Литий ионные аккумуляторы из чего состоит: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

Как устроен литий-ионный аккумулятор?

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 26-08-2021

Представление о современном мире было бы абсолютно другим, если бы не существовало литиевых аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы стали частью технологической революции, результаты которой мы постоянно наблюдаем вокруг себя (смартфоны, планшеты, ноутбуки и с недавних пор электротранспорт).

Несмотря на существование более продвинутых источников питания, например литий-титанатных ячеек (LTO), именно Li-Ion стали по-настоящему массовыми. Это связано с компактными размерами источника питания, невысокой ценой производства и оптимальным ресурсом работы. Под оптимальным ресурсом понимается далеко не самый длительный срок службы, а наоборот: литиевый аккумулятор зачастую соответствует жизненному циклу техники.

В связи с распространенностью элементов Li-Ion, полезно знать, как устроен литий-ионный аккумулятор, как правильно его эксплуатировать и в каких случаях он представляет опасность.

Как работает литий-ионный аккумулятор

В общих чертах строение литиевой батареи похоже на старые добрые свинцово-кислотные АКБ: здесь тоже есть анод, катод и электролит. Активными веществами здесь выступают графит (минус) и оксид лития (плюс). Конечно, анод и катод не состоят исключительно из перечисленных выше веществ. Данные вещества наносятся тонким слоем на медную и алюминиевую фольгу соответственно. Между листами фольги располагается разделитель, пропитанный электролитом.

В итоге получается эдакий пласт из тонких листов фольги, который и представляет собой литий-ионный аккумулятор. Далее этот пласт скручивается в трубочку — и получается стандартный цилиндрический элемент 18650 и других типоразмеров.

А каким образом описанная выше структура вообще способна накапливать и отдавать электроэнергию? Тут все тоже довольно-таки интересно. Электрический ток — это движение заряженных частиц. Именно это движение нам требуется обеспечить. Цикл работы литий-ионного аккумулятора можно представить следующим образом:

• Процесс заряда. При подключении внешнего источника питания от стабильного оксида лития на алюминиевой пластине отделяются крайне нестабильные атомы лития. На внешней орбите атома имеется электрон, который стремится отделиться. Это мгновенно и происходит с атомом лития. Отделившийся электрон не может пройти через слой разделителя — тот пропускает только положительные ионы. Поэтому электрон минует разделитель через внешнюю цепь (зарядное устройство), попадая на медную пластину. После этого оставшиеся на “минусе” положительные ионы лития тоже начинают “притягиваться” положительным полюсом. Они беспрепятственно преодолевают разделитель. В итоге мы имеем положительный полюс, состоящий из слоев графита, которые захватили электроны лития и его ионы. В таком состоянии Li-Ion аккумулятор считается заряженным.
• Процесс разряда. Пока к аккумулятору не подключается внешняя цепь в виде нагрузки, ионы и электроны лития остаются в слоях графита. Но стоит подключить к АКБ потребителя, как начнется активное движение. Ионы “поспешат” вернуться на свое место, протекая через разделитель. Электроны, как и ранее, пройти его не могут и вынуждены двигаться через внешнюю цепь, которая представляет собой потребителя электроэнергии. Пусть это будет традиционная лампочка. Протекая из положительной пластины через потребителя, электроны образуют электрический ток. Достигнув пункта назначения, ионы лития и электроны снова становятся частью стабильного оксида лития.

Таким образом, основной идеей литий-ионных аккумуляторов является то, что электронам требуется внешняя цепь, чтобы перетечь вслед за положительными ионами. Именно на счет этого аккумулятор может как заряжаться, так и разряжаться — меняется лишь направление движения частиц.

Опасны ли Li-Ion аккумуляторы

Как мы теперь знаем, в работе литиевого аккумулятора замешаны нестабильные вещества, которые то и дело норовят высвободить энергию. В процессе электрохимической реакции выделяются газы, так как когда ионы лития оседают на одной пластине, на другой образуются соли кислорода. Как и в случае с необслуживаемыми свинцово-кислотными АКБ, в случае нормальной работы газовыделение полностью контролируется. Но в случае перегрева или перезаряда аккумулятор может вздуться от внутреннего давления.

Как правило, АКб мобильных гаджетов оснащены контроллером и нарушение параметров заряда практически невозможно. Но всегда есть место заводскому браку или халатности “no-name” производителей, в результате чего аккумулятор может представлять опасность. Если АКБ вздулась — незамедлительно ее утилизируйте, иначе может случиться воспламенение.

Как взрываются литий-ионные аккумуляторы? Опять же, все снова связано с нестабильностью лития. При контакте с кислородом он тут же воспламеняется. Поэтому герметичность элемента питания очень важна. Также одной из стандартных причин возгорания может стать короткое замыкание между положительной и отрицательной пластиной. Наиболее часто это происходит из-за сочетания сильной степени износа и допущения перегрева, который негативно сказывается на целостности электролита. Разделитель призван защитить пользователя от внутреннего короткого замыкания, однако вероятность этого все равно имеется.

Что же делать, если аккумулятор вот-вот загорится или уже горит? Можно ли тушить литиевую батарею водой? Выше мы уже обратили внимание, что литий активно реагирует с кислородом, который в том числе имеется в составе воды. Поливать аккумулятор не рекомендуется, так как это может спровоцировать взрыв элемента. Пользователи, имевшие дело с воспламенением литий-ионного аккумулятора, советуют дать реакции закончится естественным способом, поместив АКБ в безопасное место, например в закрытую кастрюлю. Если же аккумулятор уже горит и взять его невозможно, очаг следует накрыть чем-то негорючим. Опять же, условная кастрюля, которой можно накрыть АКБ, отлично для этого подходит: и не допустит распространение огня, и перекроет доступ кислорода.

Литий-ионные аккумуляторы в ИБП: на пути к прорыву

Современные ИБП постоянно совершенствуются, но их «сердца» – аккумуляторные батареи – сохраняют здоровый консерватизм. Может быть, революцию в этой области совершат литий-ионные аккумуляторы с наноструктурированным литий-феррофосфатным катодом?

Производители ИБП средней и большой мощности не ограничивают заказчика в выборе аккумуляторов той или иной технологии, того или иного производителя. Доля АКБ в стоимости источников бесперебойного питания составляет, как правило, 20–40%, но при экстремально большом времени автономной работы стоимость АКБ может превышать стоимость ИБП. Поэтому периодически возникает желание снизить расходы за счет смены аккумуляторов. Ведь все аккумуляторы внешне одинаковы, только одни стоят дорого, другие чуть дешевле, а есть и совсем дешевые…

Превращение свинца в электричество

Сегодня отраслевым стандартом для статических ИБП являются свинцово-кислотные аккумуляторы, в которых во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на аноде и окисление свинца на катоде. При заряде протекают обратные реакции.

Свинцово-кислотные аккумуляторы выпускаются в открытом и закрытом исполнении (стандарт МЭК 50 (486)-1991). В источниках бесперебойного питания чаще всего используются батареи закрытого типа, которые правильнее называть необслуживаемыми герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами с рекомбинацией газа – Valve Regulated Lead-Acid Batteries (VRLA).

Эти аккумуляторы имеют низкое газообразование и при соблюдении условий эксплуатации полностью герметичны на протяжении всего срока службы. Однако они снабжены устройствами, позволяющими выделяться газу, когда внутреннее давление превысит установленное значение. Доливка воды в такие аккумуляторы невозможна.

Производятся VRLA-аккумуляторы на основе двух технологий: Gel и AGM. В случае Gel-технологии вместо жидкого электролита используется гелеобразный, получающийся в результате смешивания серной кислоты с загустителем (обычно это диоксид кремния – силикагель). При технологии AGM (Absorbed Glass Mat) электролит фиксируется в сепараторе из стекловолокна, размещенном между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. Количество электролита дозируется таким образом, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для циркуляции выделяющихся в результате химических процессов газов.

Открытые аккумуляторы («заливайки») имеют отверстия с крышками, через которые могут удаляться газо-образные продукты, заливаться электролит, замеряться его плотность. Отверстия могут быть снабжены системой вентиляции. В свинцово-кислотных аккумуляторах во всех режимах работы, в том числе при разомкнутой цепи нагрузки (холостой ход), происходит сульфатация поверхности электродов и газообразование с расходом на эти реакции воды, входящей в состав электролита. Это вынуждает периодически контролировать уровень и плотность электролита открытых аккумуляторов, доливать в них дистиллированную воду с проведением уравнительного заряда, что является довольно трудоемкой операцией. Поэтому в ИБП открытые аккумуляторы используются крайне редко и только теми заказчиками, которые и без того имеют большой парк аккумуляторов и персонал, обученный работе с ареометром, серной кислотой и дистиллированной водой. Кроме сложностей обслуживания инсталляция обслуживаемых аккумуляторов сопряжена с организацией специально предназначенных помещений (производственной категории Е в зданиях не ниже II категории огнестойкости по противопожарным требованиям СНиП II-2-80), оборудованных стационарной принудительной приточно-вытяжной вентиляцией, не связанной с общей системой вентиляции.

Ценный и редкий никель

Продолжая разговор об аккумуляторной экзотике, перейдем к никель-кадмиевым аккумуляторам. По своим потребительским свойствам они сопоставимы со свинцово-кислотными, но ощутимо легче и невосприимчивы к высокой или низкой температуре эксплуатации. Ni-Cd-аккумуляторы любят быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока. Из явных недостатков Ni-Cd-батарей следует отметить присущий им эффект памяти, затрудняющий их применение, поскольку они должны всякий раз разряжаться практически «в ноль», что не соответствует режиму эксплуатации аккумулятора в ИБП. Другой недостаток – токсичность применяемых материалов, которая отрицательно сказывается на экологии. Некоторые страны даже ограничивают использование аккумуляторов этого типа. Все это в сочетании с совершенно неконкурентной по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами ценой не позволяет никель-кадмиевым АКБ получить широкое распространение в ИБП. Это сугубо нишевое решение, не занимающее сколько-нибудь значимой доли рынка.

Другой подтип – никель-металлогидридные аккумуляторы – в последние десятилетия серьезно потеснили никель-кадмиевые во многих областях техники. Особенно широко они используются в автономных источниках питания портативной аппаратуры, потребительские свойства которой улучшились благодаря их удельным характеристикам, в полтора-два раза более высоким, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. При сохранении недостатков Ni-Cd-аккумуляторов и еще более высокой цене закономерно, что в ИБП Ni-MH-аккумуляторы не применяются.

В последнее время на российском рынке появилась еще одна инновационная разработка в области химических источников тока многоразового использования – никель-солевые аккумуляторы. Такие аккумуляторы производятся из обыкновенной поваренной соли, керамики и никеля. Заявляемые производителями преимущества данного решения заключаются в следующем:

• на 70% меньший вес и на 30% меньший занимаемый объем в сравнении с обычными свинцово-кислотными АКБ;
• неизменность эксплуатационных характеристик в широком диапазоне температур;
• отсутствие потребности в дополнительном кондиционировании и вентиляции воздуха;
• высокий циклический ресурс;
• возможность удаленного мониторинга состояния батареи за счет интегрированного в каждый аккумулятор электронного модуля контроля.

Высокая стоимость солевых аккумуляторов компенсируется длительным сроком службы и отсутствием расходов на кондиционирование, в результате чего достигается средняя по отрасли совокупная стоимость владения.

Однако из-за специфики происходящих внутри таких аккумуляторов химических реакций для запуска батареи необходимо разогреть электролит как минимум до 157°С, а их внутренняя рабочая температура составляет 275–300°С. Таким образом, никель-солевая батарея всегда должна находиться в горячем резерве (в прямом смысле!), что влечет за собой необходимость постоянного поддержания системы собственных нужд и затрат на нее некоторого количества энергии. На удаленных объектах с автономным электроснабжением это может стать существенным недостатком.

Кроме того, предлагаемые на рынке решения на основе никель-солевых аккумуляторов «заточены» под системы питания связи с напряжением 48 В. Специфика же источников бесперебойного питания для ЦОДов предполагает сборку высоковольтной (400–600 В DC) батареи. Попытки создать «длинную» никель-солевую линейку, насколько нам известно, пока безуспешны. Открытым, на наш взгляд, остается вопрос взрыво- и пожаробезопасности таких батарей, особенно с учетом необходимости контроля высокотемпературных химических реакций. Впрочем, для телеком-применений на 48 В постоянного тока сейчас это самое прогрессивное решение.

О «выслуге лет»

В то же время никелевые и обслуживаемые свинцовые аккумуляторы лишены главного недостатка VRLA-батарей, который заключается в коротком сроке службы.

Самыми долговечными при соблюдении правил эксплуатации являются открытые аккумуляторы, способные служить 20 и более лет. Срок службы герметизированных АКБ достигает 10–12 лет. Однако производители батарей выпускают серийные герметизированные аккумуляторы и с меньшим сроком службы, но более дешевые. По классификации европейского объединения производителей аккумуляторов EUROBAT эти аккумуляторы разделяются на четыре класса по характеристикам и сроку службы:

• более 12 лет;
• 10–12 лет;
• 6–9 лет;
• 3–5 лет.

Эти сроки службы соответствуют средней температуре эксплуатации +20°С. При повышении температуры на каждые 10°С за счет ускорения электрохимических процессов срок службы аккумуляторов сокращается в два раза. Таким образом, весьма недешевая VRLA-батарея класса 10+ при температуре эксплуатации +40°С прослужит всего 2,5 года – и это будет прекраснейший результат для высококачественной батареи. От «пятилетки» в этих же условиях бессмысленно ждать работу дольше 15 месяцев. Вместе с тем срок службы «заливаек» при правильном обслуживании превысит срок службы (или морального устаревания) ИБП.

