматическим полиамидом (арамидным полимером) для увеличения прочности покрытия на проникновение. 30

Хотя трудно получить подтверждение от производителей аккумуляторов, кажется очевидным, что кремний в небольших количествах теперь добавляется в отрицательный электрод на основе графита. 31 Чрезвычайно высокая удельная емкость анодов из литий-кремниевого сплава (более 3000 мАч / г по сравнению с максимальным значением 372 мАч / г для графита) означает, что даже небольшое количество кремния, включенного в частицы графита, оказывает заметное влияние на удельную емкость отрицательного электрода. 32 Уже исследовано множество способов нанесения небольшого количества кремниевых микрочастиц или наночастиц на поверхность частиц графита, и каждый поставщик графита использует свой собственный процесс. Например, сейчас широко доступны материалы от 400 до 500 мАч / г, которые, несомненно, используются в литий-ионных батареях премиум-класса, обеспечивающих емкость более 3 Ач в ячейках 18650. Эти элементы имеют длительный срок службы, а также большую емкость и лишь немного дороже обычных графитовых элементов.

В настоящее время широко используемые катодные материалы включают оригинальный LiCoO 2 (сокращенно LCO) и LiMn 2 O 4 (сокращенно LMO). Отличным и все еще развивающимся материалом является LiNi x Mn y Co 1-xy O 2 (обычно называемый NMC и имеющий ту же структуру R3-m в исходном патенте Гуденаф 5 , за исключением некоторых заказов в слой переходного металла). Индексы обычно называются их атомными отношениями как 532, 442 или 811 (за исключением первоначально исследованного x = y = 1/3, который называется 333 или 111).Чаще всего используются материалы 111 и 532. Кроме того, весьма конкурентоспособным материалом является LiNi 0,80 Co 0,15 Al 0,05 (NCA), также имеющий слоистую структуру R3-m. Более новый материал, разработанный на конкурсной основе несколькими группами, — это LiFePO 4 (LFP) с одномерной туннельной структурой. Каждый из этих материалов имеет определенные преимущества и недостатки и применяется в различных областях. В таблице I приведены основные свойства, преимущества и недостатки, а также основные области применения в настоящее время.

Таблица I. Свойства различных катодных материалов, используемых в коммерческих литий-ионных батареях в настоящее время, а также преимущества, недостатки и применения в полных элементах. LCO — это LiCoO 2 , LMO — это LiMn 2 O 4 , NCA — это LiNi 0,8 Co 0,15 O 2 , NMC — LiNI x Mn xy y Co 1- 2 , а LFP — LiFePO 4 .

Материал катода Среднее напряжение vs.Ли (C / 20) Удельная емкость (Ач / кг) Преимущества Недостатки Приложения
LCO 3,9 155 Обычное использование, хороший срок службы, хорошая энергия Термическая стабильность в умеренно заряженном состоянии, В основном портативная электроника меньшего размера (3C)
LMO 4,0 100–120 Очень хорошая термическая стабильность, недорогой, очень хорошая мощность Средний срок службы, низкое энергопотребление Приложения с более высокой мощностью, такие как электроинструменты и электродвигатели
NCA 3.7 180 Очень хорошая энергия, хорошая мощность, хороший срок службы Умеренно заряженное состояние, термостойкость, чувствительность к влаге даже в разряженном состоянии Отлично подходит для двигателей и электронных приложений премиум-класса
NMC 3,8 160 Очень хорошее сочетание свойств (энергия, мощность, срок службы и термическая стабильность) Патентные вопросы Портативные и мощные устройства, включая электроинструменты и электромобили
LFP 3.4 160 Очень хорошая термическая стабильность и долговечность, хорошая мощность Низкая энергия, особые условия подготовки В основном используется в устройствах большой мощности, таких как электроинструменты и накопители энергии, патентные вопросы

Снимок индустрии аккумуляторов в начале 2015 года можно получить из работы Pillot, 22 , которая теперь доступна в Интернете. Pillot имеет репутацию поставщика точных данных о текущем производстве, а также консервативного подхода к экстраполированным значениям для будущего производства.Ссылка на Pillot 22 показывает, что использование LCO в батареях по-прежнему является самым большим — 45 килотонн (KT) материала, но определенно стабилизируется. Далее следует использование NMC — 35 тыс. Тонн и оно растет, затем — LMO — 18 тыс. Тонн и несколько увеличивается, LFP на 10 тыс. Тонн, кажется, выравнивается, а NCA — примерно на 9 тыс. Тонн — сильно растет. Проблемы с расходами и поставками ограничивают потенциал роста LCO, и по-прежнему возникают инциденты, связанные с безопасностью, особенно с производителями ячеек меньшего объема. В двух новейших приложениях, электронных сигаретах и ​​так называемых ховербордах (2-колесные самобалансирующиеся доски), сообщалось о многочисленных инцидентах, связанных с безопасностью, в которых литий-ионные батареи загорелись и загорелись, что привело к травмам и материальному ущербу.В документе Управления пожарной охраны США в 2014 г. сообщалось как минимум о 25 пожарах, связанных с ионно-литиевыми батареями в электронных сигаретах, с тех пор в различных средствах массовой информации сообщалось о 33 и многих других. CNet сообщает, что в результате более 60 пожаров Комиссия по безопасности потребительских товаров США отозвала более 501 000 ховербордов. 34 Безусловно, в интересах аккумуляторной индустрии активно реагировать, чтобы как можно быстрее предотвратить такие события. Частью расследования таких инцидентов должно быть определение компонентов элементов, в частности катода, сепаратора и электролита.Быстрый рост NMC отчасти объясняется гибкостью материала как для высокоэнергетических, так и для высокомощных применений. Таким образом, многие аккумуляторные батареи для электроинструментов, в которых первоначально в качестве катодного материала использовался ЖИО, теперь имеют NMC. Кроме того, приложения бытовой электроники часто используют NMC из-за более простых производственных процессов, чем NCA, и из-за различной геометрии ячеек, возможных с этим материалом (цилиндрические, мешочные и прямоугольные ячейки). Недостатком, перечисленным в таблице I, является проблема патента. Это сложный юридический вопрос, но два патентообладателя, BASF-Аргоннская национальная лаборатория и 3M, имеют в США конкурирующие патенты на аналогичные материалы с избытком лития и марганца, что создает трудности для батарей, продаваемых в США.NCA используется несколькими крупными производителями, такими как SAFT и Panasonic, для производства высокоэнергетических, а в некоторых случаях и высокомощных элементов. Как правило, это элементы премиум-класса, поэтому они имеют самую высокую стоимость. LFP имеет более низкую плотность энергии из-за более низкого напряжения и, как правило, более низкой плотности отводов, но из-за его хорошей мощности и хорошей термической стабильности с хорошим эффектом используется в более жестких приложениях, таких как электронные велосипеды. Читателю рекомендуется обратиться к справочнику 35 для получения информации о конструктивных деталях и других измерениях свойств этих материалов.

Есть несколько недостатков современных литий-ионных аккумуляторов, которые, если их исправить с помощью подходящей простоты и затратных параметров, позволят создать литий-ионные аккумуляторы более высокого качества, которые могут открыть новые области применения и расширить рынок для существующих. В этом разделе обсуждаются недостатки литий-ионного аккумулятора и возможные подходы к совершенствованию технологии. Во-первых, важно учитывать определенные рыночные факторы, которые будут иметь важные последствия для стоимости, доступности материалов и необходимых технологических усовершенствований, чтобы обеспечить массовое производство различных типов и размеров ячеек.