Получается, что аккумуляторы – расходный материал в инсталляциях источников бесперебойного электропитания. Долговечные открытые свинцовые аккумуляторы сложны в эксплуатации, тяжелы, что вызывает необходимость распределения нагрузки по поверхности перекрытия, из-за пожароопасности требуют создания специальных условий и вредны для окружающей среды. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы дороги, плохо подходят для эксплуатации в ИБП (эффект памяти!) и опять-таки вредны для окружающей среды. Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы лишены всех вышеуказанных недостатков, но недолговечны. На объектах, где установлено более сотни линеек АКБ, поэтапная замена старых батарей на новые может растянуться на два-три года, а в случае пятилетних батарей этот процесс становится непрерывным, что заставляет разработчиков схем электроснабжения задумываться об отказе от АКБ как таковых.

Альтернатива аккумуляторам

Основной альтернативой ИБП, использующим аккумуляторы, становятся динамические ИБП.

Напомним, что традиционно системы бесперебойного и гарантированного электропитания строятся из источников бесперебойного электропитания для борьбы с краткосрочными пропаданиями электричества, дизель-генераторов для работы при долгосрочных отключениях, а также различных устройств контрольной электроники для переключений между разными источниками энергии. ИБП делятся на два класса: статические (с электрохимическим источником тока) и динамические (с накопителями кинетической энергии – ДИБП).

Главное преимущество ДИБП – отсутствие в них аккумуляторов. Динамические ИБП действуют как механический аккумулятор и состоят из находящихся на одном валу обратимой электрической машины для преобразования электрической энергии в кинетическую и наоборот и маховика-накопителя. С этими ИБП не связаны вышеописанные «ужасы», обусловленные электрохимией. У них нет расходных материалов, нет требований к климатическим условиям в помещениях, нет пожарной опасности, нет вреда природе, нет потребности в выделенных помещениях. В числе преимуществ ДИБП называют и высокий КПД, но он соизмерим с КПД современных статических ИБП (даже в режиме двойного преобразования).

Основное отличие (и очевидный недостаток) динамических ИБП – чрезвычайно малое время автономной работы, 10–15 с при полной нагрузке. Кроме того, высокая скорость вращения маховика-накопителя обусловливает высокую точность и сложность изготовления устройства, критическим элементом которого становятся подшипники.

Сомнения в целесообразности использования ДИБП заключаются в показателях надежности. При высочайших заявленных наработках на отказ степень надежности решения достаточно спорна, учитывая высокую сложность изготовления точной механики и малое время автономной работы. Говоря проще, выглядит «динамика» столь же заманчиво, сколь и опасно.

Инновации в ИБП

Есть ли другие решения? Ведь наука не стоит на месте! Какие шаги были предприняты на пути к «идеальному» аккумулятору? Наиболее перспективными на сегодня являются литий-ионные АКБ (см. таблицу).

Во всем мире исследования и разработки в области литий-ионных технологий стремительно развиваются, появляются новые типы литий-ионных аккумуляторов. В ближайшее десятилетие следует ожидать, что такие аккумуляторы вытеснят с рынка устаревшие электрохимические схемы, особенно если удастся снизить их стоимость.

От взрыва к запасам энергии

Впервые идеи использования литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) были выдвинуты в начале 50-х годов, а первые реальные аккумуляторы на литии появились в конце 80-х. В них анод состоял из лития, а катод – из оксидов металлов.

Преимущества лития заключаются в том, что это самый легкий металл, он обладает самым маленьким электрохимическим эквивалентом (отношением массы к заряду иона) и одновременно наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (–3,045 В относительно стандартного водородного электрода). Кроме того, литий обладает свойством проникать в кристаллическую решетку (например, в оксиды металлов) с образованием обратимой химической связи.

ЛИА первого поколения были привлекательны по многим параметрам: быстро заряжались, быстро разряжались, имели хорошую емкость, не имели эффекта памяти. Однако при увеличении числа выполненных циклов заряда-разряда (в которых катион лития переходит в металл и наоборот) на литиевом аноде вырастали металлические «иголочки» (рис. 1). Они пробивали слой электролита, и происходило короткое замыкание, сопровождавшееся взрывом. Поэтому к химическим источникам тока на основе лития сначала относились с опаской.

У второго поколения аккумуляторов на литии в качестве анода использовался углерод (графит). Эта идея была предложена учеными из Оксфордского университета. Первые аккумуляторы такого типа были представлены компанией Sony в 1991 г.

Как известно, углерод – это слоистая структура, между слоями которой имеется «зазор», куда могут проникать (в химии используется термин «интеркалировать») другие атомы. В данном случае при заряде-разряде аккумулятора атомы лития внедряются между слоями графита, образуя соединение LiC6. Реакция образования этого соединения обратима: при заряде углерод заполняется литием, при разряде литий уходит из него. Это позволяет избежать возникновения «иголок» из лития, которые вырастали на литиевом аноде. В качестве катода используется кобальтат лития (LiCoO2).

Однако и у ЛИА второго поколения есть серьезные недостатки. Он может отдать не больше половины запасенной емкости, так как при более сильном разряде разлагаться начинает уже катод – с выделением кислорода и металлического кобальта. И здесь снова возможны короткое замыкание и взрыв.

Этот фактор до последнего времени принципиально ограничивал увеличение размеров литий-ионных аккумуляторов, например до масштабов, необходимых для создания энергоемких решений, где нужны сотни киловатт-часов энергии. Угроза взрыва здесь недопустима.

Однако огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживает постоянный интерес к их усовершенствованию, и в 2003 г. в Массачусетском технологическом институте (MIT) впервые было предложено использовать феррофосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала (рис. 2).

Это соединение всегда считалось перспективным для промышленности. Оно доступное и нетоксичное (в отличие от свинца, кадмия и никеля) и способно отдать весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая емкость.

Профессор Йет Минь Чан из MIT предложил уменьшить размеры отдельных частиц LiFePO4 до 100 нм, что в тысячи раз увеличивает площадь активной (пригодной для интеркаляции лития) поверхности. Электропроводность была увеличена за счет наночастиц углерода. В результате аккумуляторы с катодом из наноструктурированного LiFePO4 превосходят обычные кобальтовые по токам разряда. Кристаллическая структура электродов со временем практически не изнашивается, поэтому количество рабочих циклов батареи возрастает до 5 тыс.

Таким образом, литий-ионные аккумуляторы третьего поколения на основе литий-феррофосфата безопасны, высокоэнергоэффективны и экологичны.

Здоровое долголетие

Из коммерческих преимуществ ЛИА (далее под литий-ионными аккумуляторами будем понимать аккумуляторы третьего поколения, т.е. с наноструктурированным литий-феррофосфатным катодом) на первое место мы поставили бы длительный срок службы. Так, ЛИА успешно работают на транспорте (в электромобилях, погрузчиках) до восьми лет без ухудшения характеристик. Обратите внимание: они используются в «трамвайном» режиме с сотнями (!) ежедневных циклов заряд-разряд. В троллейбусном депо Новосибирска ЛИА эксплуатируются около двух лет, батареи показывают себя хорошо как в летнюю жару, так и в сибирские морозы.

Расчетный срок службы ЛИА в источниках бесперебойного питания составляет 20–25 лет – ведь у нормального ИБП двойного преобразования в лучшем (или худшем?) случае наберется пара десятков циклов заряд-разряд в год! Следовательно, срок службы аккумуляторов становится равным сроку службы основного оборудования (а в некоторых случаях превышает его). За четверть века ИБП устареет морально, в нем несколько раз заменят вентиляторы и другие механические детали, произойдет усыхание электролита в элементах силовой электроники и т.д. Таким образом, АКБ перестают быть расходным материалом, исчезают эксплуатационные расходы на их замену.

Срок службы ЛИА в источниках бесперебойного питания сопоставим со сроком службы динамических накопителей или открытых обслуживаемых батарей, но без хлопот, связанных с заменой подшипников на маховике через несколько лет работы или с регулярным обслуживанием и доливами дистиллированной воды. Подчеркнем, что и стоимость аккумуляторов со столь длительным сроком службы сопоставима со стоимостью открытых обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов.

Легки на подъем и неприхотливы

Тот факт, что ЛИА допускают эксплуатацию при температуре до +40°С без деградации потребительских свойств, емкости и срока службы, означает прежде всего возможность установки аккумуляторов в общие помещения щитовых вместе с ИБП. Этим помещениям не требуется специальная система кондиционирования, во многих случаях можно воспользоваться типовой системой вентиляции. Вспомним, что нормальная температура эксплуатации герметичных свинцово-кислотных АКБ – до +25°С, и это вынуждает размещать батареи в отдельном помещении с собственной системой кондиционирования. А установка в отдельном помещении – это потеря полезных площадей ЦОДа, ведь потребуется зона отчуждения для открывания дверей, для коридоров, для самих стен и проходов в помещениях. Собственная система кондиционирования (или увеличение мощности общей системы) – это дополнительные затраты при строительстве, эксплуатационные расходы на электроэнергию и обслуживание. Всех этих недостатков лишены системы бесперебойного питания, использующие ЛИА.

Вес литий-ионного аккумулятора в три раза меньше веса свинцово-кислотного АКБ той же емкости. К примеру, одна ячейка емкостью 240 А*ч весит всего 7 кг. На практике это означает, что при установке в батарейных кабинетах удастся разместить батареи вертикально в несколько рядов. По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами это означает сокращение занимаемой батареями площади на 35–40%, при одновременном сокращении нагрузки на перекрытие на 15–20%! При размещении же на простых стеллажах экономии площади практически не возникает, но нагрузка на перекрытие уменьшается в три раза. В любом случае применение ЛИА в ИБП приведет к существенному снижению капитальных и операционных затрат.

ЛИА пожаробезопасны. Ни в процессе заряда, ни в процессе разряда батареи не выделяют горючих газов. Все процессы протекают изотермически, т.е. без выделения тепла. Как уже отмечалось, ЛИА на основе литий-феррофосфата не содержат каких-либо вредных веществ и не создают угрозы для экологии. Отслужив свое, они не доставляют хлопот бывшим хозяевам – не требуют специальной утилизации и могут быть выброшены с бытовыми отходами.

Всё под контролем

Опасность для литий-ионного аккумулятора (как, впрочем, и для любого другого) могут представлять чрезмерно глубокий разряд или перезаряд. ЛИА третьего поколения защищены и от этих напастей. Каждая аккумуляторная ячейка поставляется с модулем системы управления батареей (Battery Management System, BMS). Это небольшая, размером с кредитную карту, плата, содержащая необходимые датчики, средства связи и инструменты управления. Главная задача модуля – диагностика состояния батареи. Система обеспечивает постоянный дистанционный контроль, проводит оценку степени заряда батареи, измеряет напряжение и температуру. Информация о каждом аккумуляторе передается по Wi-Fi и может быть воспринята мобильными Windows- или Android-устройствами или же собирается на центральной станции мониторинга (при ее наличии). Будучи связаны между собой как информационными, так и силовыми линиями, платы BMS заставляют массив литий-ионных аккумуляторных ячеек работать как единая батарея. При этом обеспечиваются температурная компенсация зарядного тока и напряжения, управление отключением батарей в конце разряда, защита от глубокого разряда, защита от ложного срабатывания, ограничение тока заряда.

В случае применения ЛИА в ИБП многие функции бережного обслуживания батарей могут показаться задублированными, однако это не так. И температурную компенсацию, и ограничения токов, и контроль напряжения батареи ИБП осуществляет одновременно со всем батарейным массивом, который может состоять из нескольких линеек с несколькими десятками (или даже сотнями) ячеек в каждой. Понятно, что, имея дело со «средней температурой по больнице», нельзя добиться прецизионного обслуживания каждой ячейки. В то же время индивидуальный подход позволяет практически творить чудеса. В литий-ионных аккумуляторах с BMS возможна поэлементная замена ячеек! Да, да, читатель удивленно перечитывает предыдущую фразу, но это именно так.

Известно, что для свинцово-кислотных аккумуляторов действуют «правила одинаковости». Соединять в линейку можно аккумуляторы одинаковой емкости, одного и того же производителя, одной серии и, весьма желательно, одной партии, точнее, одной даты изготовления. В случае выхода из строя одного или нескольких аккумуляторов требуется замена всей линейки. Эта крайне неприятная особенность объясняется просто. Представьте себе, что свинцово-кислотная батарея – это ломовая лошадь. Когда молодого и полного сил тяжеловоза впрягают в повозку, которую уже много лет тянут постаревшие и уставшие лошади, он начинает работать на износ. Так и новенькая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея начинает «тащить» на себе соседок, повышая среднее напряжение в линейке за счет перенапряжения на себе самой. Работая на износ, эта новая батарея быстро выходит из строя. Именно поэтому поэлементная замена повсеместно признана неэффективной. Разумеется, находятся «народные умельцы», которые путем сложных манипуляций с батареей подгоняют ее параметры, условно говоря, состаривают батарею, и иногда после этого инсталляции успешно работают. Но ни один поставщик или производитель батарей не признает такой случай гарантийным.