Рыночный приток сильно влияет на производителей литий-ионных аккумуляторов, поскольку прикладные компании и правительства по всему миру просят увеличить мощность и энергию с меньшими затратами для удовлетворения потребностей в сокращении выбросов парниковых газов за счет внедрения электромобилей всех типов для замены нефти и газа. хранение энергии, чтобы периодически возникающие возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, могли заменить уголь и природный газ для производства энергии. Элемент затрат особенно важен, например, для силовых двигателей, особенно для гибридных транспортных средств с подзарядкой от электросети (PHEV) и электромобилей с аккумуляторной батареей (BEV).По последним оценкам, стоимость производства литий-ионных элементов составляет всего 145 долларов за кВт · ч, а стоимость аккумуляторной батареи — всего 190 долларов за кВт · ч. 36 Цель большинства производителей автомобилей и Министерства энергетики США — 125 долларов за кВт / ч для аккумуляторной батареи. 37 В то время как Tesla Motors Model S BEV имеет батарею от 60 до 100 кВтч, новый Chevrolet Bolt BEV будет иметь батарею 60 кВтч, а Tesla Model 3 будет иметь аккумуляторную батарею «менее» 60 кВтч, когда она доступна. Последние модели являются первыми БЭВ на массовом рынке, которые будут иметь дальность действия более 200 миль (320 км), что, как считается, является требованием для всеобщего признания.В таблицах II и III приведены данные о многих BEV и PHEV в текущем производстве, включая размеры аккумуляторов и расчетные диапазоны значений Агентства по охране окружающей среды США (EPA), ранжированные по текущим продажам в США.

Таблица II. Аккумуляторы для нынешних аккумуляторных электромобилей, продаваемых в США.

Производитель Модель Емкость аккумулятора (кВтч) Аккумуляторная химия Поставщик аккумуляторов Запас хода (миль) Запас хода (км)
тесла S 60–100 С / NCA Panasonic / Тесла 208–315 334–508
тесла Х 60–100 С / NCA Пансоник / Тесла 208–315 334–508
BMW i3 22,33 К / NMC Samsung / Bosch 80,114 129 183
Nissan Лист 24,30 C / LMO (C / NMC) AESC и LG Chem 84,107 135 172
Volkswagen Электронный Гольф 24,35.8 К / NMC Pansonic (Sanyo Div.) 83,124 135 200
Шевроле Искра 19 C / LFP A123 82 132
Fiat 500e 24 К / NMC Samsung / Bosch 87 140
Киа Душа EV 27 К / NMC СК инновации 90 145
Смарт Fortwo EV 17.6 К / NMC LG Chem 68 109
Форд Фокус EV 35,5 К / NMC LG Chem 100 160
Мерседес B-Класс Электрический 28 C / NCA, (C / NMC) Panasonic / Tesla и SK Innovation 85 137
Митсубиси I 16 LTO / LMO Toshiba 62 100
Honda * Подходит EV 20 LTO / LMO Toshiba 82 132
Тойота * РАВ4 ЭВ 41.8 C / NCA? Panasonic / Тесла 113 182

* Модели, снятые с производства. В процессе смены поставщиков. Примечание: NCA = LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 ; NMC = LiNi 1-x-y Mn x Co y ; LMO = LiMn 2 O 4 ; C = графит; LTO = Li 4 Ti 5 O 12 .

Таблица III. Аккумуляторы для нынешних подключаемых к сети гибридных электромобилей, продаваемых в США.

Производитель Модель Емкость аккумулятора (кВтч) Электрический диапазон (миль) Аккумуляторная химия Поставщик аккумуляторов Электрический диапазон (км)
Шевроле Вольт 18,4 53 К / NMC LG Chem 85
Форд Fusion Energi 7.6 21 К / NMC Panasonic 32
Форд C-Max Energi 7,6 21 К / NMC Panasonic 32
BMW Х5 9,2 14 К / NMC Samsung / Bosch 22
Hyundai Разъем Sonata 9,8 27 К / NMC LG Chem 43
Audi Разъем A3 8.8 16 К / NMC Panasonic (Sanyo Div.) 26
Volvo XC90 Разъем 9,2 25 К / NMC LG Chem 40
BMW i8 7,1 23 К / NMC Samsung / Bosch 37
Порше Cayenne SE-гибрид 10,8 14 К / NMC Samsung / Bosch 22
BMW Плагин 3 серии 7.6 14 К / NMC Samsung / Bosch 22
Мерседес S550 Разъем 6,4 20 К / NMC Panasonic (Sanyo Div.) 32
Мерседес GLE 550E Гибрид 8,8 19 C / NCA и C / NMC Tesla и SK Innovation 30
Порше Panamera SE-Гибрид 9.4 22 К / NMC Samsung / Bosch 35
Кадиллак ELR 17,1 39 К / NMC LG Chem 60

Смена поставщика Примечание: NCA = LiNi 0,8 Co 0,15 Al 0,05 ; NMC = LiNi 1-x-y Mn x Co y ; C = графит.

Обратите внимание, что только очень дорогие модели Tesla имеют радиус действия 200 или более миль в Таблице II.Chevrolet Bolt и Tesla Model 3 не были включены, потому что они еще не производятся, а точный размер батареи и диапазон еще не доступны. Значения в Таблице III для транспортных средств PHEV имеют широкий разброс по размеру батареи от примерно 6 до 18 кВтч и всему электрическому диапазону от примерно 14 до 50 миль (от 22 до 80 км). Очевидно, что производители автомобилей не пришли к единому мнению, какой диапазон является приемлемым для потребителей, учитывая, что больший диапазон означает более высокую стоимость аккумулятора. Это может быть причиной того, что продажи электромобилей в 2015 году во всем мире были выше, чем продажи PHEV. 22 Всего несколько лет назад PHEV был широко рассматриваемым промежуточным этапом на пути к электрификации транспортных средств, но похоже, что потребители, заинтересованные в электрификации, скорее предпочтут электромобили, чем довольствоваться PHEV, по крайней мере, в настоящее время. Такое признание потребителя окажет сильное влияние на объем производимых литий-ионных батарей в общей сумме кВтч и увеличит давление на производителей аккумуляторов, чтобы они снизили стоимость и увеличили удельную энергию своего продукта.

Вторая область основных производственных возможностей — это накопление энергии в связи со стабилизацией и накоплением для электрической сети.Эта область во многом определяется требованиями государственных нормативных актов и стимулов, позволяющих использовать возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая генерация, которые по своей природе являются прерывистыми, для удовлетворения потребностей производителей и потребителей электроэнергии. 38 Многие государственные и частные демонстрационные проекты реализуются по всему миру, и очень много схем накопления энергии, включая альтернативные накопительные устройства, такие как гидроаккумулятор, сжатый воздух, маховики и т. Д., А также многие типы батарей, такие как проточные батареи (в основном водные на данный момент), свинцово-кислотные, высокотемпературные и другие, помимо иона лития.В то время как другие методы не относятся к этой работе, факт, что многие из демонстраций используют ион лития из-за длительного срока службы и календарного срока службы, возможного при консервативных режимах зарядки и разрядки. Кроме того, стоимость является очень важным фактором при использовании литий-ионных аккумуляторов, но некоторые приложения, такие как стабилизация частоты, не так чувствительны к стоимости. Если для этих применений будут приняты литий-ионные батареи, большие требования будут предъявляться к доступности материалов, особенно карбоната лития.Вероятно, что для литий-ионных батарей будет использоваться очень консервативный подход, в то время как по своей сути более безопасные системы, такие как водные проточные батареи, по-прежнему будут видеть больше инноваций для достижения целей низкой стоимости.

Чтобы рассмотреть вероятность улучшения удельной энергии в литий-ионных батареях, нам необходимо учитывать существующие ограничения. Таблица IV дает представление об основных недостатках и возможных средствах их устранения, как их воспринимает автор.

Таблица IV. Недостатки существующих литий-ионных аккумуляторов и возможные способы их устранения.

Местоположение дефицита Дефицит Возможное решение
Углеродистый анод (отрицательный электрод) Плотность низкой емкости (Ач / л) Замена угольного анода на анод из улучшенного сплава, обеспечивающий высокую кулоновскую эффективность, хорошую мощность, низкую необратимую емкость и низкую стоимость с небольшой потерей удельной емкости или напряжения элемента или без нее.
Отрицательная граница раздела электрод-электролит Низкий кулоновский КПД с анодами из сплава, вызванный ростом межфазной границы твердого электролита (SEI) в первом цикле и продолжении цикла Улучшенные покрытия, функциональные связующие и / или добавки к электролиту для защиты границы раздела во время больших изменений объема
Положительный электрод (литированный оксид или фосфат переходного металла) Низкая удельная емкость (Ач / кг) и ограниченное напряжение зарядки Заменить новым катодным материалом, который обеспечивает высокую кулоновскую эффективность, хорошую мощность, низкую необратимую емкость и более низкую стоимость с небольшой потерей плотности емкости или напряжения элемента или без нее.
Положительная граница раздела электрод-электролит Низкая кулоновская эффективность при более высоком напряжении, ограничивающая удельную емкость и срок службы и вызывающая увеличение импеданса ячейки при циклировании Улучшить покрытие катодного материала, связующих и / или добавок к электролиту, которые могут предотвратить увеличение импеданса при циклическом изменении, растворении ионов переходных металлов
Разделитель Проникновение проводящими частицами или дендритами лития Улучшенные покрытия сепараторов, которые не препятствуют потоку ионов, диффузии солей или потоку жидкости, но могут улучшить прочность проникновения или химически соединяться с дендритами лития
Металлоискатели Твердая металлическая фольга увеличивает стоимость и снижает энергию, поскольку она инертна в системе, но должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить соответствующую электрическую и теплопроводность Перфорированные или расширенные металлические коллекторы обычно используются для первичных литиевых батарей и вторичных водных батарей, но не были разработаны для литий-ионных батарей

Как упоминалось ранее, сплавные аноды исследовались для литий-ионных батарей в течение многих лет из-за возможности гораздо более высокой плотности емкости и удельной емкости, чем у углеродистых анодов, даже по сравнению с соединением C 6 Li.Большое изменение объема для большинства сплавов вызывает нарушение защитного слоя на частицах анода, что ограничивает степень коррозии в неводном электролите. Композиты из легирующего металла с углеродом разных типов и температур обработки и различными другими проводниками, такими как нитриды, привели к повышению кулоновской эффективности, так что теперь ряд компаний, похоже, используют комбинацию графита и модифицированного кремния или олова в отрицательном электроде. . Ожидается, что эта работа будет продолжена, и плотность анодной емкости будет продолжать улучшаться, а другие свойства останутся хорошими. 39

Существующие в продаже электролиты литий-ионных аккумуляторов ограничивают потенциал заряда примерно до 4,2 В (за исключением LFP с более низким напряжением), что, в свою очередь, ограничивает величину заряда, которую могут принять материалы катода. Из-за нестабильности LiCoO 2 при более высоких напряжениях из-за потери кислорода, 35 промышленность разработала большую осторожность при применении более высоких зарядных напряжений, и фактически метод зарядки для большинства производителей заключается в использовании заряда постоянным током ( обычно с коэффициентом C / 2 или C) примерно до 4.2 В и заряд постоянного напряжения до тех пор, пока ток не упадет до значения примерно 10% от начального значения. Это позволяет достичь полного заряда за минимальное время нахождения в зарядном устройстве, избегая при этом внезапной потери кислорода и нарушения безопасности. Другие материалы, такие как NMC и NCA, не страдают от потери кислорода и проблем безопасности при более высоком напряжении, но происходит более медленное окислительное разложение электролита, что ограничивает срок службы системы. Эти потери являются результатом чувствительности раствора электролита к окислению при более высоких потенциалах.Многие исследователи пытались покрыть частицы NMC или NCA в качестве примера и получили некоторые обнадеживающие результаты, но пока ни один производитель не принял эту стратегию. 40 Хорошо известно, что большинство электролитов содержат добавки для увеличения срока службы, но, опять же, использование добавок для увеличения срока службы NMC или NCA при зарядке более высоким напряжением еще не реализовано производителями (см., Например, 41 и ссылки в нем). Оба этих подхода являются многообещающими, и может потребоваться комбинация этих двух подходов для обеспечения достаточной стабильности как в цикле, так и в календарном сроке службы системы, использующей относительно стабильный катод, такой как NMC или NCA, возможно, при 4.Зарядный потенциал 6 В и удельная емкость до 230 Ач / кг (улучшение на 30% в расчете на элемент). Недавние исследования старения с течением времени (календарное старение) 42 и циклическое старение путем изучения кулонометрических изменений в зависимости от срока службы, импеданса и других методов, 43 подтвердили первичный эффект коррозии на отрицательном электроде при всех потенциалах и состоянии. заряда (SOC), который сопровождается ростом SEI и параболической скоростью деградации. 44 Также подтверждено разрушение положительного электрода, которое увеличивается с увеличением SOC и оказывает сопутствующее влияние на отрицательный электрод, поскольку окисленные частицы мигрируют с положительного электрода на отрицательный.Существует вторичный эффект, который может быть весьма важным (как в случае положительных электродов LMO), когда ионы марганца (валентный +2) растворяются с положительного электрода при низком SOC и далее восстанавливаются на отрицательном электроде с образованием металлического Mn. Этот Mn состоит из наноразмерных кристаллов, которые могут действовать как катализаторы, значительно увеличивая скорость коррозии на негативе. Все эти реакции уменьшаются за счет разумного выбора добавок к электролиту. Меньшие количества других ионов переходных металлов, таких как Co +3 , Ni +2 или Fe +3 , с катодов LCO, NMC или LFP могут растворяться и мигрировать на отрицательные элементы, что усугубляет коррозию отрицательных элементов, в частности при высоких температурах эксплуатации или хранения.Нет сомнений в том, что изучение добавок к электролиту будет и дальше способствовать совершенствованию литий-ионных аккумуляторов. Другие исследования включают использование новых компонентов растворителей, которые исключают использование этиленкарбоната (компонент во всех коммерческих литий-ионных элементах на сегодняшний день). 45

Было проведено множество исследований новых активных катодных материалов. Открытие того, что слоистые материалы с избытком лития и марганца могут обеспечивать удельную емкость более 200 Ач / кг, было сделано независимо двумя группами.Группа Теккерея в Аргоннской национальной лаборатории описала материалы 46 как композитные материалы с формулой: xLi 2 MnO 3 · (1 — x) LiMn 0,5 Ni 0,5 O 2 , где точка подразумевает комбинацию двух доменов компонентов LiMO 2 и Li 2 M’O 3 , существующих бок о бок. 47 Группа Дана из Университета Далхаузи описала материал того же состава, но записанный как Li [Ni x Li (1/3 + 2x / 3) Mn (2/3-x / 3) ] O 2 , где три компонента: Ni, Li и Mn в скобках и на слое переходного металла представляют собой твердый раствор. 48 Более поздняя работа исследовала добавление Co и других элементов в рецептуру. Интересным аспектом материалов является высокая емкость, когда в качестве предела зарядки используется напряжение до 4,5 В, до 250 Ач / кг. Есть несколько недостатков, которые по-прежнему заслуживают изучения. Первый заряд имеет высокую необратимую емкость, а последующие заряды имеют другой профиль, что означает, что в материале произошли структурные изменения. Материал имеет относительно низкую энергоемкость.Кроме того, время цикла невелико, если не будет выполнено тщательное нанесение покрытия на частицы, а профиль продолжает меняться с медленной скоростью с уменьшением среднего напряжения, поэтому мощность системы продолжает ухудшаться. Эти вопросы и некоторые структурные сложности описаны в недавних обзорах. 49–53 Из этих документов ясно, что с этими материалами остается много проблем, но есть сильный стимул продолжать попытки улучшить их. Недавняя статья Qui et al. 54 представляет доказательства того, что обработка поверхности исходного материала диоксидом углерода приводит к удалению ионов оксида (и ионов лития) с образованием карбоната лития, который можно удалить промывкой водой. Поверхность с дефицитом кислорода намного более устойчива к циклическим нагрузкам и 55] мощности (цикличность стабильна при циклировании 1С), а емкость составляет от 280 до 300 Ач / кг. Кроме того, было обнаружено, что присутствие кислородных вакансий снижает потерю кислорода образцами по сравнению с исходными материалами.Однако потеря напряжения не сильно изменилась, что указывает на необходимость дополнительной работы.