А вот в литий-ионных аккумуляторах с системой BMS поэлементная замена ячеек возможна. Интеллектуальный модуль на каждом аккумуляторе полностью контролирует все происходящие процессы. Если продолжить аккумуляторно-лошадиную аналогию, то молодой и полный сил тяжеловоз будет работать ровно столько, сколько надо, может быть, даже вполсилы, сохраняя себя и не разваливая весь батарейный массив. Благодаря тому что модули BMS контролируют перетоки между батареями, поэлементная замена становится возможной. Нетрудно догадаться, что такое удивительное свойство, как замена «по фактическому состоянию» не только повышает степень готовности системы за счет минимизации времени ремонтов, но и существенно сокращает эксплуатационные издержки. Даже если одна или несколько ячеек ЛИА получили механические повреждения (а других с ними и быть не может), их можно в любое время быстро, недорого и безболезненно заменить.

Будьте готовы! Всегда готовы!

Литий-ионные аккумуляторы выдерживают ток заряда от 0,1 С10 до 0,7 С10, т.е. до семи раз больше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, благодаря чему они во столько же раз быстрее заряжаются. Таким образом достигается беспрецедентно высокий коэффициент готовности систем на основе ЛИА к новому пропаданию электропитания – до 0,99999 («пять девяток»). Однако отметим, что при всей заманчивости этого преимущества оно может оказаться самым невостребованным. Ведь в два–семь раз более высокая скорость заряда АКБ означает, что от энергосистемы потребуется пропорционально большая мощность, которая будет использована только для заряда аккумуляторов. В современных проектах ЦОДов, как правило, каждый киловатт на счету, и позволить себе такую роскошь могут немногие.

Инновационные литий-ионные аккумуляторы с наноструктурированным литий-феррофосфатным катодом в статических системах бесперебойного электропитания обеспечивают нулевые затраты на замену АКБ в течение срока службы ИБП, нулевые затраты на кондиционирование батарейных комнат, экономию площади инсталляции на 35–40% и существенное снижение капитальных затрат при строительстве. Инжиниринговые компании уже готовы внедрять новые технологии как в проектах новых ЦОДов, так и на реконструируемых объектах.

По сравнению с серверным, связным оборудованием и даже с системами кондиционирования технологическое развитие ИБП идет медленно, глобальных прорывов не видно давно, а усовершенствования малозаметны. А может, ЛИА и есть прорыв? Или по крайней мере переход на новую ступень развития?

Авторы: Сергей ЕРМАКОВ и Дмитрий КОРЕВ

Аккумуляторы и их добавочная стоимость. Отечественным батарейкам нужна серьезная государственная поддержка

В начале XX века на дорогах было больше электромобилей, чем машин с двигателем внутреннего сгорания. Теперь виток спирали завершается: мы вернулись к тем временам, когда крупногабаритная техника приводилась в движение электроэнергией. Правда, теперь мы вооружены гораздо лучше во многом благодаря бурно развивающимся литий-ионным аккумуляторам. А устаревшие, но дешевые и пока популярные свинцово-кислотные батареи будут постепенно заменяться другими недорогими решениями, в первую очередь натрий- и калий-ионным аккумулятором.

Российские научные коллективы получили значительную поддержку Российского научного фонда для исследований в этой области и благодаря этому тоже вплотную приблизились к созданию полноценного прототипа натрий-ионного аккумулятора.

Стоит отметить, что цена не всегда является единственным приоритетом для выбора натрий- или калий-ионной системы вместо литий-ионной. Недавно мы проводили исследование структуры, в которую в качестве катодного материала обратимо внедрялся щелочной металл — натрий, литий или калий. И оказалось, что калий и натрий обладают существенно большими коэффициентами диффузии, чем литий. Эти ионы более подвижны, перемещаются с большей скоростью, что должно обеспечивать и большую мощность. Иными словами, аккумуляторы, имеющие в своем катоде натрий и калий, могут стать мощнее, чем литий-ионные.

Первые натрий-ионные аккумуляторы возникли приблизительно тогда же, когда и литий-ионные. Но литий-ионные аккумуляторы имеют более высокие удельные характеристики, чем натрий-ионные, поэтому ученые и производители сосредоточились на них. Но лет 10–15 назад ученые, вооруженные знаниями о литий-ионной системе и современными технологиями изготовления компонентов батареи, стали возвращаться к первоначальной идее — использовать ион натрия.

Конечно, у натрий-ионных аккумуляторов есть и недостатки. Натрий тяжелее лития, значит, и удельная емкость содержащих натрий материалов ниже. Катион натрия крупнее, и обратимое извлечение и внедрение того же количества катионов, что и в случае лития, вызывают большие изменения структуры материалов, что приводит к деградации аккумулятора. Эту проблему ученые пытаются решать, но окончательно пока не победили. Недавние прототипы натрий-ионных аккумуляторов демонстрируют плотность энергии 120–160 Вт•ч/кг, а литий-ионные — 250–280 Вт•ч/кг.

Но если в отношении катодных материалов есть консенсус, то какой материал использовать на аноде, по-прежнему неясно, а это вопрос довольно важный. К слову, литий-ионные аккумуляторы поставлены на конвейерное производство отчасти потому, что для них есть очень хороший, надежный анодный материал (графит). В отличие от лития, натрий в графит не внедряется, и для натрий-ионных аккумуляторов аналогичного материала пока нет. Ученые делают ставку на «твердый» углерод. Так называют неграфитизируемую форму углерода, материал перспективный, но предстоит выяснить, насколько он надежен и безопасен. Необходимо исключить сценарии, при которых натрий будет не внедряться в структуру твердого углерода, а высаживаться на его поверхности, постепенно образуя дендриты — формирования, которые могут со временем прорасти через сепаратор к катоду и вызвать внутреннее замыкание, что чревато взрывом аккумулятора.

Здесь стоит отметить, что в погоне за все более высокими удельными характеристиками (способность аккумуляторов запасать как можно больше энергии на единицу массы и объема) нельзя забывать о вопросах безопасности. Со временем при росте количества крупногабаритных источников энергии этот аспект станет ключевым. Одно дело, когда загорается батарея в смартфоне, и совсем другое, когда взлетает на воздух крупный стационарный накопитель — устройство, которое имеет значительный запас энергии и внутри состоит сплошь из горючих материалов: органического электролита, органических полимерных связующих, сильных окислителей и проч. Например, при инициации какой-нибудь реакции (скажем, при повышении температуры из-за внутреннего или внешнего короткого замыкания) катодный материал в заряженном состоянии может выделять кислород и начать активно взаимодействовать с органическими компонентами аккумулятора, что может привести к быстрому возгоранию.

Во избежание подобных инцидентов крупные производители начали интенсивно проводить исследования для замены жидкого электролита, состоящего из органических легковоспламеняющихся компонентов, и переходить на полимерный, значительно менее горючий, либо на керамический. Чтобы избежать возгорания внутри аккумуляторов, производители также вносят различные специальные добавки — например, пламегасители — и используют в катодном материале вещества, которые не выделяют кислород при повышении температуры, то есть не становятся источником окислителя, который будет бурно реагировать с органическими компонентами. Все эти задачи последовательно решаются, и по мере того, как аккумуляторы становятся все более безопасными, расширяются области их использования.

Сегодня все крупные производители представляют линейки электромобилей, а некоторые — например, Volvo — уже называют год, когда полностью откажутся от производства автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Россия же как в научном, так и производственном отношении сильно отстает: количество статей на тему литий-ионных аккумуляторов сопоставимо со странами вроде Турции или Мексики — намного меньше, чем во Франции, Японии, Южной Корее, Китае или США. Что касается производства, то Россия уступает лидерам рынка просто катастрофически.

Что это значит? Во-первых, производства полного цикла в России в принципе быть не может, так как не производятся ключевые компоненты нужного качества — катод, анод, электролит, сепаратор и т. д. Все это в основном поставляется из-за рубежа, что позволяет некоторым компаниям выпускать небольшое количество литий-ионных аккумуляторов для узких нишевых применений.

Во-вторых, нет никакой государственной программы поддержки производства и потребления в области источников тока и устройств на их основе — например, электромобилей. В некоторых городах — например, в Москве и Новосибирске — есть «локальные» инициативы местных властей, стимулирующих муниципальные автопарки к развитию общественного электротранспорта, но «поднять» целую индустрию эти меры не смогут. Действительно, электробусы катаются по Москве, их становится все больше, но все они работают на аккумуляторах, произведенных не в России — все на импортных материалах. Это довольно печально, потому что Россия экспортирует много сырья — например, никель, кобальт и другие металлы,— сырье продается, иностранные предприятия делают из этого сырья материалы и аккумуляторы, а затем продают их для наших электробусов — естественно, с существенно большей добавочной стоимостью. Нет сомнений в том, что российские производители могут наладить производство полного цикла, так как все для этого в стране есть, но для инициирования процесса нужна серьезная государственная поддержка, в том числе, возможно, на законодательном уровне.

Как устроены литий-ионные аккумуляторы — принцип работы и конструкция

Литий-ионные аккумуляторы — вид АКБ, чаще всего применяемый в следующих видах девайсов: смартфоны, планшеты, ноутбуки. Их часто используют в бытовой технике, электротранспорте — скутерах и велосипедах, в качестве накопителя в энергосистемах.

Как устроены литий-ионные аккумуляторы

В аккумуляторах этого типа анодный и катодный материал наносят на фольгу, в первом случае медную, во втором — алюминиевую. Катодный материал включается в себя растворы литиевых солей двух видов кислот — никеля и кобальта. Гелеобразный электролит состоит из солей лития. Корпус аккумулятора герметичен, внутри его располагаются сепараторы и электроды, к корпусу присоединены клеммы. Важно понять, как устроен литиевый аккумулятор с точки зрения защиты от избыточного давления — в корпусе есть предохранительный клапан, открывающийся в случае аварийных ситуаций.

К числу преимуществ литий-ионных АКБ относятся большая ёмкость на единицу массы, благодаря чему они имеют скромный вес и объем, сравнительно со свинцовыми конкурентами. ВКПД устройства составляет от 94%, при эксплуатации АКБ не загрязняет окружающую среду, благодаря чему они соответствуют европейским стандартам. На сегодняшний день это самый дорогой вид из всех существующих на рынке АКБ (узнать о том, что такое LiFePO4, можно в предыдущей статье).

Как устроены Li-ion аккумуляторы — особенности конструкции

По принципу строения АКБ делятся на два вида: призматические и цилиндрические. Те модели, у которых электродные пластины складываются последовательно одна на другую, называются призматическими. Во втором варианте электроды сворачиваются в рулон, помещают в корпус из стали или алюминия, соединяющий их с отрицательным электродом.

Большей плотности можно достичь при установке электродов в призматических моделях, но в таких устройствах сжимающие усилия на электроды поддерживать несколько сложней. В некоторых моделях призматических аккумуляторов используют рулонную сборку — в них электроды скручивают в спираль. Такой метод сборки позволяет объединить преимущества обоих видов АКБ.

Большинство Li-ion аккумуляторов, которые есть на современном рынке, — это модели призматические, поскольку их главное предназначение — снабжать электроэнергией телефоны, планшеты и ноутбуки. Конструкции данного вида АКБ не универсальны — как правило, производители девайсов против использования аккумуляторов других компаний.

Отдельной разновидностью Li-ion батарей являются те, оболочка которых сделана из ламинированной фольги. В такой батарее не используют корпус, а просто помещают её в пакет из фольги, который герметично запаивают.

Преимущества подобного конструкционного решения очевидны: более легкий вес и различные варианты формы и размеров.

У таких устройств токовыводы могут быть расположены с одной стороны или с противоположных. К их минусам относятся меньший температурный диапазон, а также более часто возникающая проблема вздутия.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей

Понять, как устроены литий-ионные аккумуляторы, невозможно, если не разобраться в функционировании системы защиты. Очевиднее преимущество данного вида АКБ — он имеет самую совершенную систему защиты, состоящую из:

1. ключа на полевом транзисторе;
2. термопредохранителя;
3. выключателя, контролирующего уровень давления.

Схема батареи предусматривает на полевом транзисторе ключ, прерывающий процесс заряда, если значение напряжения достигает 4,20В. Кроме этого, в конструкции предусмотрен термопредохранитель, разъединяющий цепь при нагреве устройства до 90 градусов Цельсия. Некоторые модели оснащены выключателем, разрывающим цепь при достижении давления 10,5 кг/м2 внутри корпуса.

В конструкции батареи предусмотрена защита от глубокого разряда, которая контролирует напряжение каждого элемента и разъединяет цепь при возникновении нагрузки 2,7В. Схема защиты срабатывает в двух случаях: при достижении верхнего и нижнего предела значений. Она является ограничением допустимого рабочего тока.

В Li-ion батареях с небольшой емкостью и мини-габаритами вместо схемы защиты используют предохранитель. Это позитивно сказывается на стоимости АКБ, но при использовании зарядных устройств с простой конструкцией может произойти перезаряд батареи, что выведет её из строя. Определить эту неисправность довольно легко: батарея перегревается и вздувается. Поиск лучшего материала для катода привел к появлению разных подвидов литиевых АКБ: литиево-марганцевые, литий-кобальтовые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и других. Разобравшись, как устроен литиевый аккумулятор, владелец сможет сделать правильный выбор при покупке. Приобрести комплектующие и батареи можно на https://virtustec.ru/komplektuyuschie-akb/.

Результат — покупка модели, которая будет удовлетворять запросы и прослужит долгий период.