Работа группы Тараскона в College de France отступила на шаг назад по сравнению с вышеупомянутой работой по изучению более простого ряда соединений Li 2 MO 3 , где M — Mn +4 , или смеси катионов. со средней валентностью 4, например, Ru x Mn 1-x , 55 Ni 0,5 Te 0,5 , 56 Ru y Sn 1-y , 57 и Ru y Ti 1-й . 58 Эти материалы обладают высокой емкостью, но свидетельствуют о разной степени затухания напряжения, которое авторы связывают со стабильностью пероксокомплексов в решетке оксида, связанной с типом координации лития и ионов более высокой валентности с ионами оксида. Это предложение аналогично другим, более стабильным дихалькогенидам, таким как FeS 2 (пирит), который имеет дисульфидные дианионы по всей структуре. Использование рутения является проблемой для стоимости катодных материалов, но понимание структурных эффектов на заряженные и разряженные материалы проливает свет на поведение многих из этих материалов с высокой емкостью.Теоретический анализ таких материалов, а также новых материалов, проведенный группой Беркли под руководством Седера, подтвердил, что окружение иона кислорода очень важно для вероятности образования либо дырки на данном кислороде (представляющей окисленный анион), либо пероксоион (аналогично предложенному Тарасконом и др.) и далее развил теорию для предсказания высокой емкости для некоторых неупорядоченных оксидов, содержащих ионы переходных металлов второго d-блока, такие как Nb и Mo. 59 Эта работа также объясняет результаты специфические соединения в структуре каменной соли, которые, как было показано, обладают высокой емкостью и высокими коэффициентами диффузии для иона лития (хорошая способность к скорости).Составы: Li 1,25 Mn 0,5 Nb 0,25 O 2 60 (≈ Li 1,3 Mn 0,4 Nb 0,3 O 2 ) и Li 1,2 Ni 3 Ti 1/3 Mo 2/15 O 2 и, следовательно, два дополнительных материала Li 1,25 Nb 0,25 Mn 0.5O 2 , 61 и Li 1.211 Mo 0,467 Cr 0,3O 2 . 62 Эта работа увлекательна, поскольку она указывает путь к высокой производительности с доступными материалами. Однако большая часть работы выполняется при 50 ° C или выше, что указывает на проблему производительности.

Роль связующего указана выше и в таблице IV по отношению к границе раздела как отрицательного, так и положительного электродов. Последние достижения в области связующих для отрицательных электродов обсуждаются в недавнем обзоре группы Гайомара из Нантского университета. 63 Повышение емкости и стабильности при циклическом изменении для электродов из кремниевого сплава является поразительным и вселяет оптимизм в будущее отрицательных электродов большой емкости в будущем.Пример проводимой работы с так называемым функциональным связующим веществом PEDOT: PSS (поли (3,4-этилендиокситиофен): полистиролсульфонат) для положительных электродов (в данном случае LFP) приведен в работе. 64 Этот материал обладает высокой проводимостью и образует суспензию полиэлектролита, которая также действует как связующее с хорошими реологическими характеристиками. Работа с добавками выходит за рамки данной статьи, но ясно, что они играют важную роль во всех литий-ионных батареях и должны рассматриваться в сочетании с исследованиями связующих для завершения работы по межфазным реакциям.

Как указано в таблице IV, исследования сепаратора по-прежнему важны. Поскольку аспекты безопасности обсуждались выше, только одна ссылка на новые работы по нановолоконным сепараторам включена как типичная для настоящих исследований. 65

Наконец, следует отметить, что несколько исследователей изучают возможность трехмерной архитектуры структур литий-ионных батарей, включая пористые или расширенные металлические коллекторы. Это поможет увеличить плотность аккумуляторов и пространственное использование, если будут разработаны концепции, удобные для производства.Ниже приводится ссылка на типичное исследование анода. 66

Результатом описанных выше достижений, если бы он был реализован, можно было бы получить литий-ионные батареи с удельной энергией 400 Втч / кг с по крайней мере умеренной удельной мощностью. Это означает увеличение примерно на 60% по сравнению с лучшими из сегодняшних 18650 ячеек емкостью 3400 мАч и может произойти в течение следующих нескольких лет. Эта перспектива подтверждает уверенность автора в том, что будущее литий-ионных аккумуляторов по-прежнему радужно, особенно если производители будут внимательно следить за безопасностью производственных процессов и новых конструкций.

Двадцать пять лет назад литий-ионный аккумулятор дебютировал на рынке в результате инновационной работы Asahi Kasei и разработки и маркетинга Sony Corporation. Реализация литий-ионных батарей происходила быстро и продолжала демонстрировать значительный прогресс в области емкости, энергии, мощности и снижения затрат. Безопасность остается серьезной проблемой для отрасли, но развитие технологий сепараторов улучшило перспективы для более безопасных батарей. Благодаря недавнему прогрессу в разработке новых материалов, автор прогнозирует, что литий-ионная батарея будет продолжать улучшать все свои свойства благодаря успешной реализации новых концепций батарей в активных материалах, инертных материалах и конструкциях элементов.

Электроскутеры — Типы аккумуляторов (Полное руководство)

Электроскутеры используют один из следующих типов аккумуляторов:

  • Литий-ионный — Литий-ионный
  • Литий-полимерный — LiPo
  • Литий-железо-фосфатный аккумулятор — LFP
  • Никель-металлогидридный аккумулятор — NiMH
  • Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор — SLA

Самый популярный тип батарей — литиевые, в основном первые 3 в приведенном выше списке.Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы используются в основном на низкоскоростных электросамокатах или «обычных» электросамокатах (тех, которые по размеру близки к газовым скутерам).

Например, в

Razor используется герметичная свинцово-кислотная батарея, а в Qiewa (гораздо более мощный электросамокат) используется литиевая батарея.

Отличия аккумуляторов для электросамокатов

Но в чем разница между этими батареями и какой из них выбрать, если вы решили купить новый электросамокат?

Литий-ионный

vs.Литий-полимерный

Основное различие между литий-ионными и литий-полимерными — это плотность энергии. Литий-ионный имеет значительно более высокую плотность энергии, чем литий-полимерный.

Еще одно отличие состоит в том, что литий-ионные батареи стареют, что означает, что они теряют свою емкость быстрее, чем литий-полимерные батареи.

Литий-ионные батареи

обычно дешевле литий-полимерных.

Вот полная таблица сравнения:

Литий-ионный Литий-полимерный
Плотность энергии Высокая Низкая
КПД (фактическая отдача от накопленной энергии) 85-95% 75-90%
Вес Более тяжелый Легкий
Цена Дешево Дорого
Опасность взрыва Только при перезарядке (зарядные устройства для электросамокатов имеют защиту от перезарядки) Низкий риск
Срок службы Может терять емкость со временем, даже если не используется Не теряйте столько же емкости, сколько литий-ионные батареи

Литиевые батареи и герметичная свинцово-кислотная батарея

Герметичные свинцово-кислотные батареи

дешевле литиевых, но они не обладают такой же эффективностью, мощностью и надежностью, как литий-ионные.

Глубина разряда — еще одно большое различие между этими типами аккумуляторов. Это говорит нам о том, какой процент заряда батареи можно использовать без повреждения батареи. В случае литий-ионных аккумуляторов процент, который можно использовать, составляет до 85%, в то время как свинцово-кислотные батареи не должны разряжаться более чем на 50%, чтобы они работали в течение длительного времени. Проблема здесь в том, что вы можете использовать только половину диапазона электросамоката, что неудобно. Таким образом, вы вынуждены использовать больше и постепенно повреждаете аккумулятор.Вот почему только в более дешевых версиях электросамокатов используются свинцово-кислотные батареи, а в более дорогих — только литиевые.

Эффективность также является разницей: литий-ионный преобразователь до 95% накопленной энергии в реальную энергию, в то время как свинцово-кислотный находится в диапазоне 80-85%. Благодаря этому литий-ионные аккумуляторы заряжаются намного быстрее, чем свинцово-кислотные. Например, Razor может заряжаться до 12 часов, в то время как средний литий-ионный скутер занимает около 2-4 часов в зависимости от емкости аккумулятора.

Стоит также рассмотреть сравнение срока службы

, потому что литий-ионные аккумуляторы прослужат намного больше циклов зарядки, чем свинцово-кислотные аккумуляторы. Литий-ионный может длиться от 500 до 1000 циклов разряда / заряда, в то время как герметичный свинцово-кислотный в среднем длится от 200 до 300.

Но, честно говоря, со свинцово-кислотными аккумуляторами они самые дешевые, поэтому даже если вы заменяете их чаще, чем литий-ионные, они того стоят.

Вот видео сравнения этих типов батарей:

Аккумуляторы LFP

LFP означает литий-железо-фосфат и имеет красивую химическую формулу (LiFePO 4 ), если между нами есть ученые.Электроскутеров, использующих этот тип батареи, не так много, но есть некоторые.

Преимущества, которые предлагает LFP, — это большая стабильность (при зарядке и термическая стабильность), безопасность и более длительный срок службы. Также предполагается, что они лучше сопротивляются старению, чем другие литиевые батареи.

Если они вам интересны, прочтите эту ссылку. Внимание, это может стать техничным.

А как насчет никель-металлогидрида

?

Почему они последние в списке? Что ж, я точно знаю, что видел электросамокаты на никель-металлгидридных батареях, но сейчас я не могу найти на Amazon того, кто бы их использовал! Я мог найти только электровелосипед.

Никель-металлогидридные батареи

имеют высокую плотность энергии, иногда превышающую плотность литий-ионных батарей. Они также более безопасны, потому что в худшем случае они лопаются, но не взрываются, как литий-ионные, при перезарядке. Если вам интересно, взрываются ли батареи для электросамокатов, посмотрите эту статью (и видео) здесь: взрываются ли электросамокаты?

Почему тогда они не более популярны? Первый недостаток — время зарядки, которое обычно составляет 10–12 часов. Это считается слишком длинным для электросамоката, особенно если вы торопитесь.

Также они имеют выход низкого напряжения. По сравнению с литий-ионными батареями, которые могут выдавать 3,7 вольта на элемент, NiMH-элементы выдают только 1,2 вольт.

Они также не подходят для работы в холодных регионах. Литий-ионные аккумуляторы в некоторой степени имеют эту проблему, но они довольно хорошо переносят низкие температуры. Я не вижу падения дальности полета со своим электросамокатом более чем на 15% в холодный день в 41 по Фаренгейту (5 градусов Цельсия).

Никель-металлогидридные батареи

также больше и тяжелее, чем литий-ионные, и если говорить об электронных скутерах, то каждый фунт на счету.

Есть ли у литий-ионных аккумуляторов другие минусы?

У них есть пара. Или даже больше, но я не считаю это важным.

Основные из них в том, что они более дорогие (исходные), чем другие типы батарей, и подвержены старению. Даже если вы не будете их использовать так часто, они со временем будут постепенно разрушаться. Лучший способ продлить срок службы литий-ионного аккумулятора — хранить его в прохладном месте с умеренной влажностью и с зарядом не менее 40%. Это снижает эффект старения. (источник)

Прочие недостатки, но не сильно влияющие на покупателя:

  • Требуется защита при зарядке для предотвращения перезарядки
    • В настоящее время все электросамокаты оснащены зарядным устройством с защитой от перезарядки
  • перевозка затруднена, и ее перевозка в самолете может иметь ограничения.Прочтите эту статью, если вы можете взять свой электросамокат на самолет
  • .
  • незрелая технология

Сколько стоят аккумуляторы для электросамокатов?

Средняя стоимость литиевой батареи составляет от 200 до 300 долларов. Цена аккумулятора на средние модели составляет около 1/3 стоимости электросамоката. Подробнее о стоимости батарей для разных моделей читайте здесь.

Зарядка аккумулятора

Если вам нужны дополнительные советы по зарядке аккумулятора. Что можно и чего нельзя делать, а также советы по хранению батареи, читайте в другой моей статье здесь.

Заключение

Итак? Какой выбрать? Я бы выбрал электросамокат с литий-ионным или литий-полимерным аккумулятором. А вы? Есть ли у вас опыт работы с аккумуляторами для электросамокатов?

Обзор технологии литий-ионных аккумуляторов

Аннотация

Литий-ионные аккумуляторы в качестве источника питания преобладают в портативных электроника, проникающая на рынок электромобилей и находящаяся на грани выхода на рынок коммунальных услуг для хранения сетевой энергии.В зависимости от по применению, компромиссы между различными параметрами производительности — энергия, мощность, срок службы, стоимость, безопасность и воздействие на окружающую среду — это часто необходимы, что связано с серьезными проблемами химического состава материалов. Текущая технология литий-ионных аккумуляторов основана на реакции вставки. электроды и органические жидкие электролиты. С целью увеличения плотность энергии или оптимизировать другие параметры производительности, новые электродные материалы, основанные как на реакции внедрения, так и в основном реакция превращения вместе с твердыми электролитами и металлическим литием анод интенсивно исследуются.Эта статья представляет собой перспективу по литий-ионной технологии, предоставив сначала текущее состояние и затем прогресс и проблемы с текущими подходами. В свете об огромных проблемах с некоторыми подходами, статья наконец, указывает на практически жизнеспособные краткосрочные стратегии.

Краткая аннотация

Представлен взгляд на технологию литий-ионных аккумуляторов. путем предоставления текущего статуса, прогресса и проблем с текущие подходы и практически жизнеспособные краткосрочные стратегии.

Введение

Литий-ионные батареи способствовали революции в микроэлектронике и стали выбором источника питания для портативных электронных устройств. Их триумф на рынке портативной электроники связан с более высокие гравиметрические и объемные плотности энергии, предлагаемые их по сравнению с другими аккумуляторными системами. Более высокая плотность энергии возникает из-за более высоких рабочих напряжений ~ 4 В в результате использование безводных неводных электролитов по сравнению с использованием водных электролитов в других системах, ограничивающих рабочие напряжения в основном до <2 В.Литий-ионные батареи также начали выйти на рынок электромобилей и их активно преследуют для хранения энергии в сети. Энергия, мощность, заряд – разряд скорость, стоимость, срок службы, безопасность и воздействие на окружающую среду - вот некоторые параметров, которые необходимо учитывать при принятии литий-ионных аккумуляторы для различного применения. 1-8 Хотя плотность энергии является наиболее важным фактором для портативной электроники, стоимость, срок службы и безопасность также становятся критическими параметрами наряду с с плотностью энергии (расстояние между зарядами) для электрических транспортных средств.С другой стороны, стоимость, срок службы и безопасность становятся все более важными. важнее, чем плотность энергии для хранения энергии в сети. Желательно чтобы иметь быструю скорость заряда-разряда для всех трех приложений.

Представленные выше параметры производительности во многом определяются по свойствам и характеристикам используемых материалов компонентов в сборке батарей, а также в инженерной и системной вовлечена интеграция. Характеристики используемых материалов полагаться на базовую химию, связанную с материалами.В настоящее время, коммерческая литий-ионная технология в значительной степени ограничена элементами с гравиметрической плотностью энергии <250 Вт · ч · кг –1 и объемной плотностью энергии <650 Вт · ч L –1 . Хотя плотность энергии не критична для хранения в сети, объемная плотность энергии часто более важна для портативной электроники и электромобили. Во всем мире огромный интерес для увеличения плотности энергии до ∼500 Вт · ч · кг –1 и> 1000 Вт · ч · L –1 .Выполнение эта цель непростая; потребуются нововведения как в компоненте материалы, используемые в ячейке и в технике, участвующей в производстве клетки. Следует признать, что постепенные улучшения произведено по плотности энергии с момента первого объявления Sony в 1991 г. Корпорация по коммерциализации литий-ионной технологии во многом благодаря прогрессу в инженерии, поскольку компонентный электрод материалы остались прежними с небольшими изменениями. Разделы ниже представлен текущий статус и направление развития технологии. с последующими выводами.