китайские технологии и упущенное время / Offсянка

В минувшем году Россия и Китай подписали договор о создании в Новосибирской области первого в России производства литий-ионных батарей для электромобилей. Участниками проекта стали госкорпорация «Роснано» и китайская компания Thunder Sky Group Limited, считающаяся одним из лидеров в серийном производстве батарей для электротранспорта и накопителей энергии. В Новосибирске уже начали строить завод, который будет оснащен четырьмя автоматизированными производственными линиями с более чем пятью сотнями рабочих мест.

Предполагается, что в дальнейшем китайские компоненты для производства батарей будут заменены российскими, и для реализации этого предположения стартовал второй проект «Роснано» — совместно с Институтом химии твердого тела и механохимии СО РАН и Новосибирским заводом химконцентратов. Нина Косова, научный руководитель этого проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии, рассказала нам о российских разработках и о том, почему пришлось приобретать китайские технологии.

Алла Аршинова: Нина Васильевна, давайте начнем с начала. Расскажите, пожалуйста, об эволюции литий-ионных аккумуляторов.

Нина Косова: Первые перезаряжаемые аккумуляторы с литием были просто «литиевые». В качестве катода в них использовался кобальтат лития, а в качестве анода — металлический литий. Между катодом и анодом находится сепаратор, он не дает контактировать двум электродам. Сепаратор смачивается литий-ионным электролитом, и, когда мы подключаем это устройство к электрической сети, ионы лития переносятся от катода к аноду через электролит, а электроны — через внешнюю цепь. Когда начинается заряд, литий выходит из структуры кобальтата лития и встраивается в литиевый анод. Когда же положительный ион лития уходит, ионы кобальта окисляются и становятся четырехвалентными. Этот процесс называется деинтеркаляцией (или, проще говоря, экстракцией) лития. Когда мы зарядили аккумулятор и начали им пользоваться, стартует процесс разряда, и в этом случае реакция идет в обратную сторону: происходит встраивание лития в катодный материал, и это называется интеркаляцией (внедрением).

Сначала в литиевых аккумуляторах использовался литиевый анод, и это было не очень хорошо. Ведь литий — очень активный металл, и, если нарушается целостность такого аккумулятора, может случиться возгорание. К тому жеутилизация таких аккумуляторов достаточно сложна.

Поэтому несколькими годами позже от литиевого анода перешли к углеродному, на основе графита. Выбор в его пользу был сделан потому, что структура графита способна к внедрению и извлечению ионов лития.

Когда стали использовать углеродный анод, поменялось и название — от «литиевого» перешли к «литий-ионному» аккумулятору. Современные же устройства — это «литий-ион-полимерные». Откуда взялись «полимерные»? Использовать жидкие электролиты, содержащие соли лития, не очень удобно — так же, как и металлический литий. Вы, наверное, сами видели, как аккумуляторы иногда «протекали» и из них просачивался жидкий электролит? Так вот, чтобы этого не было, последний стали делать гелеобразным, полимерным. Поэтому сегодня вы чаще всего имеете дело именно с «литий-ион-полимерными» аккумуляторами, если, конечно, речь не идет о чем-то совсем дешевом и безымянном.

Алла Аршинова: Литий и его соединения — это дорогие материалы?

Нина Косова: В природе литий находится в виде солей. Самый крупный поставщик карбоната лития — Чили, но встречается он и в других странах Южной Америки. Второй источник сырья — озера, где концентрация ионов лития очень высока. Например, наш институт недавно нашел такие в Монголии. Также мы разработали процесс переработки литийсодержащих вод. Тем не менее все исходное сырье для литий-ионных аккумуляторов находится в дефиците. Люди быстро поняли, что за этим будущее и деньги. И те, кто сейчас имеет доступ к сырью, диктуют на него мировые цены.

Литий

Алла Аршинова: Автолюбители со стажем помнят, что аккумулятор — штука довольно капризная, и даже за ним приходится следить в оба. А насколько просты в обслуживании современные Li-ion аккумуляторы для электромобилей?

Нина Косова: Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы от остальных? Тем, что вы можете начать заряд и разряд в любой момент, тогда как другой тип батарей это вывело бы из строя. А еще литий-ионные аккумуляторы выдерживают большое количество циклов заряда-разряда и напряжение их гораздо выше.

Для электромобилей очень важно иметь высокомощные источники энергии, поэтому должны быть материалы, которые могли бы работать при больших напряжениях и при больших токах. Для того чтобы получить такие вещества, нужны материалы с высокой электронной и ионной проводимостью. И получать их нужно в наноразмерном состоянии.

Алла Аршинова: Если говорить об электромобилях, какая «химия» должна быть у таких аккумуляторов?

Нина Косова: Аккумулятор аккумулятору рознь. В батарее для телефонов и других небольших устройств можно использовать кобальтат лития. У него много плюсов, но он дороговат.

Электромобиль Dodge ZEO. От одной заряда батареи он сможет проехать чуть больше 400 километров

А есть аккумуляторы для более крупных беспроводных устройств. Здесь, конечно, выгодно использовать литий-железо-фосфат, ведь железо — самый распространенный в природе материал. Литий-железо-фосфат хорош всем, но его очень сложно синтезировать и сделать высокопроводящим. Если в случае с литий-кобальтовыми аккумуляторами от идеи до серийных образцов прошло пять лет, то в случае с литий-железо-фосфатом времени пришлось потратить почти в два раза больше.

Но во всем мире стоит вопрос перехода от транспорта на бензине к электротранспорту. Поскольку для электротранспорта нужны крупногабаритные аккумуляторы, то и материалы для него должны быть дешевле. Так что для транспорта батареи будут делать на основе литий-железо-фосфата.

Первый завод по выпуску таких аккумуляторов был построен в Монреале, в канадском Квебеке. Нас возили туда на экскурсию и показали цех, где как раз испытывают готовые продукты. Их бросают, прокалывают, разогревают и смотрят, как они себя ведут. Ведут хорошо, за безопасность можно не переживать.

Алла Аршинова: Но ведь даже телефоны иногда взрываются…

Нина Косова: Это связано со структурной неустойчивостью кобальтата лития к высоким напряжениям. За счет структурной неустойчивости происходит выделение кислорода, поэтому его нельзя заряжать выше 4,2 вольт. По этой причине в аккумулятор встраивают ограничители по напряжению. А литий-железо-фосфат более устойчив.

Алла Аршинова: Извините за несколько наивный вопрос, но технологии в области литий-железа-фосфата сложные? Нам по силам?

Нина Косова: Сложные, но многие компании их уже освоили. Цена на материал пока, правда, высокая, сравнимая с кобальтатом лития, но она будет падать. Для больших аккумуляторов важно еще и чтобы при нагревании не было побочных реакций с электролитом, приводящих к возгоранию. Литий-железо-фосфат — самый химически и структурно устойчивый катодный материал, он может выдерживать максимальное число циклов заряда-разряда. Когда научились получать это соединение в электрохимически-активном состоянии, забыли обо всем другом — настолько хорошо оно подходит для решения поставленных задач.

Алла Аршинова: Вообще, насколько сложны и затратны исследования в данной сфере?

Нина Косова: Они, скажем так, дорогостоящие. Нужно очень много приборов, методов, это крайне наукоемкая область. Каждый материал может быть получен разными методами, причем каждый метод, в свою очередь, может оказывать влияние на свойства полученного материала.

Концепт Jeep Renegade оснащен литий-ионной батареей, питающей два электромотора мощностью 268 лошадиных сил. Правда, на одном заряде батареи автомобиль может проехать всего 64 километра, поэтому ему помогает 1,5-литровый дизельный двигатель Bluetec

Можно назвать три основные проблемы в работе с кобальтатом лития. Во-первых, этот материал, использующийся практически во всех мобильных телефонах, сам по себе довольно дорог. Просто потому, что кобальтовое сырье де-факто находится в руках одной компании (наша собеседница не стала уточнять ее название, но, по некоторым данным, речь идет о The Umicore Group. — прим. редакции). Во-вторых, он еще и крайне ядовит, что вызывает сложности при переработке. Третий большой недостаток в том, что при заряде-разряде аккумулятора мы получаем в свое распоряжение лишь половину теоретической емкости, а вторая половина этого дорогого материала не работает, лежит в качестве балласта. Вот эти ограничения мы и стараемся обойти.

Алла Аршинова: А реально ли увеличить практическую емкость?

Нина Косова: Да, реально — например, путем поверхностного модифицирования. Но прирост будет невелик, процентов тридцать от силы. Поэтому сейчас ведутся исследования новых катодных материалов. Последние различаются, прежде всего, по структуре. Для процессов интеркаляции (мы уже упоминали этот термин), когда имеем дело с диффузией ионов лития, очень важно — по каким каналам эта диффузия происходит, какая кристаллическая структура у соединений?

Например, структура может быть слоистой. Она состоит из слоев, располагающихся друг под другом, и литий двигается в двумерных каналах. Это хороший вариант, но в нем есть неудобства: если в канале возникает дефект, то литий, дойдя до него, не может никуда повернуть. В результате емкость теряется.

Есть другие структуры. Например, шпинельные 3D-структуры, когда может осуществляться трехмерная диффузия лития. Один из представителей таких катодных материалов — литий-марганцевая шпинель. И здесь диффузия может осуществляться уже в трех направлениях. Плюс еще и в том, что соединения марганца дешевле, а шпинель термически более устойчива.

Одно из основных требований к катодным материалам — хорошая электронно-ионная проводимость. Однако в последние годы также стали интенсивно изучать соединения, которые являются диэлектриками: у них удельная электронная и ионная проводимость ниже, чем 10^-9 См/см.

Алла Аршинова: И как же они тогда работают?

Нина Косова: Оказалось, что получение таких материалов в наноразмерном состоянии и создание поверхностного высокопроводящего углеродного покрытия делает их вполне конкурентоспособными. Это стало громадным рывком в области литий-ионных аккумуляторов. Сейчас одним из наиболее перспективных материалов является литий- железо-фосфат, обладающий каркасной структурой. Именно отсюда, кстати, и появилось слово «нано» в этой области. В результате создали композиционные материалы, где ядро — это литий-железо-фосфат, а оболочка — высокопроводящий углерод. Оказалось, когда размер частиц меньше ста нанометров, можно получить хорошее сцепление с поверхностью этих частиц, и материал, который вообще-то очень плохой проводник, начинает работать просто блестяще.

Алла Аршинова: А когда было открыто это свойство?

Нина Косова: В данной сфере все происходит очень быстро, и шаги от научной мысли до внедрения довольно короткие. Так, Джон Гудэнаф (John B. Goodenough) изобрел кобальтат лития в 1986 году, а уже в начале 90-х Sony начала производить аккумуляторы на его основе. Он же в 96 году получил литий-железо-фосфат, предложив использовать его в качестве катодного материала, и серийное производство началось в 2008-м. Получается, что за свои 12 лет исследований в этой области я пережила значительную часть истории развития литий-ионных аккумуляторов.

Джон Гудэнаф — человек, во многом определивший историю мобильных устройств, и сейчас, несмотря на преклонный возраст, творящий историю электромобилей

Алла Аршинова: Но вы же, наверное, не только следили за ходом истории, но и вносили свой вклад?

Нина Косова: Мы называемся Институт химии твердого тела и механохимии. Основное направление деятельности — материаловедение с применением метода механической активации. Институт много лет конструирует высоконапряженные планетарные мельницы для обработки материалов. Понимаю, что это звучит устрашающе, поэтому постараюсь объяснить попроще.

Обычная шаровая мельница — это барабан, в котором находятся шары. Внутрь загружают материал, и, когда мельница начинает работать, он измельчается при помощи ударов шаров, но измельчение никогда не происходит до наноразмеров. Без которых, как мы уже знаем, не обойтись.

Наши мельницы устроены немного по-другому. Если в шаровых мельницах используется только одно механическое воздействие — удар, то в других конструкциях может действовать сдвиг. В планетарных мельницах одновременно осуществляются два воздействия: удар и сдвиг. Планетарными они называются потому, что барабаны вращаются как вокруг собственной оси, так и вокруг общей, подобно планетам в Солнечной системе. За счет этого достигаются большие энергии и реализуется более тонкое измельчение.

Мы наблюдаем два основных эффекта: измельчение и дефектообразование. Кристаллические соединения превращаются в аморфные, становятся наноразмерными и высокореакционными. Мы даже наблюдаем протекание процессов синтеза. В результате такой обработки иногда реализуются реакции, которые могут происходить только при нагревании, а мы их наблюдаем при комнатной температуре: пять минут проактивировали смесь реагентов и получили литий-марганцевую шпинель.

Алла Аршинова: Тут самое время спросить — как вам помогает «Роснано»?

Нина Косова: Сейчас «Роснано» реализует в Новосибирске два проекта, связанных с литий-ионными аккумуляторами. Первый — это строительство завода, которое заключается в копировании китайского аналога. Согласно договору, планируется выпуск аккумуляторов для электроавтобусов по китайской технологии и из китайских материалов, но только на территории Новосибирской области.

Гибридный автобус Foton Euro V hybrid, подарок Пекина Москве как городу-побратиму

Второй проект связан с производством литий-железа-фосфата по нашей механохимической технологии, и я его научный руководитель. В нем есть три участника: ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» (НЗХК), ОАО «ТВЭЛ» и наш институт. НЗХК входит в состав ТВЭЛ, они делают оборудование для ядерных станций. Цель проекта заключается в создании технологии производства катодного материала, а затем использовании данного продукта вместо китайского по программе импортозамещения. Потому что планируется, что однажды аккумуляторный завод будет работать только на российских материалах.

Алла Аршинова: А свои инженерные решения у нас есть?

Нина Косова: Они-то есть. Но нет крупного производства литий-ионных аккумуляторов, только предприятия, пытающиеся его наладить.

Алла Аршинова: Какая «химия» будет применяться у нас?

Нина Косова: Это пока вопрос открытый. Китайские производители заявили, что используют в своих аккумуляторах железо-фосфат лития. Но до сих пор не предоставляют нам ни материалы, ни их состав. Если с китайцами у нас что-то не сложится, то, в конце концов, Прохоров начал делать свой Ё-мобиль. Промышленники, выпускающие аккумуляторы, испытывают острую необходимость в новых материалах, а то, что они могут купить за рубежом, им продают дорого и плохого качества. Поэтому потребность в материалах для литий-ионных аккумуляторов в России громадная.

Батареи с литий-железо-фосфатом применяются даже в детских игрушках. Появятся ли аналоги с надписью «Сделано в России»?

Алла Аршинова: А есть ли альтернативы этому более-менее устоявшемуся типу батарей?

Нина Косова: Конечно. Сейчас разрабатываются новые виды аккумуляторов. Например, литий-серные и литий-воздушные аккумуляторы. В Америке они начали изучаться только в последние годы, но у них тратят на такие исследования миллиарды долларов.

Алла Аршинова: А сфера применения у них будет такая же?

Нина Косова: Предположительно, да.

Алла Аршинова: В целом как вы оцениваете идею производства литий-ионных аккумуляторов в нашей стране?

Нина Косова: Все страны работают в области литий-ионных аккумуляторов, кроме России. Я уже лет двенадцать езжу на международные конференции, и, как правило, если в ней участвует 700 человек со всего мира, нашу страну представляю я одна. Поэтому, это большое и важное дело для России. Получится, не получится — другой вопрос, но главное, что на международной арене уже прозвучало: Россия начала двигаться в этом направлении. Также это хорошо с точки зрения развития города, потому что появляются новые рабочие места и связанные с ними доходы. Это важно и для развития страны в целом, ведь посмотрите — наши военные, например, до сих пор используют устаревшие типы аккумуляторов на подводных лодках, в системах наведения, в космической отрасли.

Алла Аршинова: А с чем связано наше отставание? С банальной нехваткой средств?

Нина Косова: В эту область нужны серьезные вложения. Хорошо, если бы у нас в Академгородке была создана лаборатория по литий-ионным аккумуляторам, оснащенная современным оборудованием. Нет, конечно, можно работать и без денег. На голом энтузиазме. Мы начали исследования с пустой комнаты и стула, а требовались очень дорогие исходные материалы, нужно было приобрести установки по циклированию, выпускающиеся только за рубежом… Никаких денег на это нам никто не давал, приходилось заключать хоздоговора по другой тематике и зарабатывать деньги, чтобы купить хоть что-то. Например, установки по циклированию нам сделали в качестве курсовых работ студенты НГТУ. Они хорошо потрудились, и установки получились мирового уровня. Но было потеряно время.

Та самая планетарная мельница из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН

Теперь мы догоняем мир. Когда в 1998 году на международной конференции по ионике твердого тела я впервые рассказала, что мы синтезируем наноразмерные катодные материалы, это было новым и необычным — до того момента все синтезировали только материалы микронных размеров. Считалось, что если уйти в нано, будут нежелательные эффекты, связанные с побочными реакциями с электролитом. Но оказалось, что это не совсем так. Сейчас большинство докладов на конференциях по литий-ионным аккумуляторам посвящено наноматериалам. Мы действительно были пионерами в этой области. И если бы в тот момент получили финансовую поддержку, то и завод был бы построен на 10 лет раньше, и уж, наверное, Россия обошлась бы без китайских технологий…

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Литий-ионные аккумуляторы станут эффективнее благодаря кремнию, германию и углеродным наностенкам

Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына вместе с коллегами с химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова разработали новый материал на основе кремния и германия, с помощью которого можно существенно повысить удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов. Результаты работы были опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее часто используемый тип накопителей энергии в современных электронных устройствах. Такие аккумуляторы состоят из двух электродов, отрицательного (анода) и положительного (катода), которые помещены в герметичный корпус. Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, пропитанным электролитом — растворенной литиевой солью. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между разнополярными электродами и обеспечивает необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита. Электрический ток во внешней цепи возникает, когда ионы лития движутся из вещества анода через электролит в вещество катода. При этом энергоемкость литий-ионного аккумулятора во многом определяется количеством ионов лития, которые могут принять и перенести активные материалы анода и катода.

Ученые разработали и исследовали новый анодный материал, позволяющий заметно повысить энергоэффективность литий-ионных аккумуляторов, в том числе используемых в тонкопленочных приложениях.

«Сегодня большое внимание уделяется разработке анодных материалов на основе таких элементов, как кремний (Si) и германий (Ge). Эти элементы при взаимодействии с ионами лития способны образовывать сплавы, теоретическая энергоемкость которых значительно превышает емкость графита — традиционного анодного материала современных литий-ионных аккумуляторов», — рассказал Виктор Кривченко, один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики плазмы и физических основ микротехнологии отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ.

Из всех известных анодных материалов кремний обладает наибольшей теоретической литиевой емкостью, достигающей 4200 мАч/г, что делает его наиболее перспективным материалом для аккумуляторов с повышенной энергоемкостью. В свою очередь, германий, хоть он дороже и менее емкий, чем кремний, лучше проводит через себя электрический ток. При этом перенос ионов лития (диффузия) внутри германия протекает на несколько порядков интенсивнее, чем внутри кремния. Такие особенности германия позволяют значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов без существенного изменения их объема.

Основная проблема электродных материалов заключается в том, что их структура разрушается в цикличном процессе заряда и разрядки, что приводит к выходу литий-ионного аккумулятора из строя. Ученые предлагают решить эту проблему с помощью перехода к наноструктурированным материалам и создания композитных материалов, где в качестве стабилизирующей матрицы могут выступать различные углеродные наноструктуры. Альтернативный вариант решения — переход от традиционного двухмерного к трехмерному распределению активного вещества на поверхности электродов.

«Главная новизна представленной работы заключается в том, что для реализации анодных материалов с требуемыми структурными и функциональными свойствами на основе кремния и германия использовалась матрица, сформированная плазмохимически синтезированными углеродными структурами с очень развитой поверхностью. Такие структуры представляют собой плотный массив графеноподобных наностенок, ориентированных перпендикулярно к поверхности металлической подложки», — рассказал Виктор Кривченко.

В ходе работы ученые использовали метод магнетронного напыления, что позволило им однородно покрыть поверхность наностенок слоем кремния или германия толщиной 10-50 нанометров. При этом конечная структура композитного анода может состоять как из одного слоя активного материала, так и из чередующихся слоев. В результате было показано, что полученная трехмерная архитектура позволяет достигнуть высокой удельной емкости и повышает стабильность удельных характеристик анодов на основе кремния и германия.

«Результаты представляют существенную научно-техническую основу для дальнейшего создания перспективных электродных материалов для накопителей энергии нового поколения. В рамках работы были достигнуты научные результаты мирового уровня в области разработки, исследования электрохимических и физико-химических свойств, а также применения новых наноструктурных материалов. Проведенные исследования позволили получить новые экспериментальные данные, способствующие расширению теоретических знаний о поведении наноструктур в электрохимических системах», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Дубна, Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан) при технической поддержке специалистов компании «Инжиниринговый инкубатор».

Ликбез по аккумуляторным элементам | Автомобили будущего

Итак, надеюсь, что Вы уже прочитали ЛИКБЕЗ ПО БАТАРЕЯМ и теперь хотите больше узнать о данной теме. Для этого углубимся внутрь аккумуляторных элементов, из которых батарея состоит.

Химия решает все!

Любой аккумуляторный элемент – это электрохимический источник тока. Химия внутри нее решает все и определяет все ее параметры. Именно с химией экспериментируют ученые, чтобы создать новые источники тока и улучшить старые. По химическому составу аккумуляторы делятся на большие группы: на сегодняшний день это аккумуляторы на основе свинца, никеля и лития. Добавляя дополнительную химию к этим трем основным металлам, ученые стараются получить новые требуемые свойства аккумулятора, а чистота используемой химии определяет их качество. Аккумуляторы на основе свинца еще какое-то время будут применяться как стартовые батареи, пока не отомрут окончательно. Никелевые элементы пока активно используют в батареях гибридов, но постепенно заменяются литиевыми, которые на сегодняшний момент является основными для подавляющего большинства применений: от смартфонов до электромобилей и систем хранения энергии. Активно ведутся поиски замены литию, но это уже технологии завтрашнего дня.

Основные потребительские параметры: все дело – в деталях!

Сейчас мы не просто повторим основные параметры аккумуляторов, описанные в «Ликбезе по батареям», но узнаем новые параметры, а также много тонкостей и деталей, которые особенно важны для автотранспортного применения.

1. Емкость. Как и в батареях, это — самый главный параметр аккумуляторных элементов, причем, в отличие от батарей, общепринят только один показатель: емкость по току в Ah. Она обозначается буквой «с». Это обозначение используется для указания других токовых параметров аккумулятора.

Например, указан максимальный ток заряда — 1с, и максимальный ток разряда 10с. Емкость равна 10Аh. Это значит, что ток заряда не должен превышать 10А, а ток разряда – 100А.

2. Удельная емкость. Показывает, какую емкость мы получаем с одного килограмма веса аккумулятора. Измеряется в Ah/kg. Это – важнейший параметр для разработчиков батарей. Они постоянно ищут, как его улучшить. Сегодняшний бурный рост производства электромобилей стал возможен именно благодаря тому, что удельная емкость литий-ионных аккумуляторов существенно превысила этот параметр у никелевых и свинцовых. И как только разработчики смогут улучшить удельную емкость в несколько раз, — начнется переход на электротягу и в авиации.

Здесь сразу надо обратить внимание на важный нюанс: зависимость параметров друг от друга при производстве аккумуляторов. Так, удельная емкость Li—ion элемента может достигать 250Ah/kg, но если изготовить высокотоковый Li—ion элемент, то удельная емкость снизится до 150Ah/kg. А если при этом еще требуется достигнуть очень длительный срок службы – снизится вплоть до 60Ah/kg.

3. Рабочее напряжение. Все важное уже сказано в статье «Ликбез по батареям».
4. Рабочий ток. Определяется конструкцией и химией, ограничивается внутренним сопротивлением.

Высокий рабочий ток является важным параметром для электроинструмента, причем даже в ущерб емкости.

5. Возможность быстрой зарядки. Аккумуляторы на литиевой и никелевой основе должны заряжаться при 1C или медленнее. Заряд током выше 1С является быстрым. При зарядке аккумулятора быстрым способом необходимо соблюдать следующие условия:
   • Батарея должна быть рассчитана на сверхбыструю зарядку и должна быть в хорошем состоянии.
   • Быстрая зарядка применяется только во время первой фазы зарядки. Ток зарядки должен быть снижен после того, как аккумулятор достигнет уровня заряда 70…80%.
   • Все ячейки в упаковке должны быть сбалансированы и иметь ультранизкое сопротивление. Стареющие элементы недопустимы.
   • Сверхбыстрая зарядка возможна только при умеренных температурах.
6. Долговечность. Зависит от химии и конструкции аккумулятора. Снижается если условия использования выходят за допустимые границы.

Долговечность, наряду с удельной емкостью, и возможностью быстрой зарядки, — важнейшие параметры для электротранспорта.

7. Остальные параметры соберем в этом последнем пункте. Это безопасность, стоимость, рабочий диапазон температур и саморазряд. От последнего показателя зависит срок хранения аккумулятора.

Безопасность важна для литиевых элементов, поэтому для них обязательно использование электронных схем защиты.

Саморазряд никелевых элементов существенно хуже литиевых. Поэтому никелевые батареи гибридных автомобилей плохо переносят длительный простой. Стоящий на приколе гибрид рекомендуется заводить для подзарядки один раз в месяц, а морозной зимой – один раз в неделю.

Ретроспектива литий-ионных аккумуляторов

Анод

Металлический литий — самый легкий металл, он обладает высокой удельной емкостью (3,86 Ач г ^{— 1} ) и чрезвычайно низким электродным потенциалом (−3,04 В по сравнению со стандартным водородом электрод), что делает его идеальным анодным материалом для высоковольтных и высокоэнергетических батарей. Однако электрохимический потенциал Li ⁺ / Li лежит выше самой низкой незанятой молекулярной орбитали (НСМО) практически известных неводных электролитов, что приводит к непрерывному восстановлению электролита, если не образуется пассивирующая граница раздела твердого электролита (SEI) ¹ .SEI подвержен повреждению и неравномерно восстанавливается на поверхности металлического лития из-за большого изменения объема и высокой реакционной способности металлического лития, что приводит к росту дендритов, что может вызвать короткое замыкание и возгорание ячейки (рис. 1а).

Рис. 1: Важнейшие открытия, которые сформировали современные литий-ионные батареи.

Разработка анодных материалов ( a ), включая металлический литий, нефтяной кокс и графит, ( b ) электролитов с растворителем пропиленкарбонатом (PC), смесью этиленкарбоната (EC) и по крайней мере одного линейного карбоната выбран из диметилкарбоната (DMC), диэтилкарбоната (DEC), этилметилкарбоната (EMC) и многих добавок, катодных материалов ( c ), включая материалы конверсионного типа, интеркаляционные материалы, дисульфид титана (TiS ₂ ) и кобальт лития. оксид (LiCoO ₂ ).

Чтобы избежать проблем с безопасностью металлического лития, Арманд предложил сконструировать литий-ионные аккумуляторы с использованием двух разных узлов интеркаляции ^2,3 . Безенхард сообщил о первом графитовом электроде на основе литий-ионной интеркаляции, показав, что графит может интеркалировать несколько ионов щелочных металлов, включая ионы лития ⁴ . Графит интеркалирует ионы Li на основе слоистой структуры с наполовину заполненными орбиталями p _z , перпендикулярными плоскостям, которые могут взаимодействовать с орбиталями Li 2s, чтобы ограничить объемное расширение и рост дендритов.Однако удельная емкость графита (LiC ₆ , 0,372 А · ч г ^–1 ) ¹ намного меньше, чем у металлического лития. Так продолжалось до полного отзыва литий-металлических батарей компанией Moli Energy после нескольких пожаров, когда такие интеркалирующие материалы, как графит, все чаще рассматривались как жизнеспособный анод в гонке за замену металлического лития для повышения безопасности. В то время соинтеркаляция электролита (пропиленкарбоната ПК) приводила к расслоению и разрушению графита (рис.1а), что затрудняет его применение в аккумуляторном элементе.

В 1985 году Акира Йошино ⁵ из Asahi Kasei Corporation обнаружил, что нефтяной кокс, менее графитизированный углерод из остатков нефтяного фракционирования, может обратимо интеркалировать ионы Li при низком потенциале ~ 0,5 В относительно Li ⁺ . / Ли без структурного разрушения. Его структурная стабильность обусловлена ​​областями аморфного углерода в нефтяном коксе, служащими ковалентными соединениями для скрепления слоев ⁶ (рис.1а). Хотя аморфная природа нефтяного кокса ограничивает емкость по сравнению с графитом (~ Li _0,5 C ₆ , 0,186 Ач г ^–1 ) ⁶ , он стал первым коммерческим интеркаляционным анодом для литий-ионных аккумуляторов благодаря своему устойчивость при езде на велосипеде.

Катод

Чтобы обеспечить высокую емкость металлического лития, сначала рассматривались катоды конверсионного типа, включая фториды, сульфиды или оксиды металлов (рис. 1c). Во время работы от батареи эти материалы реагируют с образованием фаз с различной структурой и новым составом ⁶ .Следовательно, преобразовательные электроды не допускают много циклов, поскольку разрыв связи и преобразование происходят во время каждого цикла.

Зная об ограничении реакций превращения, ученые обратились к новым механизмам накопления ионов лития, которые не предполагают структурного разрушения во время цикла. Халькогениды металлов (MX ₂ ) со слоистой структурой и доступным пространством для хранения литий-ионных гостей привлекли внимание Уиттингема и его сотрудников из Exxon ⁷ , которые показали, что дисульфид титана (TiS ₂ ) может химически интеркалировать Li- ионы во всем стехиометрическом диапазоне с минимальным расширением решетки.В 1973 и 1974 годах Уиттингем применил TiS ₂ в качестве катода для батарей (рис. 1c), а затем продемонстрировал элемент 2,5 В в 1976 году ⁸ .

По-видимому, низкое напряжение батареи TiS ₂ // Li указывает на то, что ее удельная энергия ограничена. Стремясь найти новые катодные материалы, которые интеркалируют ионы Li при более высоких потенциалах, Гуденаф обратился к оксидным эквивалентам халькогенидов металлов (MX ₂ , где X = O). Он отметил, что вершина полос S-3p ⁶ выше по энергии, чем у полос O-2p ⁶ , что обеспечивает более высокие потенциалы интеркаляции для оксидов металлов, чем сульфиды металлов ⁹ (рис.1в). Более высокая энергия полос S-3p ⁶ в сульфидах металлов объясняется меньшей электростатической энергией Маделунга (более крупный сульфид-ион) и большей энергией, необходимой для переноса электрона от катиона (M ^{n +} ) на S ^{. —} / S ^2– с бесконечным разделением ⁹ .

Это базовое понимание привело к открытию трех классов оксидных катодов Гуденафом и его сотрудниками ¹⁰ . В 1979 и 1980 годах Гуденаф сообщил об оксиде кобальта лития (LiCoO ₂ ) ¹¹ , который может обратимо поглощать и высвобождать ионы лития при потенциалах выше 4.0 В по сравнению с Li ⁺ / Li и позволял использовать перезаряжаемую батарею 4,0 В в сочетании с литиево-металлическим анодом. Однако кобальт имеет ограниченное количество, что является препятствием для его применения. Шпинель LiMn ₂ O ₄ ¹² с тетраэдрическими ионами лития предлагает окислительно-восстановительный потенциал ~ 4,0 В по сравнению с Li ⁺ / Li при меньшей стоимости. Однако он ограничен проблемами разложения из-за растворения Mn в присутствии ионов H ⁺ (уровень ppm) в электролите.Оксид полианиона Li _x Fe ₂ ( X O ₄ ) ₃ ( X = S, Mo, W и т. Д.) ^13,14 предлагает более высокое напряжение ячейки по сравнению с простыми оксидами например, Fe ₂ O ₃ / Fe ₃ O _4. Ковалентная связь X -O в полианионоксиде ослабляет ковалентность связи Fe-O за счет индуктивного эффекта, что приводит к снижению окислительно-восстановительной энергии пары Fe ^{2 + / 3 +} и, следовательно, увеличение окислительно-восстановительного потенциала (например, от <2.5 В для Fe ₂ O ₃ до 3,6 В для Li _x Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ ). Оксид полианиона обеспечивает преимущества снижения стоимости за счет большого количества переходных металлов, таких как Fe, а также улучшенную термическую стабильность и безопасность благодаря прочной ковалентной связи кислорода. Однако он страдает плохой электронной проводимостью и более низкой плотностью. Среди трех классов оксидов слоистые оксиды с высокой гравиметрической и объемной плотностями энергии остаются любимыми катодами до сих пор ¹⁰ , а электрод LiCoO ₂ в настоящее время является доминирующим катодным материалом, который питает большинство персональных электронных устройств.

Электролит

Рабочее окно электролита определяется его НСМО и высшей занятой молекулярной орбиталью (ВЗМО), которая должна быть выше, чем электрохимический потенциал анода ( μ _a ), и ниже, чем электрохимический потенциал катод ( μ _c ) соответственно (LUMO> μ _a , HOMO < μ _c ). В качестве альтернативы, стабильный пассивирующий слой SEI должен быть создан на аноде или катоде в случае LUMO < мкм _a или HOMO> мкм _c , соответственно ¹ .

Создание стабильного SEI путем подбора состава электролита позволило практическое применение графитового анода. Первоначально ПК был предпочтительнее этиленкарбоната (ЭК) из-за его более низкой температуры плавления (-48,8 ^o C) по сравнению с EC (36,4 ^o C) ⁶ . Однако сообщалось, что ПК вызывает структурное повреждение графита, что приводит к сокращению срока службы. Исследователи Sanyo ^6,15 заявили об успешном электрохимическом литиировании графита в электролитах на основе ЭК, а Dahn ¹⁶ сообщили, что ЭК может подавлять расслоение графита из-за образования жертвенного SEI, открывая путь для разработки графитового анода для Литий-ионные аккумуляторы (рис.1б). С тех пор ЕС стал незаменимым растворителем для литий-ионных аккумуляторов. Возможные механизмы, лежащие в основе «несоответствия EC — PC» ¹⁷ , объясняются различиями между продуктами их восстановления. Изогнутая цепная структура декарбоната пропилена лития (продукт восстановления ПК) склонна к образованию рыхлых отложений с плохой когезией на поверхности электрода. EC имеет тенденцию образовывать соединение интеркаляции графита с более высокой заселенностью анионов (например, PF ₆ ^— ) в сольватной оболочке Li ⁺ , чем PC, что приводит к более высокому содержанию F-содержащего продукта SEI, чей энергетический разрыв между LUMO и HOMO велик достаточно, чтобы изолировать туннелирование электронов от анода, обеспечивая эффективную пассивацию разложения электролита.

Новое поколение литий-ионных аккумуляторов может удерживать больший заряд — не загораясь | Наука

Литий-ионные батареи

питают все, от ноутбуков до газонокосилок. Но они могут воспламениться при повреждении, потому что в их основе лежат легковоспламеняющиеся компоненты. Теперь исследователи сообщают, что они переработали эти батареи для работы с негорючими материалами. В качестве бонуса новые батареи могут хранить даже больше энергии, чем нынешние модели.

Работа является «совершенно замечательным прогрессом», — говорит Глеб Юшин, ученый-материаловед из Технологического института Джорджии в Атланте, который не принимал участия в исследовании.В случае коммерциализации новые батареи могут помочь обезопасить водителей электромобилей, даже если они попадут в аварию.

Литий-ионные батареи содержат три основных компонента: два электрода для хранения заряда и жидкий органический электролит, разделяющий их. Электролит перемещает ионы лития между электродами во время зарядки и разрядки, но они легко воспламеняются.

В последние годы исследователи экспериментировали с заменой этих органических электролитов твердыми электролитами или версиями на водной основе, которые не загораются.Но если рабочее напряжение этих батарей на водной основе превышает 1,23 вольт (В) — ниже напряжения даже 1,5-вольтовой батареи AA, — материалы электродов могут вступать в реакцию с молекулами воды, расщепляя их на водород и кислород, что часто приводит к взрыву. Тем не менее, когда исследователи остаются ниже порога 1,23 В, они получают батареи, которые хранят гораздо меньше энергии, чем традиционные литий-ионные элементы, которые работают при напряжении около 4 В.

Надежда на альтернативу возникла в 2015 году, когда исследователи во главе с Чуншенгом Ван, ученый-материаловед из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, сообщил, что они создали новый богатый солью электролит на водной основе.Этот водно-солевой электролит (WiSE) способствует образованию твердого защитного экрана вокруг электродов, который не позволяет им разрывать молекулы воды внутри электролита. Но материалы электродов в этих батареях могли выдерживать только 3 В.

Перспективы улучшились в 2017 году, когда Ван и его коллеги сообщили, что они придумали положительно заряженный электрод или анод, материал, который был совместим с работой 4 В и работал с ним. Мудрый. Осталось только обратиться к отрицательно заряженному электроду или катоду.

Вот это и сделали Ван и его коллеги. Сегодня они сообщают в Nature , что они придумали катод на основе графита, который работает с WiSE при напряжении 4 В и выше. Новый электродный материал включает в себя бром и хлор, и в конечном итоге он защищен от электролита на водной основе, блокируя реактивные электродные материалы в частицах твердой соли вокруг электрода. Батарея начинается с лития, связанного твердыми частицами литий-бромной и хлоридно-литиевой соли, окружающими графитовый электрод, состоящий из слоев атомов углерода.Когда батарея заряжается, атомы брома и хлора отбрасывают своих литиевых партнеров, отдают электроны катоду и вклиниваются между углеродными слоями графита, образуя еще одно красивое плотное твердое тело. Разница напряжений между двумя электродами затем перемещает положительно заряженные ионы лития через электролит на водной основе к аноду, где они встречаются с электронами, обеспечиваемыми внешней цепью.

Когда батарея разряжается во время использования, ионы лития отдают эти электроны и возвращаются к катоду.Электроны возвращаются через внешнюю цепь к катоду, где атомы брома и хлора захватывают их и в конечном итоге получают отрицательный заряд. Этот заряд заставляет их диффундировать обратно из графита. Затем ионы лития захватывают их, преобразовывая твердые частицы соли, которые остаются на месте до следующего цикла зарядки.

Ван и его коллеги отмечают, что их катодные материалы уже имеют примерно на 30% большую емкость хранения заряда, чем обычные катодные материалы.Но еще неизвестно, будут ли полные батареи, включая новый электролит, в конечном итоге содержать больше энергии, чем коммерческие версии.

Даже если бы они этого не сделали, новые батареи WiSE не потребовали бы кобальта, токсичного металла в обычных литий-ионных катодах. Добыча кобальта была связана с повсеместной гибелью шахтеров — часто детей — в Демократической Республике Конго, где редкий металл относительно распространен. Это сделает батареи более безопасными не только для потребителей, но и для горняков и окружающей среды.

ViPER — Исследования

Литий-ионный | Литий-сера | Натрий-ионный | Калий-ионный | Твердотельные батареи

Литий-ионный аккумулятор

Обычные литий-ионные батареи состоят из графитового анода и катода из оксида литий-переходного металла. Во время фазы заряда ионы лития внедряются между отдельными графеновыми слоями графита с образованием гексакарбида лития (LiC ₆ ). Во время фазы разряда ионы Li вводятся в катод.Перезаряжаемые литий-ионные батареи сегодня широко распространены в области электрохимического накопления энергии из-за их высокой плотности энергии и широкого спектра применений в портативных электронных устройствах, имплантируемых медицинских устройствах и электромобилях. Несмотря на эти преимущества, литий-ионным аккумуляторным батареям не хватает высокой плотности мощности (т. Е. Скоростных характеристик), необходимой для многих коммерческих приложений. Одна из основных задач — получение отличных скоростных характеристик при сохранении длительного срока службы и безопасности. Электронная и ионная проводимость большинства электродных материалов недостаточна для достижения высоких скоростных характеристик.Использование графитовых анодов с теоретической емкостью 372 мАч / г является одним из критических факторов, ограничивающих производительность и безопасность литий-ионных аккумуляторов текущего поколения. Другой проблемой безопасности является использование легковоспламеняющихся растворов органических электролитов.

Цели данного исследования включают:

• Разработка новых методов синтеза наноструктурированных электродных материалов большой емкости
• Повышение безопасности и срока службы за счет изготовления электродов и электролитов новой конструкции
• Синтез органо-неорганических гибридных электродов с превосходными электрохимическими характеристиками

Наша общая цель при исследовании литий-ионных аккумуляторов — преодолеть вышеупомянутые недостатки путем создания наноструктурированных электродных материалов и гибридных электролитов.

Литий-серная батарея

В последние годы растет интерес к вторичной литий-серной (Li-S) батарее, поскольку присутствие серы в качестве активного материала позволяет катоду удерживать большее количество энергии на массу активного материала. Это приводит к тому, что Li-S предлагает максимальную теоретическую емкость 1675 мАч / г и высокую теоретическую плотность энергии 2600 Втч / кг, что является наивысшим расчетным значением среди твердофазных элементов. Для сравнения, коммерческие литий-ионные батареи демонстрируют теоретическую плотность энергии 570 Втч / кг для систем с оксидом лития-кобальта и 180 Втч / кг для систем с оксидом лития-марганца.Li-S также имеет различные преимущества в плане безопасности, доступности и финансовых возможностей. Однако основной проблемой Li-S батареи является эффект полисульфидного челнока, при котором самопроизвольное образование полисульфидов препятствует работе Li-S. Во время первого цикла разряда частицы серы принимают электроны и реагируют со свободными ионами лития в электролите с образованием полисульфидов лития, которые растворяются в большинстве органических электролитов, отбирают пригодный для использования литий из системы и наблюдаются в электрохимических испытаниях как быстрое снижение емкости и непрерывное саморазряд элемента при хранении.Наиболее широко изученный и, возможно, самый многообещающий подход к Li-S — это реализация новой трехмерной композитной архитектуры углерод-сера на катоде. Этот подход наилучшим образом улучшает разрядную емкость, цикличность и эффективность Columbic за счет значительного уменьшения эффекта челнока и увеличения чистой проводящей способности. Основное внимание в нашей работе уделяется разработке масштабируемых, экологически чистых и эффективных методов синтеза, а также пористых углеродно-серных композитов для практических литий-серных батарей.Эта работа также включает оптимизацию методов синтеза, а также совместимых систем электролитов.

Натрий-ионная батарея

По оценкам, к 2040 году мировое производство энергии вырастет примерно до 49 триллионов киловатт-часов; беспрецедентный рост почти вдвое по сравнению с текущим размером. Этот прогноз ставит перед нами впечатляющую задачу по сбору и хранению этого огромного ресурса как эффективно, так и действенно. Крупномасштабные системы накопления энергии (ESS), включая гидроаккумуляторы с гидроаккумулятором, сжатый воздух, маховики и электрохимические батареи, являются многообещающими кандидатами для удовлетворения таких экстремальных требований.В частности, электрохимические батареи становятся все популярнее благодаря их гибкости при выравнивании нагрузки, высокой эффективности преобразования энергии и простоте обслуживания. В настоящее время тремя коммерчески доступными электрохимическими ЭЭС являются свинцово-кислотный, натриево-серный (Na-S) и литий-ионный (Li-ion), но каждая система демонстрирует определенный уровень инвалидности. Свинцово-кислотная химия страдает низкой плотностью энергии и коротким жизненным циклом. Для химического состава Na-S требуются чрезмерно высокие рабочие температуры, близкие к 300 ° C, и он легко подвержен коррозии.Литий-ионная химия требует высоких затрат на внедрение и чувствительна к колебаниям температуры. Следовательно, улучшение существующих проектов ESS может обеспечить превосходную функциональность сети, снизить эксплуатационные расходы, сократить инвестиции в инфраструктуру и повысить уровень надежности.

Наиболее популярным решением для ESS следующего поколения является система с ионами натрия (Na-ion). Na-ионная химия привлекательна по следующим причинам:

• Натрий является 4-м наиболее встречающимся в природе элементом, его содержание в 1000 раз больше, чем у лития
• Восстановительный потенциал металлического натрия (-2.7109 В) примерно равно металлическому литию (-3,045 В)
• Прекурсор металлического натрия (трона: 165 долларов США за тонну) в 30 раз дешевле, чем его литиевый аналог (карбонат лития: 5000 долларов США за тонну)
• Диапазон рабочих температур для Na-ионной химии близок к температуре окружающей среды

Несмотря на эти практические преимущества, химия ионов натрия сопряжена с рядом проблем:

• Ионы натрия испытывают медленную кинетику диффузии
• Большинство анодных материалов с большой емкостью подвергаются большому объемному расширению и структурному измельчению при циклировании
• В химии ионов натрия в настоящее время отсутствует подходящая оптимизированная система электролита, которая дает стабильный промежуточный слой вторичного электролита (SEI)

Эти проблемы можно объяснить большим размером катиона натрия, радиус которого равен 0.На 26 Å больше, чем у катиона лития с радиусом 0,76 Å. Это эквивалентно увеличению размера катионов на 140%.

Наша цель в разработке Na-ионных аккумуляторов — разработать эффективные, высокоэффективные электродные материалы, которые отличаются долговечностью; высокая безопасность; и простые, экономичные процессы синтеза. Дальнейшее развитие анодных материалов на основе ионов натрия включает композиционные материалы с оксидами металлов и сплавами; твердые угли; а также микро- и нанокомпозиты с уникальной морфологией.

Калийно-ионный аккумулятор

Из-за высокой стоимости и нехватки лития все большее значение приобретает поиск альтернативных систем металл-ионных батарей для более дешевого хранения энергии. Недавно было показано, что ионы калия обратимо интеркалируют в графит, стандартный анод для литий-ионных батарей, несмотря на неспособность ионов натрия делать это. Высокая теоретическая емкость 279 мАч / г и плато напряжения 0,2 В являются многообещающими, но громоздкие ионы калия ограничивают характеристики при высоких токах.Наша лаборатория заинтересована в исследовании новых электродных материалов и наноструктур для K-ионных аккумуляторов. В частности, мы экспериментируем с углеродными структурами, такими как графен, нанотрубки, нановолокна и углерод, полученный из аморфной биомассы, которые могут выдерживать большое изменение объема (50%) введения калия. Кроме того, уменьшенные диффузионные расстояния и увеличенный контакт с электролитом обеспечивают превосходную производительность и цикличность по сравнению со стандартным графитовым материалом. Помимо углеродистых материалов, мы изучаем новые 2D-структуры, такие как Mxenes и MoS ₂ , для электрохимических характеристик и понимания механизмов в системе K-ионов.Мы также изучаем безопасность K-ионных батарей с точки зрения экзотермических реакций и теплового разгона. Неизвестная природа межфазного образования твердого электролита в системе K-иона и ее роль в безопасности батареи изучаются, а также изучается состав электролита.

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи

(SSB) считаются ключевым решением для технологий хранения энергии следующего поколения. Замена легковоспламеняющегося жидкого электролита твердотельными ионными проводниками также позволяет достичь повышенной плотности энергии за счет сопряжения с металлическим литиевым анодом.Однако значительно высокий импеданс на границах раздела твердое тело-твердое тело из-за плохого контакта между электродом и частицами электролита приводит к плохим характеристикам при комнатной температуре и высокой скорости заряда-разряда. Это гарантирует индивидуальный интерфейс, позволяющий использовать подходящие механизмы переноса заряда для обеспечения SSB с высокой плотностью энергии. Следовательно, целью нашей группы ViPER является минимизация межфазного импеданса в SSB для повышения производительности.

Литий-ионные проводники на основе граната

будут выбраны в качестве базовой модельной системы из-за их высокой литий-ионной проводимости (~ 10 ^-4 -10 ^-3 См / см), термической и электрохимической стабильности с металлическим литиевым анодом и катоды высокого напряжения.LLZO, легированный танталом (Li _6,4 La ₃ Zr _1,4 Ta _0,6 O ₁₂ ), имеет самую высокую литий-ионную проводимость ~ 10 ^-3 См / см при комнатной температуре среди других систем LLZO. Разработка гибридного электролита LLZO, легированного Ta с литий-ионными проводящими полимерами, считается новой стратегией улучшения межфазных контактов. Синергетический эффект высокой ионной проводимости LLZO и гибкости полимеров делает гибридные электролиты многообещающей стратегией для улучшения характеристик SSB.Группа ViPER фокусируется на разработке SSB, состоящих из химически адаптированного металлического Li-анода с минимальным межфазным сопротивлением и катода с интеркаляцией лития (Li-NMC) с улучшенными адгезионными свойствами с гранатом, который может обеспечивать плотность энергии> 350 Вт · ч кг ^-1 с 80 % сохранения емкости после 1000 циклов заряда-разряда при скорости C / 3.

Литий-ионный литий-ионный аккумулятор »Электроника

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы

в настоящее время широко используются во многих сферах применения в электронном оборудовании, а также в электромобилях, электроинструментах и ​​т. Д.

---

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

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

---

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

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

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

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

Рост и развитие литий-ионных аккумуляторов

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

На разработку технологии литиевых батарей

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

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

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

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

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

Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы, основы технологии

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

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

• Катод: Это положительный электрод, и он обычно изготавливается из оксида металла на основе лития той или иной формы.Существует несколько различных технологий литий-ионных аккумуляторов, поэтому точный формат будет меняться от одного типа к другому.

• Анод: Это отрицательный электрод литий-ионной батареи, и он обычно изготавливается из углерода, обычно в форме графита.

• Электролит: Электролит расположен между двумя электродами внутри ячейки. Часто это смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат, диэтилкарбонат и т. Д.

• Разделитель: Чтобы два электрода не касались друг друга, между анодом и катодом помещен разделитель. Это поглощает электролит и обеспечивает прохождение ионов, но предотвращает прямой контакт двух электродов внутри литиевой ячейки.

Базовая структура литиево-ионного аккумуляторного элемента

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

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

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

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

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

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

Управление литиево-ионной батареей

Литий-ионные аккумуляторы

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

Литиевые батареи

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

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

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

Варианты литий-ионных аккумуляторов

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

Типичный ионно-литиевый аккумулятор, используемый для питания электроинструмента

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

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

Литий-полимерные батареи

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

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

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

Форматы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные элементы

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

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

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

• Малые цилиндрические элементы: Цилиндрический формат используется во множестве приложений, и часто батареи состоят из серии этих элементов. Типичные размеры 18 × 65 мм, 21 × 50 мм и 26 × 65 мм.

• Цилиндрический с большой мощностью: Во многих отношениях это большая версия цилиндрического типа меньшего размера, но обычно с большими винтовыми клеммами для обеспечения эффективной передачи тока с низким сопротивлением.

• Формат пакета: Тип аккумулятора, известный как «пакет», представляет собой плоский пакет из фольги, который можно сравнить с упаковками жевательной резинки. Этот формат обычно используется для литий-полимерных элементов и аккумуляторов, так как их легко изготовить для определенных форм, что позволяет производителям электронных устройств и оборудования иметь аккумуляторы определенной формы для заполнения доступного пространства.

• Призматический: Этот формат обычно представляет собой батарею плоской или прямоугольной формы, часто используемую для питания электронных устройств и т.п.Типичными размерами являются 5 × 34 × 50 мм и 10 × 34 × 50 мм, хотя, как и в других стилях, также доступны размеры для конкретных поставщиков и другие, которые изготавливаются на заказ.

• Большой жесткий пластиковый футляр: Эти большие жесткие футляры обычно используются для более крупного электрического оборудования и транспортных средств.

Руководство по использованию литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи

или литий-ионные батареи могут быть относительно дорогими. Поэтому стоит следовать простым рекомендациям, которые помогут обеспечить максимальный срок службы.

• Не разряжать полностью: Литий-ионные батареи необходимо зарядить до полной разрядки. Это, вероятно, самый важный фактор в общем использовании. Оставление их полностью разряженным значительно сокращает их жизнь. Например, часто рекомендуется заряжать смартфоны (в которых используются литий-ионные аккумуляторы), когда они достигают 10-20% заряда. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы никогда не должны разряжаться ниже минимального уровня 2.От 4 В до 3,0 В на элемент.
• Уход при неиспользовании: Если литий-ионный аккумулятор не будет использоваться в течение длительного периода времени, в идеале его следует довести до уровня заряда примерно от 40% до 60% от полного заряда. В идеале его следует периодически заряжать, чтобы преодолеть последствия саморазряда (около 2% в месяц).
• Хранить в прохладном месте: Литий-ионные аккумуляторы следует хранить в прохладном месте. Если держать их в прохладном месте, возможно, в холодильнике, процесс старения замедляется.В результате литий-ионные аккумуляторы не следует хранить в автомобилях в солнечные дни, так как температура значительно повышается.
• Не замораживать: Литий-ионные аккумуляторы не должны подвергаться очень низким температурам — большинство электролитов литий-ионных аккумуляторов замерзают примерно при -40 ° C. Это может помешать им работать в некоторых приложениях, где оборудование требует питания при экстремальных температурах.
• Покупайте новые аккумуляторы только при необходимости: Литий-ионные аккумуляторы следует покупать только при необходимости, поскольку процесс старения начинается сразу же после изготовления аккумулятора.

Принятие некоторых мер предосторожности при их использовании позволяет продлить срок службы литий-ионной батареи. Несмотря на то, что существует максимальный срок службы, неправильное использование и уход значительно сократят его.

Литий-ионные батареи и элементы

в настоящее время являются одной из доминирующих используемых технологий, которые пришли на смену более старым никель-кадмиевым батареям и никель-металлогидридным батареям NiMH.

Литий-ионные аккумуляторы

используются для питания многих различных устройств, от небольших наушников и наушников до мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков и множества других электронных устройств и предметов.В аккумуляторных электроинструментах, как и в других электрических устройствах, широко используются литий-ионные батареи. Многие автомобили теперь питаются от батарей, а литий-ионная технология обеспечивает гораздо лучшее соотношение мощности и веса, и, соответственно, они также широко используются в этой области.

В связи с тем, что в технологию литий-ионных аккумуляторов вкладывается огромное количество средств, уровни производительности будут расти, а вместе с этим — и их использование.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

4 основных компонента литий-ионной батареи — Блог

Определение широкое, если ионы, которые работают в электролите, являются «литиевыми», их можно назвать «литий-ионными батареями».
Каков принцип работы «литий-ионного аккумулятора» и какие материалы используются внутри?
Ниже будут обсуждаться основанные на текущем применении материалов на рынке.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Оглядываясь назад на разработку и применение литий-ионных аккумуляторов за последние 40 лет, от носимых устройств до электромобилей, от базовых станций связи до космических станций, все виды литий-ионных аккумуляторов разных размеров и веса связаны с нашими жизни.Литий-ионный аккумулятор — это эпохальное изобретение, и его появление быстро способствует развитию цивилизации и технологий. И как получить «электричество» в результате внутренней реакции литий-ионных аккумуляторов?

Принцип работы литий-ионных батарей можно объяснить с точки зрения состояния заряда и разряда. Как следует из названия, литий-ионные батареи используют перенос «литиевых» ионов для завершения цепи заряда / разряда.

В заряженном состоянии:

Для накопления энергии ионы лития высвобождаются из положительного электрода, содержащего литий.В это время ионы лития используют электролит в качестве среды передачи для диффузии и через сепаратор, а затем внедряются в материал отрицательного электрода, который может принимать ионы лития.

* Рисунок 1: Принцип работы литий-ионного аккумулятора: состояние заряда.

В разряженном состоянии:

Ионы лития высвобождаются из отрицательного электрода и используют электролит в качестве среды передачи для диффузии и через сепаратор, а затем возвращаются к положительному электроду.

* Рисунок 2: Принцип работы литий-ионной батареи: состояние разряда.

Следовательно, мы можем руководствоваться действиями заряда / разряда в течение ограниченного срока службы различных типов литий-ионных аккумуляторных устройств.

Дополнительная литература: Будущая тенденция развития рынка литий-ионных аккумуляторов.

Содержит ли электролит литий, кроме положительного электрода?

Четыре основных компонента литий-ионной батареи: катод, анод, сепаратор и электролит соответственно.Ниже приведены материалы и характеристики каждого компонента, широко используемого на рынке:

Катод:

В качестве токосъемника обычно используется проводящая алюминиевая фольга, а затем оксид металла, содержащий «литий», покрывается растворителем, связующим, проводящим агентом и добавляется немного проводящего материала. Срок службы литий-ионных батарей тесно связан с материалом, из которого изготовлен положительный электрод. Исследования показали, что если в качестве основного материала положительного электрода используется фосфат лития-железа, срок службы батареи оценивается в 30 000 раз; Если вы решите использовать тройную систему (Ni-Mn-Co NMC / Ni-Mn-Al NCA), только несколько тысяч раз.Есть много потенциалов развития и возможностей для процесса положительного электрода. Например, введение в процесс положительного электрода добавок, которые могут повысить безопасность аккумуляторной батареи. Это одно из направлений будущего развития индустрии литий-ионных аккумуляторов.

Дополнительная литература: Зачем нужны добавки для литий-ионных батарей?

Анод:

В качестве преимуществ стабильной стоимости и высокой безопасности до 90% литий-ионных батарей на рынке используют графит в качестве анодного материала.На рынке литий-ионных аккумуляторов (таких как смартфоны, Tesla, Gogoro и т. Д.), Постепенно следуя тенденции развития высокой емкости, многие исследовательские группы инвестировали в разработку кремниевых анодных материалов на основе кремния или оксида кремния, чтобы для повышения плотности энергии батареи.

Разделитель:

Микропористая пленка из полипропилена (PP) / полиэтилена (PE) и других пластиков, помещенная между положительной и отрицательной пластинами, чтобы заблокировать положительный и отрицательный электроды, чтобы избежать саморазряда батареи и короткого замыкания между двумя полюсами.Сепаратор заполнен плотными микропорами, через которые проходят ионы лития, позволяя батарее образовывать полную цепь заряда и разряда.

Электролит:

В качестве среды для переноса ионов лития между положительным и отрицательным электродами общие основные компоненты электролитов литий-ионных аккумуляторов, включая EC, DMC, PC и т. Д., Играют чрезвычайно важную роль в работе литий-ионных аккумуляторов. ионные батареи. Если вы хотите увеличить срок службы батареи, безопасность и характеристики пропускания литий-ионных аккумуляторов, вы можете начать улучшать состав электролита и добавки к электролиту.Правильный электролит литий-ионных аккумуляторов может максимально повысить производительность литий-ионных аккумуляторов.

Почему выбирают HOPAX

С 2008 года компания HOPAX, следуя рыночной тенденции «высокой емкости», успешно разработала серию добавок и электролитов для литий-ионных аккумуляторов. Она получила ряд патентов на изобретения и особенно известна своими составами электролитов с высоким содержанием никеля и кремнием. составы кислородных электролитов. HOPAX также предоставляет индивидуальные услуги, которые позволяют настраивать и оптимизировать формулы в соответствии с атрибутами продукта клиента, характеристиками материала и сценариями применения.Профессиональная и сложная команда НИОКР HOPAX в сотрудничестве с профессионалами из всех слоев общества делает ее направление НИОКР более инновационным и приближенным к рыночному спросу. Качество продукции и сервис также получили высокую оценку со стороны клиентов. HOPAX также считает безопасность конечных пользователей своей миссией. Компания стремится разрабатывать составы присадок, которые могут повысить безопасность аккумуляторов. Как эксперт по литий-ионным аккумуляторам, позвольте HOPAX работать вместе с вами! Давайте вместе двигаться к новому поколению литий-ионных аккумуляторов !!

Узнать больше об электролите Hopax

Свяжитесь с нами для получения высококачественного электролита.

Как работает литий-ионная батарея?

Литий-ионные аккумуляторные батареи используются в целом ряде современных технологий, от телефонов и ноутбуков до автомобильных аккумуляторов. Tesla работает с литий-ионными аккумуляторами, чтобы продлить срок службы аккумуляторов электромобилей, одновременно снижая потребительские расходы.

Электрохимический потенциал

Хотя в батарее используется меньше частиц лития, чем других молекул, именно электрохимический потенциал лития является движущей силой за батареей.

Литий имеет только один электрон на молекулу и наиболее склонен к его потере. Разделение этих двух элементов (создание электрона и литий-ионного аккумулятора) имеет решающее значение для процесса зарядки аккумулятора, что делает литий-ионные аккумуляторы незаменимыми для современных технологий.

Процесс зарядки

Литий-ионные элементы состоят из оксида металла, жидкого электролита и графита. Графит состоит из слабо связанных слоев, так что ионы лития и отдельные электроны могут безопасно храниться.

Цель состоит в том, чтобы отделить электроны от лития, пропуская литий из оксида металла через электролит в графит. Жидкий электролит позволяет проходить только ионам лития, отделяя литий от электрона. Электроны достигнут графита через цепь, так что оба могут храниться отдельно.

Этот процесс достигается, когда к процессу добавляется источник питания (батарея), электроны притягиваются к положительной стороне батареи и проходят через отдельную цепь, чтобы достичь графита.

В то время как ионы лития притягиваются к отрицательной стороне, перемещаясь через электролит в графит. Когда отделенные электроны и ионы лития полностью накапливаются в графите, ячейка заряжается.

Процесс разрядки

Процесс разрядки включает в себя электроны и ионы лития, которые естественным образом притягиваются обратно к оксиду металла после удаления источника питания. По сути, процесс обратный. Ионы лития возвращаются через электролит, а электроны возвращаются к оксиду металла отдельным путем.

Процесс зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов позволяет нашим телефонам, ноутбукам и даже аккумуляторам электромобилей иметь более длительный срок службы.

Tesla использует литий-ионные батареи

Tesla использует несколько компактных литий-ионных аккумуляторных элементов, а не одну большую, для повышения производительности продукта. В этом случае графит наносится на медную фольгу, а оксид металла — на алюминиевую фольгу, которые работают как токосъемники. Органическая соль лития действует как электролит и кодируется на разделительной пластине (предотвращая короткое замыкание в случае перегрева).Затем все три слоя наматываются на стальной сердечник.

Аккумуляторы для электромобилей Tesla состоят из 16 модулей (несколько литий-ионных аккумуляторных элементов, соединенных последовательно). Чтобы уменьшить перегрев, который может вызвать распад элементов, внедрена система управления батареями (BMS), которая контролирует состояние элементов, управляет состоянием заряда и обеспечивает защиту по напряжению. Технология охлаждения на основе гликоля регулируется BMS, чтобы исключить перегрев.

Не только размер и система охлаждения означают, что автомобильные аккумуляторы Tesla работают лучше, чем их конкуренты, но также уменьшаются шансы преждевременного разряда литий-ионных аккумуляторов.

Использование Jenga для объяснения литий-ионных батарей

Игры

Tower block, такие как Jenga, можно использовать, чтобы объяснить школьникам, как работают литий-ионные батареи, удовлетворяя образовательные потребности, чтобы лучше понять источник питания, который стал жизненно важным для повседневной жизни.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи используются во многих наших электронных устройствах, от смартфонов до электромобилей, ресурсы, доступные для обучения детей тому, как они работают и почему они важны, ограничены.

Команда химического факультета Бирмингемского университета разработала учебный инструмент, в котором используется игра в стиле башни Jenga для объяснения процессов, происходящих внутри аккумуляторных элементов, и лежащей в их основе электрохимии. Их метод опубликован в Журнале химического образования.

Литий-ионная аккумуляторная батарея состоит из оксидного и графитового электродов. Обычно они состоят из слоев, разделенных электролитом. Когда аккумулятор заряжен, ионы лития перемещаются от графита к оксидному электроду через электролит.Токосъемники, на которые нанесены электроды, позволяют электронам перемещаться по внешней цепи, обеспечивая питание.

Используя слои блоков, дети могут понять, как устроена батарея и как различные компоненты взаимодействуют друг с другом. Аккумулятор Jenga может показывать работу от аккумулятора и основные характеристики. Интеркаляционная, или слоистая, химия зарядки и разрядки этого типа батареи может быть легко визуализирована. Удалив несколько пустых блоков в графитовом электроде (эти блоки представляют собой пустое пространство между слоями графита), студент может переместить литий-ионные блоки с оксидного электрода на графитовый электрод.При выписке произойдет обратный процесс.

Простота этой демонстрации обеспечивает основу для объяснения сложной химии и окислительно-восстановительных реакций. Важность и безопасность уровня заряда для различных приложений также может быть продемонстрирована, когда учащиеся снимают блоки ионов лития с оксидных электродов с разной скоростью. Более быстрый заряд неизменно приводит к разрушению структуры Дженга.

Игра в виде блоков башни также может продемонстрировать, как производительность батареи снижается при продолжительном использовании, показывая, как блоки немного смещаются при удалении и установке литиевых блоков.

Элизабет Дрисколл, доктор философии в Школе химии, объясняет: «Практические демонстрации, как известно, являются полезным способом поддержки обучения — например, учителя часто используют лимоны или картофель для объяснения обычных неперезаряжаемых батарей. Но мы знаем, что электрохимия — сложная область для учителей, которая часто приводит к неправильным представлениям среди учеников. Мы хотели разработать практическое занятие, которое помогло бы решить эту проблему и объяснить эту перезаряжаемую батарею ».

Представляя наборы башен с яркими контрастными цветами и различными текстурами, команда также смогла разработать обучающие инструменты, которые будут более инклюзивными для слепых или слабовидящих учащихся.

За последний год эти мероприятия были опробованы в нескольких школах, в том числе: демонстрационная лекция Королевского химического общества, получившая положительные отзывы как от учителей, так и от учеников. Наборы также появлялись на публичных мероприятиях в музеях, от научного музея ThinkTank в Бирмингеме до Манчестерского музея науки и Королевского института в Лондоне.

Следующим шагом для команды будет обеспечение широкого доступа к упражнению для большего числа студентов и оказание поддержки преподавателям в этих темах.Финансирование Института Фарадея и Королевского химического общества уже позволило поставить 100 маленьких наборов дженги в среднюю школу Бирмингема. Тактильные классные гарнитуры также будут предоставлены Службе сенсорной поддержки New College Worcester и Bolton. Педагоги, заинтересованные в производстве своих собственных наборов, могут получить доступ к полным инструкциям в документе с открытым доступом в журнале Journal of Chemical Education.

No related posts.