Текущий Литий-ионная технология

Аноды

Современная литий-ионная технология основано на вставных катодах и анодах () и органических жидких электролитах (например, LiPF 6 соль, растворенная в смеси органических растворителей, такие как этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC), диэтил карбонат (DEC), этилметилкарбонат (EMC) и др.). С действующим напряжение близко к Li / Li + (∼0,1 В против Li / Li + ) и емкость 372 А · ч · кг –1 , что соответствует к введению одного Li на шесть атомов углерода, чтобы получить LiC 6 , графит () преобладал в качестве анода в коммерческих литий-ионных элементах для последние 25 лет. 9 Хотя окислительно-восстановительная энергия графита находится выше самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО) используемых органических электролитов, образование стабильного твердого вещества межфазный слой электролита (SEI) на поверхности графита в реакции с растворителями электролита обеспечивает стабильность его работы с долгой жизнью (). Однако медленная диффузия лития через SEI могла приводят к образованию дендритов лития на поверхности и внутренней поверхности графита. короткое замыкание, приводящее к катастрофической угрозе безопасности, так как его рабочее напряжение близок к Li / Li + , особенно в условиях быстрой зарядки и при низких температурах.Альтернативная окислительно-восстановительная энергия Анод реакции внедрения Li 4 Ti 5 O 12 со структурой шпинели лежит ниже НСМО электролита (), т.е. внутри окно стабильности электролита без образования SEI (). Без SEI и с незначительным изменением объема (<1%) Li 4 Ti 5 O 12 обеспечивает длительный срок службы. К сожалению, с работающим напряжение 1,5 В относительно Li / Li + и ограниченная емкость ∼160 А ч кг –1 , 10 уменьшает плотность энергии клетки резко.Тем не менее, он используется в ячейках для хранения сетки.

Емкость и диапазоны напряжения анода и катода материалы для литиевые батареи. Окно стабильности напряжения для текущего использованные жидкие электролиты в литий-ионных батареях и возможность расширить окно стабильности за счет формирования оптимальных слоев SEI на электродах обозначены.

Кристаллические структуры графита Li x C 6 , слоистого LiMO 2 (M = Mn, Co и Ni), шпинели LiMn 2 O 4 и оливина LiFePO 4 .

(a) Положения различных окислительно-восстановительных пар относительно вершина кислорода: зона 2p и (б) схематические уровни энергии анода, катод, а электролит в разомкнутой цепи. Возможность расширения окна стабильности за счет формирования оптимальных слоев SEI на электроды указаны на панели b.

Катоды

Для катода есть три варианта: слоистый LiMO 2 (M = Mn, Co и Ni), 11 шпинель LiMn 2 O 4 , 12 и оливин LiFePO 4 13 ().Каждый У этих трех катодов есть свои преимущества и недостатки. В слоистая структура дает наивысшую практическую емкость (в настоящее время до ∼180 А ч кг –1 ) среди трех, но страдает структурной и / или химической нестабильностью во время езды на велосипеде в зависимости от химического состава и степени заряда (литиевый содержимое электрода). Структурная нестабильность возникает из-за миграция ионов переходных металлов из октаэдрических узлов слоя переходного металла к октаэдрическим узлам лития слой через соседний тетраэдрический узел. 14 Mn 3+ с низкой энергией стабилизации октаэдрических узлов (OSSE, т.е. небольшая разница между стабилизацией кристаллического поля энергии в октаэдрических и тетраэдрических узлах), например, легко мигрирует и страдает от структурного перехода от слоистой к фаза шпинели во время езды на велосипеде. Co 3+ с высокими предложениями OSSE отличная структурная стабильность, но страдает от плохого химического стабильность при извлечении> 50% лития из LiCoO 2 (> 50% плата).Химическая нестабильность возникает из-за перекрытия низкоспиновых Полоса Co 3 + / 4 + : t 2g с вершиной полосы O 2–: 2p, что приводит к удалению электронной плотности из полосы O 2–: 2p (т. Е. Окислению O 2– ионов) для (1 — x ) <0,5 дюйма Li 1– x CoO 2 (). 15,16 Напротив, Mn предлагает отличная химическая стабильность, так как полоса высокоспинового Mn 3 + / 4 + : e g расположена значительно выше верхней части полосы O 2–: 2p. Интересно, что Ni находится между Mn и Co в структурной и химическая стабильность, поскольку Ni 3+ имеет более высокий OSSE, чем Mn 3+ , а низкоспиновый Ni 3 + / 4 + : e g полоса едва касается верхней части полосы O 2– : 2p.Более того, Co 3 + / 4 + : t 2g 6– x с прямым взаимодействием Co – Co вдоль общего октаэдра края и частично заполненная полоса t 2g делает Li 1– x CoO 2 металлическим проводником для x > 0,1. Напротив, оба Li 1– x NiO 2 и Li 1– x MnO 2 остаются полупроводниками для 0 ≤ (1 — x ) ≤ 1,0 в качестве окислительно-восстановительных или частично заполненный e g полоса участвует в 90 ° M – O – M (M = Mn или Ni) соединение.Тем не менее, с высокой степенью содержания Ni – O ковалентность, Li 1– x NiO 2 обеспечивает адекватную электронную проводимость. С двумерным литиевым ионная диффузия, все три системы Li 1– x MO 2 (M = Mn, Co и Ni) обладают хорошей проводимостью по ионам лития. Кроме того, Mn является наименее дорогим и наименее токсичным, а Co — наиболее эффективным. дорогой и самый токсичный из трех; Ni находится посередине. Учитывая преимущества и недостатки среди трех, промышленность в значительной степени использует составы, такие как LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (NMC-333), чтобы реализовать наилучшее возможное среди ионы трех металлов.

LiMn 2 O 4 шпинель катод с трехмерной структурой и диффузией ионов лития предлагает высокую производительность и хорошую структурную стабильность без фазовые превращения. Однако он страдает от ограниченного практического производительность (<120 А · ч · кг –1 ) и растворение марганца вызвано диспропорционированием ионов Mn 3+ на ионы Mn 4+ и Mn 2+ , которое инициируется следовыми количествами протонов, образующихся в результате реакции литиевой соли LiPF 6 , используемой в электролите, со следовыми количествами (уровнями ppm) воды присутствует в электролите.Катод из оливина LiFeO 4 , с другой стороны, обеспечивает хорошую термическую стабильность и безопасность без выделение кислорода в виде ковалентно связанных групп PO 4 плотно удерживают кислород, но страдают от ограниченной практической емкости (<160 А ч кг –1 ), особенно ограниченная объемная емкость, меньшее рабочее напряжение ∼3,4 В, плохая электроника и литий-ионная проводимость. Хотя окислительно-восстановительная пара Fe 2 + / 3 + находится на гораздо более высокой энергии, чем M 3 + / 4 + (M = Mn, Co, и Ni) пары, индуктивный эффект, впервые обнаруженный Мантирамом и Гуденаф в 1980-х годах с полианионными катодами, 17 снижает энергию Fe 2 + / 3 + и увеличивает рабочее напряжение до ∼3.4 В. Ограниченные электронные и ионные проводимость необходимо преодолевать за счет уменьшения размера частиц до наноразмеры и покрытие проводящим углеродом, что еще больше уменьшает и без того низкая объемная плотность энергии. Объемная плотность энергии зависит от кристаллографической плотности структур. В кристаллографическая плотность уменьшается в порядке слоистый> шпинель > оливин. Таким образом, среди трех катодов со вставляемым компаундом в настоящее время в игре слоистые оксиды — это те, которые могут обеспечить максимальную плотность энергии.

Куда направить литий-ионную технологию?

Увеличение Напряжение ячейки

Здесь огромный интерес увеличить удельную энергию литий-ионных аккумуляторов за счет увеличения рабочее напряжение или емкость накопителя заряда, или и то, и другое. В единственный вариант увеличения напряжения на ячейке — это повышение рабочего напряжение катода как настоящее рабочее напряжение анода (графита) уже близок к Li / Li + . Три катодные структуры (слоистый, шпинель и оливин) предлагают композиции с рабочими напряжениями выше, чем используемые в настоящее время напряжения ∼4.3 В против Li / Li + , 18 , но поверхность катода с рабочее напряжение> 4,3 В нестабильно при контакте с органическими растворители EC, DEC, DMC и др., используемые в электролите. Примеры потенциальных кандидатами с более высокими рабочими напряжениями являются шпинель LiMn 1,5 Ni 0,5 O 4 (∼4,7 В), 19 оливин LiCoPO 4 (∼4,8 В), 14 и слоистый LiNi 1– y z Mn y Co z O 2 с рабочим напряжением> 4.3 V для обратимого извлечения / вставки большего количества лития. 20 Хотя граница раздела катод-электролит в настоящее время не стабильно выше ∼4,3 В, поскольку окислительно-восстановительная энергия катода ниже HOMO электролита, его потенциально можно обойти за счет формирования оптимального SEI на поверхности катода и тем самым повышения он выше HOMO электролита () аналогично тому, что в настоящее время достигается с графитовый анод в промышленных ячейках. Хотя много согласованных усилий за эти годы усовершенствовал графитовый анод, усилия по стабилизации катодные SEI в дефиците.Фактически, добавки к электролиту и композиции, которые в настоящее время используются в коммерческих ячейках, в значительной степени адаптированы приведению в рабочее состояние графитового анода. Проблема в том, что любые усилия сделано для обеспечения работоспособности границы катод-электролит при более высокие напряжения из-за состава электролита и / или добавок должны быть совместимым с графитовым анодом; другими словами, подходы не должны делать границу раздела графит – электролит нестабильной. или нарушить стабильность тока, достигнутую с помощью графит-электролит интерфейс.

Интуитивный поиск новых совместимых электролитов как с анодом, так и с катодом, если мы хотим увеличить рабочее напряжение. Органические растворители с совместимым литием соли, которые могут предложить более широкий диапазон электрохимической стабильности и поддержка более высокого рабочего напряжения необходимо разработать. Твердые электролиты которые поддерживают более широкое окно электрохимической стабильности, интенсивно преследуется, но огромное сопротивление переносу заряда в твердое тело граница раздела между электролитом и электродом и механическим стабильность и экономичность, возможность крупномасштабного производства твердых электролиты создают проблемы. 21 Некоторые примеры исследуемых твердых электролитов на основе граната, LISICON, NASICON, сульфид и полиэтиленоксид (ПЭО). 21 Разработка новых жидких или твердых электролитов с заданными характеристиками позволит использовать катоды высокого напряжения (> 4,3 В) упомянутые выше, а также могут обеспечить лучшую безопасность.

Увеличение емкости накопителя заряда

В отсутствие практически жизнеспособного в настоящее время решения по увеличению катодной рабочее напряжение, большое внимание уделяется увеличению емкость накопления заряда как анода, так и катода.В этом усилия, аноды и катоды, которые претерпевают реакцию конверсии с литий, а не реакция вставки привлекли много внимания в последние годы. В то время как емкость электродов вставки-реакции ограничено количеством кристаллографических сайтов, доступных для обратимого введение / извлечение лития, электроды реакции превращения таких ограничений нет. Они отображают до порядка величины более высокие мощности ().

Примерами анодов для реакции превращения являются Si, Sn, Sb, Ge, P и др., предлагая гораздо более высокую производительность, чем графит (). 2 Они имеют более высокое рабочее напряжение, чем графит, который понизит напряжение ячейки, но аноды, такие как Si, работают только при напряжение немного выше, чем у графита. Основные проблемы с Аноды реакции конверсии — это огромные изменения объема (до ∼400% в зависимости от анода и содержания лития по сравнению с <10% для графита), возникающий в процессе заряда-разряда, 22 измельчение частиц, непрерывное образование SEI, и последующий захват активного лития с катода в аноде SEI. 23 Многие подходы имеют преследовали, например, уменьшение размера частиц до наноразмеров или преднамеренное оставляя пространство внутри активной материальной архитектуры, но ни один из они успешны, но не являются практически жизнеспособными. 24,25 Вышеупомянутые подходы резко увеличивают образование SEI и уменьшают объемная плотность энергии. Измельчение частиц, вызванное объемом изменения приводят к постоянному образованию новых поверхностей во время процесс заряда-разряда, который еще больше усугубляет образование SEI.Единственный прогресс, достигнутый до сих пор, — это включение нескольких% Si в графит для незначительного увеличения емкости накопителя заряда в практических ячейках. Использование анодов из чистого сплава — сложная задача. в практических ячейках, которые могут предложить адекватный жизненный цикл. Альтернатива заключается в использовании металлического лития в качестве анода, но обратимое покрытие и снятие изоляции металлического лития за большое количество циклов, образование SEI и изменение объема создает серьезные проблемы.

Примеры конверсии-реакции катодами являются сера (или Li 2 S) и кислород (или Li 2 O 2 или Li 2 O), предлагая гораздо более высокие емкости чем слоистый, шпинель и оливин катоды ().Однако они сталкиваются с многочисленными проблемами. 26 Катоды на основе кислорода страдают от забивания нерастворимыми продукты, каталитическое разложение электролитов, влага из воздуха, и плохой жизненный цикл, что делает их практическую жизнеспособность чрезвычайно трудной, если не невозможно. Проблем с катодами на основе серы много. меньше по сравнению с кислородом, и был достигнут большой прогресс в последние годы в увеличении содержания и загрузки активного материала, подавление миграции растворенного полисульфида между катодом и анод и уменьшение количества электролита. 27,28 Однако необходимость сочетания металлического литиевого анода с серой или кислородный катод создает огромные проблемы, если только катоды Li 2 S и Li 2 O 2 не могут быть успешно в паре с анодом, таким как графит или кремний, или практически литийсодержащий аноды, которые могут быть соединены с серой или кислородом, могут быть разработаны.

Осознание серьезных проблем, связанных с реакцией конверсии электроды, в последнее время основное внимание уделяется технологиям ближайшего будущего, я.е., в сторону увеличения емкости катодов реакции внедрения. В этом отношении богатый литием слоистый Li 1+ x (Ni 1– y z Mn y Co z ) 1– x 2 оксидов стали привлекательными 15 лет назад, поскольку они предлагают более высокую мощность 250–300 А ч. кг –1 . 29,30 В отличие от обычного слоистых оксидов LiMO 2 , слоистые оксиды с высоким содержанием лития включают окисление сначала ионов переходных металлов до состояния 4+ с последующим окислением оксидных ионов и выделением кислорода из решетка при первой зарядке.Возможное участие кислорода в обратимом окислительно-восстановительном процессе Li 1+ x (Ni 1– y z Mn y Co z ) 1– x O , а также в других богатые литием материалы, такие как Li 2 Ru 1– x Sn x O 2 , Li 1,211 Mo 0,467 Co 0,3 O 2 и Li 2 IrO 3 , в последнее время вызвали много ажиотажа и споров. 31−34 К сожалению, несмотря на интенсивные усилия более десяти лет, богатый литием Li 1+ x (Ni 1– y z Mn y Co z ) 1– x O страдают от слоистых фазовых переходов в шпинель которые сопровождаются непрерывным спадом напряжения во время цикла, недостаточный срок службы и низкая производительность из-за наличия значительного количества более локализованных Mn 4+ .Общий, чем больше разрядная емкость и количество извлекаемого лития, тем больше тенденция к миграции Mn из переходного металла слой к слою лития, и напряжение исчезает при циклическом изменении. 35 Хотя потенциал других богатых литием упомянутых выше оксидов и практической жизнеспособности окислительно-восстановительного потенциала кислорода нуждаются в полной оценке, может оказаться непросто осознать необходим долгий срок службы, особенно для электромобилей и электросети хранилище со значительным количеством дырок в полосе O 2–: 2p, т.е.е. образование высокореактивного пероксида или супероксида. виды могут вызвать окисление электролита и ухудшить жизненный цикл; только время прояснит это затруднительное положение.

Особое внимание уделяется высокому никелю Слоистые оксиды

С проблемами встречается с богатым литием Li 1+ x (Ni 1– y z Mn y Co z ) 1– x O 909 катоды, большое внимание в настоящее время уделяется направлена ​​на увеличение емкости за счет увеличения Ni содержание в слоистом LiNi 1– y z Mn y Co z O 2 .Катоды с высоким содержанием никеля появляются в ближайшем будущем. технологии будущего. Как обсуждалось в предыдущем разделе, характеристики Ni находятся между характеристиками Co и Mn практически во всех необходимых аспектах (химическая стабильность, структурная стабильность, проводимость, стоимость и токсичность). Что еще более важно, Ni 3+ может быть полностью окислен до Ni 4+ без потерь. кислорода из решетки, в отличие от Co 3+ . 15,16 Следовательно, LiNiO 2 является более предпочтительным слоистым оксидом. катод.К сожалению, LiNiO 2 встречает другой набор проблем. Во-первых, очень трудно сохранить весь Ni в виде Ni 3+ в процессе синтеза при более высоких температурах (> 700 ° C), поэтому наличие части Ni в виде Ni 2+ приводит к в испарении части лития и образовании литий-дефицитного Li 1– x Ni 1+ x O 2 . Это подразумевает катионный беспорядок между Li и Ni и присутствие Ni в слое лития могут препятствовать скорости возможности.Во-вторых, LiNiO 2 проходит серию фазовых переходы в процессе заряда-разряда, в частности при глубоком заряде, предполагающем удаление значительного количества лития из решетки. Это, опять же, может привести к снижению скорости передачи. В-третьих, Ni 4+ сильно окисляет и агрессивно реагирует. с органическими электролитами, используемыми в литий-ионных элементах. Реакция приводит к образованию толстого слоя SEI, который, опять же, разрушает скорость, увеличивает импеданс и потребляет активные литий.В-четвертых, химическая нестабильность сильно окисленного Ni 4+ приводит к превращению слоистого оксида в горную породу. соль Li x Ni 1– x О-фаза на поверхности LiNiO 2 . В-пятых, очень окисленный и нестабильный Ni 4+ также вызывает опасения по поводу термического убегать. Из-за этих проблем LiNiO 2 в значительной степени десятилетиями игнорировался как возможный катод. Толчок к увеличению удельная энергия, потенциал для получения более высокой емкости, поскольку Ni 3+ может быть полностью окислен до Ni 4+ , а неразрешимая проблема спада напряжения, связанная с богатым литием слоистые оксиды усилили интерес к высоконикелевым оксидов за последние пару лет.

С возобновленным интересом в LiNiO 2 промышленность медленно переходит от LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 для увеличения содержание Ni в LiNi 1– y z Mn y Co z O 2 . Например, такие композиции, как LiNi 0,4 Mn 0,3 Co 0,3 O 2 (NMC-433) и LiNi 0,6 Mn 0,2 Co 0.2 O 2 (NMC-622) стали или становятся коммерческими. Движущая сила последовательно увеличение содержания Ni — это возможность увеличения емкости, нажмите плотность и объемная плотность энергии; с содержанием Ni ∼0.9, практическая емкость ∼230 А · ч кг –1 может быть реализована. Однако долговременная стабильность NMC-622 для тысячи циклов для таких приложений, как электромобили, все еще необходимо установить. Проблемы становятся все серьезнее поскольку содержание Ni увеличивается дальше от NMC-622 до NMC-811 или выше.LiNi с высоким содержанием никеля 0,8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 (NCA) используется в промышленных элементах, но с высоким содержанием Al содержание снижает практическую емкость до ∼180 А · ч · кг –1 , и NCA страдает от проблем с выделением газа во время кататься на велосипеде.

За последние пару лет значительное понимание изготовлены на катодах с высоким содержанием никеля с использованием передовых аналитических методов, что чрезвычайно ценно, если бы мы успешно использовали богатые никелем слоистых оксидов по мере того, как мы продвигаемся вперед, чтобы увеличить плотность энергии.Подробная характеристика LiNi 0,7 Mn 0,15 Co 0,15 O 2 (NMC-71515) до и после цикла в 1 M LiPF 6 в электролите EC-DEC, с комбинацией рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), времяпролетный вторичный ионная масс-спектроскопия (TOF-SIMS) и передача с высоким разрешением электронная микроскопия (HR-TEM) показывает, что слой SEI от катода поверхность снаружи последовательно состоит из каменной соли Li x Ni 1– x Фаза O, фториды переходных металлов, образованные растворенными ионами металлов, и продукты разложения жидких органических электролитов. 36 Кроме того, слой SEI непрерывно растет с кататься на велосипеде. а иллюстрирует химическое отображение органического электролита TOF-SIMS. продукты разложения ( 7 Li 2 + / 7 Li 2 F и 7 LiF 2 ) и фториды переходных металлов (MnF 3 ) на вторичная частица катода NMC-71515 после цикла. b показывает TOF-SIMS сравнение растворенных ионов переходных металлов (MnF 3 ) на двух катодах с высоким содержанием Ni, LiNi 0.61 Mn 0,27 Co 0,12 O 2 (нелегированный NMC с нет Al) и LiNi 0,60 Mn 0,27 Co 0,12 Al 0,01 O 2 (1 мол.% NMC, легированного Al) до и после 3000 циклы в полной ячейке с графитовым анодом и 1,2 M LiPF 6 в EC-EMC с 1 мас.% виниленкарбонатного (VC) электролита. 37 Примечательно, что легирование 1 мол.% Al резко подавляет растворение ионов металлов с катода, поскольку ковалентные связи Al – O удерживают кислород прочно связанным, понижая основность и препятствуют растворению ионов переходных металлов под действием кислоты. атака.c сравнивает количество растворенных ионов переходных металлов и дендрита лития на двух графитовых анодах, один в паре с нелегированным NMC без Al а другой — в паре с NMC, легированным 1 мол.%, после 3000 циклов. 37 Удивительно, что ячейка с 1 мол.% Алюминия катод резко снижает растворенные ионы металлов и металлический литий покрытие / дендрит на графитовом аноде. d схематически показывает наращивание SEI и нанесенный Li на графитовый анод. Резкое сокращение захваченный активный литий в форме дендрита, включенный подавленным растворение ионов металлов, увеличивает срок службы более 3000 циклов для ячейки с катодом NMC, легированным 1 мол.% Al, по сравнению с ячейкой с нелегированный катод NMC. 37

(а) TOF-SIMS химическая картирование разложения органического электролита слой и растворенный слой переходного металла в виде фторидов на катодной частице NMC. (b) Сравнение после 3000 циклов количества растворения переходных металлов с образованием фторидов металлов (например, MnF 2 ), с нелегированного и легированного 1 мол.% Al катода NMC относительно свежего электрода. (c) Сравнение после 3000 циклы количества растворенных переходных металлов и расчетные толщина дендритов металлического Li на графитовых анодах, которые были спарены с нелегированным катодом NMC, легированным 1 мол.% Al.(d) Схема иллюстрирует эволюцию SEI на графитовом аноде во время циклирования под действием кроссовера растворенных ионов переходных металлов из катод к аноду. Воспроизведено с разрешения ссылки (37). Авторские права 2017 American Химическое общество.

Значительная производительность прибыль реализуется за счет стабилизации катоды из слоистого оксида с высоким содержанием никеля благодаря контролю состава, включая легирующие и концентрационно-градиентные структуры с меньшим содержанием Ni на поверхности. 37,38 Соль и растворители в электролит также играет доминирующую роль в реакционной способности поверхности катода, Образование SEI, растворение ионов металлов, срок службы, скоростная способность, и плотность энергии.Оптимальные составы электролитов, которые совместимы с образованием и поддержанием благоприятного образования SEI как на катоде, так и на аноде не только может увеличить срок службы в текущих условиях эксплуатации. условия <4,3 В, но может также позволить работу на более высоких напряжения слоистых оксидных катодов, а также других катодов, таких как шпинель LiMn 1,5 Ni 0,5 O 4 и оливин ЛиКоПО 4 .

Выводы

Текущий литий ионная технология, основанная на реакции внедрения катоды и аноды сохранятся в обозримом будущем, несмотря на их ограниченная плотность энергии продиктована количеством кристаллографических доступные участки, а также структурная и химическая нестабильность при глубокой зарядке.Было приложено много усилий для превращения-реакции. аноды и катоды, поскольку они предлагают на порядок больше емкости, чем электроды вставки-реакции, но их практические жизнеспособность сталкивается с проблемами. Возобновление интереса к использованию лития металл в качестве анода и замена жидких электролитов твердым электролитом появились недавно, поскольку они могут предложить более безопасные ячейки с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *