Саморазряд аккумуляторов литий ионных: Немного теории о Li-Ion аккумуляторах

Как сократить время тестирования скорости саморазряда литий-ионных элементов питания?

Новый метод тестирования скорости саморазряда литийионных элементов питания сокращает время, нужное для выявления негодных элементов питания, с нескольких недель до нескольких минут, что позволяет сэкономить средства и ускоряет вывод продуктов на рынок.

Рынок литий-ионных элементов питания переживает взрывной рост, что связано с повсеместным распространением электромобилей. Это требует наличия более эффективных элементов питания с большой емкостью. Оптимизация расходов и затрат при их оценке приобретают все большее значение. Новый метод поможет упростить трудоемкую и требующую больших временных затрат, но очень важную процедуру тестирования скорости саморазряда элементов питания и ускорит выведение продуктов на рынок.

Что такое саморазряд элемента питания, и почему он так важен?

Литий-ионные элементы питания со временем теряют заряд, даже если они не подключены к нагрузке. Такое явление называется саморазрядом. На рис. 1 изображена модель саморазряда в виде параллельного сопротивления Rср, через которое протекает ток саморазряда Iср. Если элемент питания не подключен к нагрузке, он разряжается через высокоомное сопротивление Rср. Спустя недели или месяцы такой канал саморазряда полностью разряжает элемент питания, что приводит к падению Vэп.

Рисунок 1. Модель саморазряда элемента питания

Некоторая степень саморазряда – это нормальное явление, вызванное химическими процессами, происходящими внутри элемента. Тем не менее, потеря заряда элемента питания приводит к тому, что его емкость становится меньше желаемой. При объединении элементов питания в батарейные блоки различная степень саморазряда отдельных элементов приводит к нарушению баланса внутри такого блока.

Одной из причин саморазряда также могут быть пути утечки тока внутри элемента питания. Наличие в элементе питания посторонних частиц и рост дендритов вызывают возникновение «микрозамыканий», тем самым создавая ток утечки. Эти явления никак не могут считаться нормальными и могут привести к полному выходу элемента из строя. Элементы питания с высоким значением саморазряда характеризуются большей вероятностью скрытого отказа.

Таким образом, измерение и оценка скорости саморазряда элементов питания на этапе разработки и производства устройств чрезвычайно важны. При разработке элемента питания очень важно устранить возможные причины быстрого саморазряда. В процессе производства крайне необходимо как можно раньше выявить все элементы питания, имеющие признаки высокой скорости саморазряда.

Проблемы и недостатки оценки саморазряда методом измерения напряжения холостого хода

Обычно оценка скорости саморазряда выполняется путем измерения снижения напряжения холостого хода с течением времени. Этот метод довольно прост, и для него требуется измерить напряжение с помощью вольтметра или цифрового мультиметра. Проблема заключается не в сложности измерений, а в количестве времени, которое необходимо для оценки скорости саморазряда по показателям изменения напряжения холостого хода.

По сравнению с другими типами перезаряжаемых элементов питания, саморазряд литийионных аккумуляторов происходит достаточно медленно. Обычно они теряют от 0,5–1 % заряда в месяц. В связи с тем, что Iср имеет крайне низкие значения, обычно от нескольких микроампер до нескольких сотен микроампер (в зависимости от емкости элемента), напряжение на полюсах элемента падает очень медленно. Поскольку изменение напряжения холостого хода литий-ионных элементов происходит так медленно, обнаружить какое-либо заметное изменение величины заряда и отбраковать элементы, имеющие повышенную скорость саморазряда, можно только спустя несколько недель или даже месяцев.

Разработчики, пользователи и производители столкнулись с проблемой, которая заключается в необходимости быстро измерить скорость саморазряда элементов питания. Время, затрачиваемое на измерение одного элемента, не очень велико, но серия таких измерений растягивается на несколько недель или месяцев, что может оказать большое влияние на длительность цикла разработки. В ходе тестирования разработчики должны хранить элемент питания в условиях контролируемой температуры, так как его напряжение при изменении температуры также меняется. Это не только накладывает определенные ограничения на цикл проектирования, но и замедляет вывод продукции на рынок. А если в процессе реализации проекта необходимо провести несколько измерений, то задержка также увеличивается в несколько раз. Задержка поставки нового продукта оборачивается нереализованными возможностями, потенциальной потерей доли рынка и утратой конкурентного преимущества.

При производстве необходимость замерять скорость саморазряда элементов питания значительно увеличивает количество незавершенных проектов, а также добавляет трудности и риски, связанные с хранением большого количества элементов в течение длительного времени. Для элементов питания большой емкости эта проблема стоит еще более остро. Такие элементы питания являются ценными активами компании, имеют большее значение времени стабилизации и представляют собой большую опасность при складском хранении.

Метод постоянного потенциала

Для оценки скорости саморазряда элемента питания нужно измерить его ток саморазряда. Если бы была возможность измерить эту величину при статических условиях, можно было бы оценить состояние элемента питания значительно быстрее, чем просто ждать изменения напряжения холостого хода. Измерение напряжения холостого хода, при котором фиксируется падение напряжения с течением времени, представляет собой неточный и косвенный метод измерения скорости саморазряда элемента питания.

Метод постоянного потенциала представлен на рис. 2. Этот метод заключается в оценке скорости саморазряда элементов питания путем измерения тока саморазряда Iср. Скорость саморазряда напрямую измеряется в кулонах за секунду. Другими словами, это потеря заряда с течением времени. Этот метод позволяет измерить скорость саморазряда элемента питания намного быстрее, чем метод измерения напряжения холостого хода. Время измерений сокращается до нескольких часов или даже меньше. Элементы питания, имеющие ток саморазряда выше установленного значения, могут быть отбракованы уже через час.

Для измерения величины методом постоянного потенциала к клеммам элемента питания необходимо подключить источник постоянного тока с низким уровнем шума и настроить его на величину напряжения холостого хода элемента. Источник постоянного тока подключается к элементу питания через микроамперметр, который позволяет измерить ток, протекающий по цепи между источником тока и элементом питания. Когда в элементе питания начинается процесс саморазряда, источник тока компенсирует ток утечки, обеспечивая постоянное напряжение и состояние заряда. При наступлении равновесия между источником питания и испытуемым элементом Iср полностью возмещается не за счет внутреннего заряда, а за счет подпитки извне. Таким образом, ток саморазряда Iср можно измерить уже напрямую при помощи микроамперметра.

Рисунок 2. Метод постоянного потенциала позволяет оценить скорость
саморазряда элемента питания путем прямого измерения Iср

Новые решения с использованием метода постоянного потенциала

Специалисты компании Keysight, разработчики и производители элементов питания объединили усилия для решения проблем измерения саморазряда. В ходе такого сотрудничества были созданы два новых решения: система измерения саморазряда BT2191A и анализатор саморазряда BT2152A. Оба решения используют метод постоянного потенциала для измерения и обеспечивают стабильность и разрешение выходного напряжения на уровне 1 мкВ, а также обладают специализированными функциями, обеспечивающими быстрое и точное измерение тока саморазряда элемента питания.

Система BT2191A предназначена для разработчиков и позволяет значительно сократить время измерения саморазряда элемента питания. Система напрямую измеряет ток саморазряда в течение всего 1-2 часов в отличие от традиционного метода измерения напряжения холостого хода, который требовал недель или даже месяцев. Помимо измерения тока саморазряда, система позволяет фиксировать напряжение на клеммах элемента питания и его температуру. Инженеры могут существенно сократить длительность цикла разработки, оптимизировать характеристики аккумуляторных батарей и обеспечить более быстрое выведение продукции на рынок.

Производители литий-ионных элементов питания могут использовать новейший анализатор саморазряда BT2152A, который способен измерять ток саморазряда до 32 элементов питания одновременно. Новый метод измерения резко увеличивает пропускную способность при тестировании за счет значительного сокращения времени измерений. Что особенно важно, в большинстве случаев годность элементов питания можно определить уже через 30 минут. Это помогает производителям существенно сократить площади складских помещений, а также уменьшить расходы, связанные с оборотным капиталом и стоимостью обслуживания производственных мощностей. На рис. 3 показаны кривые изменения тока саморазряда восьми цилиндрических элементов питания типа 18650, подключенных одновременно. Отклонение характеристик одного из элементов питания от значений остальной группы может быть заметно уже через несколько минут.

Рисунок 3. Кривые тока саморазряда элементов питания,
измеренные в ходе отбраковки с помощью BT2152A

Заключение

Тестирование скорости саморазряда литий-ионных элементов питания чрезвычайно важно. Высокие значения саморазряда характеризуют элементы с большей вероятностью раннего выхода из строя. Такие элементы необходимо выявлять и отделять от годных элементов для предотвращения их полного выхода из строя, а также для выявления и устранения причин такого брака на этапах проектирования или производства. Новые решения от компании Keysight, использующие метод постоянного потенциала, позволяют разработчикам и производителям решить проблемы, связанные с проведением измерений скорости саморазряда, за счет радикального сокращения сроков, экономии средств и ускорения процесса вывода продукции на рынок.

Система измерения саморазряда BT2191A — одноканальная система, которая оптимально подходит для разработки и оценки параметров элементов питания.

Анализатор саморазряда BT2152A имеет до 32 измерительных каналов и является идеальным инструментом для выявления непригодных элементов питания в процессе производства.

Аналитический доклад
Джакомо Тувери (Giacomo Tuveri)
Менеджер по маркетингу в регионе
EMEAI
Keysight Technologies, Inc.

Саморазряд li-ion аккумуляторов или какая емкость останется в аккумуляторах через 6 месяцев

Сколько mAh останется в li-ion аккумуляторе после его долго хранения или другими словами — как сильно происходит саморазряд аккумуляторов?

Мы решили провести небольшой опыт — взяли три аккумулятора 18650 разных моделей, сняли их характеристики (кривая разряда и емкость), зарядили их и убрали в дальний ящик. Через 6 месяцев мы их достали и измерили какая емкость в  них осталась.

В тесте участвовали:

• Sanyo NCR18650BF
• Panasonic NCR18650B
• Samsung INR18650-25R

Sanyo и Panasonic являются низкотоковыми аккумуляторами, Samsung INR18650-25R — высокотоковая модель.

Sanyo NCR18560BF

Новый аккумулятор сразу после заряда отдал 3341mAh и 12,03wh. Потом аккумулятор был заряжен до 4,2 Вольт и через 6 месяцев хранения отдал 3186mAh и 11,43wh. Что составляет 95,4 % по емкости (mAh) и 95,0% по энергии (wh) от первоначальных значений. Напряжение на аккумуляторе через 6 месяцев снизилось до 4,14 Вольт. Таким образом, в процессе хранения аккумулятор потерял всего лишь около 5% своего заряда. Очень хороший результат.

Panasonic NCR18650B

Новый аккумулятор сразу после заряда отдал 3280mAh и 11,78wh. Потом аккумулятор был заряжен до 4,2 Вольт и через 6 месяцев хранения отдал 3098mAh и 11,07wh. Что составляет 94,5 % по емкости (mAh) и 94,0% по энергии (wh) от первоначальных значений. Напряжение на аккумуляторе через 6 месяцев снизилось до 4,12 Вольт. В процессе хранения Panasonic NCR18650B потерял всего лишь около 6% своего заряда. Тоже отличный результат.

Samsung INR18650-25R

Новый аккумулятор сразу после заряда отдал 2563mAh и 9,37wh. Потом аккумулятор был заряжен до 4,2 Вольт и через 6 месяцев хранения отдал 2297mAh и 8,31wh. Что составляет 89,6 % по емкости (mAh) и 88,6% по энергии (wh) от первоначальных значений. Напряжение на аккумуляторе через 6 месяцев снизилось до 4,09 Вольт. В процессе хранения Samsung INR18650-25R потерял немного больше 10% своего первоначального заряда.

Выводы

Низкотоковые аккумуляторы типа NCR имеют достаточно низкий саморазряд и за полгода хранения в заряженном состоянии при комнатной температуре теряют всего около 5% емкости. Высокотоковые аккумуляторы типа INR имеют гораздо более сильный саморазряд.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы.

 

       Электрический аккумулятор — это химический источник электрического тока многоразового действия. В аккумуляторах такого типа происходят обратимые внутренние химические процессы, которые обеспечивают многократное циклическое их использование (заряд/разряд) для накопления электрической энергии и питания различного электрического оборудования при отсутствия доступа к бытовой электрической сети.

       Принцип действия аккумуляторов основан на обратимости химических реакций, протекающих в них. Накопление заряда  аккумулятора осуществляется при помощи его зарядки, то есть пропусканием электрического тока в обратном направлении, относительно движению тока при разряде аккумулятора.

      Аккумуляторная батарея – это несколько аккумуляторов, соединенных вместе  в одну электрическую цепь.

      Основная характеристика аккумулятора – это его емкость. Емкость аккумулятора – это максимально возможный полезный заряд аккумулятора. Или другими словами, емкость аккумулятора — это количество энергии, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ емкость аккумуляторов измеряется в кулонах, но обычно используется внесистемная единица — ампер-час.  1 А/ч = 3600 Кл. Также емкость аккумулятора может быть указана в ватт-часах. Другая основная характеристика электрических аккумуляторов – это выходное напряжение аккумулятора. Зная выходное напряжение аккумулятора, можно легко перевести емкость аккумулятора, указанную в ватт-часах, в более распространенную – ампер-час.

       Электрические характеристики аккумуляторов зависят от материала электродов и состава электролита. В таблице, указанной ниже, приведены наиболее используемые типы электрических аккумуляторов.

Тип аккумулятора	Выходное напряжение (В)	Область применения
свинцово-кислотные (Lead Acid)	2,1	троллейбусы, трамваи, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые  (NiCd)	1,2	строительные электроинструменты, троллейбусы, бытовые электроприборы
никель-металл-гидридные  (NiMH)	1,2	бытовые электроприборы, электромобили
литий-ионные   (Li‑ion)	3,7 (3.6)	мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные (Li‑pol)	3,7 (3.6)	мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые  (NiZn)	1,6	бытовые электроприборы

      В процессе использования аккумулятора, его выходное напряжение и ток падают. При использовании всего заряда аккумулятор перестает действовать. Заряжают аккумуляторы от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Обычно зарядный ток, измеряемый в амперах, имеет значение в 1/10 от номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах). Некоторые типы аккумуляторов имеют разные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке аккумулятора и при его эксплуатации. Например, NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, а литиевые аккумуляторы — к переразряду, напряжению и температуре окружающей среды. NiCd  и NiMH-аккумуляторы имеют “эффект памяти”. Он выражается в снижении емкости аккумулятора при осуществлении зарядки не полностью разряженного аккумулятора. Также такие типы аккумуляторов обладают существенным саморазрядом, то есть, они постепенно теряют заряд, даже когда они не  подключены к нагрузке. В борьбе с этим  эффектом помогает капельная подзарядка.

 

     Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который наиболее широко распространен в современных бытовых электронных устройствах. Сейчас такие аккумуляторы применяются в мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах,  электромобилях, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и т.д.

     Впервые разработкой литиевых аккумуляторов занялся Г.Н. Льюис в 1912 году. Но только в 1970-х годах начали появляться первые коммерческие экземпляры первичных литиевых элементов.

     В 80-х годах прошлого столетия было проведено большое количество экспериментов, в ходе которых было выяснено, что при циклировании источника тока с металлическим литиевым электродом на поверхности лития формируются дендриты. В результате  дендриты прорастают до положительного электрода и происходит короткое замыкание внутри литиевого элемента. Это выводило такие источники питания из строя. Температура внутри аккумулятора при этом  достигает температуры плавления лития. Это провоцирует взрыв элемента питания.

     Пытаясь разработать безопасный литиевый источник тока, инженеры привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Самыми используемыми материалами для создания литиевых батарей являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). В таком элементе питания в ходе заряда-разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и обратно. Хотя такие электродные материалы имеют в несколько раз меньшую по сравнению с литием удельную электрическую энергию, но при этом батареи на их основе являются гораздо более безопасными. Первые литий-ионные аккумуляторы были разработаны компанией Sony в 1991 году. В настоящее время Sony является крупнейшим производителем элементов питания на основе лития.

Характеристики:

Энергетическая плотность:  от 110 до 200 Вт*ч/кг

Внутреннее сопротивление:  от 150 до 250 мОм (для батареи 7,2 В)

Число циклов заряд/разряд до потери 20 % ёмкости: от  500 до 1000

Время быстрого заряда: 2-4 часа

Допустимый перезаряд: очень низкий

Саморазряд при комнатной температуре:  около 7 % в год

Напряжение максимальное в элементе:  около 4,2 В (аккумулятор полностью заряжен)

Напряжение минимальное:  около 2,5 В ( аккумулятор полностью разряжен)

Ток нагрузки относительно ёмкости (С):

 — пиковый:  больше 2С

 — наиболее приемлемый:  не более 1С

Диапазон рабочих температур:  от −20 °C до  +60 °C

Устройство.

     Изначально в качестве анодов использовался кокс, но в дальнейшем стал использоваться графит. В качестве катода используют оксиды лития с кобальтом или марганцем.

При заряде литий-ионных батарей происходит следующая химическая реакция:

на катодах:  LiCoO₂ → Li_1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻

на анодах:  С + xLi⁺ + xe⁻ → CLi_x

Во время зарядки аккумулятора происходит  обратная реакция.

Преимущества литиевых аккумуляторов.

1.    Высокая энергетическая плотность.

2.    Низкий саморазряд.

3.    Отсутствие “эффекта памяти”.

4.    Простота использования.

Недостатки литиевых аккумуляторов.

1.    Литий-ионные аккумуляторы подвержены взрывному разрушению при перезаряде или при  перегреве.  Во избежание этого эффекта все бытовые литиевые  аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая контролирует заряд аккумулятора, не допуская его  перезаряд и перегрева.

2.    При неаккуратном использовании аккумуляторы могут иметь более короткий жизненный цикл по сравнению с другими типами аккумуляторов. Глубокий разряд аккумулятора полностью выводит из строя литий-ионные элементы.

 3.    Оптимальные условия хранения литий-ионных аккумуляторов достигаются при 40-50 %-ом заряде от емкости аккумулятора и при окружающей температуре около 5 °C.  Низкая температура является более важным фактором для не больших потерь емкости при долговременном хранении.

4.    Строгие условия зарядки литий-ионных батарей делают крайне не удобным  их применение в альтернативной энергетике. Происходит это из-за того, что ветряки и солнечные панели не могут  обеспечить постоянный ток на всём протяжении цикла заряда.

Старение.

       Даже если литиевый аккумулятор не используется, он начинает стареть сразу после производства.

       Литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы уменьшают свою емкость, в отличие от никелевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов, под воздействием заряда. Чем больше заряд аккумулятора и температура при его хранении, тем меньше срок его службы. Хранить литиевые аккумуляторы лучше заряженными на 40-50% и при температуре от 0 до 10 °C. Перезаряд , также как и переразряд, уменьшает емкость таких аккумуляторов.

 

      Литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer) — это наиболее совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита в нем применяется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Они широко используются в смартфонах, мобильниках и прочей цифровой технике.

      Обычные бытовые литий-полимерные аккумуляторы не могут отдавать большой ток, но разработаны специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, которые могут отдавать ток в 10 и более раз, превышающий численное значение емкости. Такие аккумуляторы нашли широкое применение в радиоуправляемых моделей, а также в электроинструменте и в некоторых современных электромобилях. Подобные аккумуляторы применяются в новой технологии преобразования энергии торможения — KERS.

Преимущества литий-полимерных аккумуляторов.

1.    Большая плотность энергии на единицу объёма и массы.

2.    Низкий саморазряд.

3.    Малая толщина элементов — от  1 мм.

4.    Возможность получать очень гибкие формы;

5.    Не большой перепад напряжения по мере разряда.

6.    Количество рабочих циклов – от 300 до 500, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20%.

Недостатки литий-полимерных аккумуляторов.

1.    Аккумуляторы пожароопасны при перезаряде или при перегреве. Во избежание этого эффекта все бытовые литиевые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая контролирует заряд аккумулятора, не допуская его перезаряд и перегрева. Также требуются специальные алгоритмы зарядных устройств.

2.    Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов ограничен. Эти элементы плохо работают на холоде.

Также как и литий-ионные аккумуляторы, литий-полимерные аккумуляторы подвержены старению.

  

Внимание! При использовании материалов сайта ссылка на www.MirBatt.ru обязательна.

Аккумуляторы для инструмента, их характеристики и советы по выбору

Аккумуляторный инструмент все больше входит в нашу жизнь. Не обладая большой мощностью по сравнению с профессиональными моделями, эти устройства становятся всё более популярными из-за своей удивительной мобильности. В местах, где нет электричества, и где раньше могли работать только шумные и требовательные бензиновые дрели, пилы и пылесосы, теперь все чаще встречаются удобные и экологичные аккумуляторные инструменты. Сотрудники аварийных служб и просто хорошие мастера всегда имеют два набора инструментов, сетевой и энергонезависимый, чтобы не быть застигнутыми врасплох при внезапном отключении напряжения в сети.

Дело даже не всегда в отсутствии электричества. Аккумуляторный инструмент раз и навсегда избавляет пользователя от так называемой «возни с проводами», когда вам периодически приходится сматывать или разматывать кабель, следить за тем, чтобы он не попал в зону работы и покупать различные удлинители. Поэтому аккумуляторный инструмент приобрел поистине бешеную популярность у людей, чья деятельность требует определенной мобильности – например, сборщиков мебели и работников автосервисов. Некоторые виды инструмента, например, гайковерты или шуруповерты чаще всего выпускаются именно в аккумуляторном варианте, так как именно такой тип инструмента является наиболее удобным.

В инструментах используется несколько основных типов аккумуляторов, различающихся по характеристикам и химическому составу. Кроме того, существует множество вариантов подключения аккумулятора к устройству. Подбирая батарею к своему шуруповерту, убедитесь, что гнездо аккумулятора рассчитано на её установку.

Существуют десятки разновидностей аккумуляторов

 

  

Типы аккумуляторов

Никель-кадмиевые аккумуляторы были изобретены более 100 лет назад. Это был открытый источник тока, в котором газы, выделяющиеся во время работы, беспрепятственно выходили в атмосферу. Тогда эти аккумуляторы не получили широкого распространения из-за того, что их компоненты были дороги в производстве. Второе рождение NiCd батареи получили уже после войны, в 1947 году, когда их стоимость значительно снизилась. Они стали герметично закрываться, не выпуская наружу вредные газы, а рекомбинируя их внутри, кроме того, внутрь никелевых электродов были введены активные материалы, что улучшило работоспособность аккумулятора. С тех пор их конструкция практически не изменялась.

Эффект памяти аккумулятора – обратимая потеря ёмкости, которая связана с неблагоприятными условиями их использования. Чаще всего он проявляется при заряде не полностью разряженных аккумуляторов. Если использовать их неправильно, рабочее вещество внутри постепенно изменяется, снижая напряжение и уменьшая ёмкость аккумулятора. Иногда неправильная эксплуатация аккумулятора даже может привести к его поломке. Чтобы избежать этого, рекомендуем вам «тренировать» аккумулятор, а именно, несколько раз подряд устраивать ему полную разрядку и зарядку. Некоторые зарядные устройства имеют специальный режим работы, в котором «тренировка» аккумулятора производится автоматически. В то же время, чересчур частая «тренировка» не пойдет на пользу, а слишком запущенный аккумулятор не спасёт почти ничего.

NiCd аккумуляторы способны работать практически в любых условиях. Они единственные способны заряжаться при «минусовой» температуре окружающей среды. Такие аккумуляторы, при условии правильной эксплуатации, способны выдерживать более тысячи циклов заряда/разряда и легко восстанавливают свою ёмкость даже после длительного хранения. Но есть у них и существенный недостаток – маленькая ёмкость и крупные габариты. Это долгое время делало невозможным производство мощных профессиональных инструментов на основе таких батарей. Кроме того, такие аккумуляторы имеют высокий процент саморазряда – за месяц они способны потерять до 20% накопленной энергии. Эффект памяти в NiCd батареях выражен крайне сильно, что тоже создавало некоторые неудобства в эксплуатации.

Никель-металлогидридные аккумуляторы были созданы, чтобы заменить никель-кадмиевые. Их разработка началась ещё в 70-е годы, но химические соединения, необходимые для создания таких аккумуляторов, были найдены на 10 лет позже. Сейчас этот тип батарей постепенно вытесняет более старые – NiMH аккумуляторы обладают большей энергетической плотностью и не содержат вредных для экологии веществ. Кроме того, что немаловажно, они в меньшей степени подвержены эффекту памяти. Минусы этого типа батарей – длительное время зарядки, небольшой срок службы и высокий саморазряд – до 30% за месяц.

Литий-ионный аккумулятор – один из самых старых и надежных. К сожалению, научный гений их создателя, Г.Н.Льюиса, надолго обогнал существующие технологии производства, и со времени возникновения идеи до появления в продаже первых литиевых батареек  прошло более полувека. Работа по созданию сходных по составу аккумуляторов велась давно, но не приносила результатов из-за невозможности сделать их достаточно безопасными. Всё же в 1991 году первый литий-ионный аккумулятор был создан компанией Sony.

Сегодня Li-Ion аккумуляторы остаются наиболее удобными и мощными. Они оснащены электронной схемой управления, контролирущей температуру аккумулятора, регулирующей зарядный ток и выходное напряжение. Они дороже обычных, но с лихвой перекрывают разницу в цене своими плюсами – отсутствием саморазряда, «эффекта памяти», большей ёмкостью по сравнению со всеми остальными аккумуляторами. Их можно заряжать не дожидаясь полного разряда. Единственный минус – со временем они теряют ёмкость, даже если их не использовать. Этот процесс зависит от температуры хранения и степени заряда аккумулятора, поэтому 
рекомендуется хранить его в тепле (не менее +15 С) заряженным на 40%.

Для Li-Ion аккумуляторов нужно использовать только специальные зарядные устройства.

Недавно появились литий-полимерные аккумуляторы. Их отличие заключается в типе используемого электролита. Пока они могут работать только в самых благоприятных условиях, но имеют неоспоримый плюс – могут быть абсолютно любой формы. Крупные компании работают над их дальнейшей разработкой, обещая сделать эти источники тока дешевыми и мощными.

Характеристики аккумуляторов

Для того, чтобы правильно подобрать аккумулятор для своего инструмента, нужно не только знать его тип, но и уметь разбираться в других параметрах, таких как ёмкость, внутреннее сопротивление и саморазряд аккумулятора. Расскажем о них по порядку.

Емкость аккумулятора указывает на количество электрической энергии, которой должен обладать полностью заряженный аккумулятор. Это самый важный параметр, так как он указывает на время работы инструмента без подзарядки. Ёмкость измеряется в ампер-часах, и постепенно уменьшается в процессе эксплуатации.

Внутреннее сопротивление аккумулятора измеряется в омах и должно быть как можно меньше. В процессе эксплуатации этот параметр со временем будет увеличиваться, понижая напряжение на выходе аккумулятора.

Саморазряд аккумулятора уже упоминался в этой статье. Напомним, что с течением времени все аккумуляторы, кроме литий-ионных, теряют свой заряд. Процент саморазряда должен быть как можно меньше.

Срок службы – это количество циклов заряда-разряда, которое способен выдержать аккумулятор. Для литий-ионных батарей этот параметр означает также время с момента изготовления. Чем более «свежие» аккумуляторы вы купите – тем лучше.

На этом вводный курс закончен. Помните, что наши специалисты всегда помогут вам, если вы сомневаетесь в правильном выборе аккумулятора для своего инструмента.

Удачных вам покупок!

Источник: интернет-магазин www.toool.ru

Перепечатка информации только с использованием ссылки на www.toool.ru

Материал из России позволит аккумуляторам держать заряд при -50°C

https://ria.ru/20210622/miet-1737890732.html

Материал из России позволит аккумуляторам держать заряд при -50°C

Материал из России позволит аккумуляторам держать заряд при -50°C — РИА Новости, 22.06.2021

Материал из России позволит аккумуляторам держать заряд при -50°C

Материал, который защитит литий-ионные аккумуляторы от потери заряда при низких температурах, создали ученые Национального исследовательского университета… РИА Новости, 22.06.2021

2021-06-22T03:00

2021-06-22T03:00

2021-06-22T03:00

наука

национальный исследовательский университет «миэт»

навигатор абитуриента

университетская наука

технологии

российская академия наук

аккумуляторы

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn22.img.ria.ru/images/07e5/06/15/1737913295_0:88:3072:1815_1920x0_80_0_0_0ff3bdfb08965f37d261580584f50c96.jpg

МОСКВА, 22 июн – РИА Новости. Материал, который защитит литий-ионные аккумуляторы от потери заряда при низких температурах, создали ученые Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ МИЭТ) совместно со специалистами из ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина. По их словам, применение анодов из нанокристаллов германия позволит добиться беспрецедентной «морозостойкости» аккумуляторов. Исследование опубликовано в журнале Journal of Electroanalytical Chemistry.Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) широко востребованы в электронике благодаря сочетанию высокой плотности энергии, небольшого веса и низкого саморазряда, сообщили ученые НИУ МИЭТ.Однако даже современные элементы питания этого типа на холоде теряют большую часть своей емкости и мощности. Уже при -20°C ЛИА сохраняют всего лишь около 10% от емкости при +20°C. Подобные перепады становятся проблемой не только для рядовых пользователей техники. Сегодня мировым трендом является курс на освоение арктических территорий, где температура может падать до -50°C и ниже. Поэтому создание новых устойчивых к холоду аккумуляторов – одна из важных технических проблем, подчеркнули ученые.Для решения этой задачи коллектив специалистов из НИУ МИЭТ и ИФХЭ имени А. Н. Фрумкина РАН синтезировал нитевидные нанокристаллы германия и изучил их функциональные свойства в качестве материала анода, то есть отрицательного электрода аккумулятора.»Обратимая емкость, то есть заряд, который может быть отдан электродом при нормальной работе, для нашего анода составил около 250 мАч/г при -50°С. На этих температурах наиболее распространенные графитные аноды не работают вообще, а специальные «морозостойкие» аноды из титаната лития имеют емкость в два-три раза ниже», – рассказал научный сотрудник НИУ МИЭТ Илья Гаврилин.При -20°С емкость разработанного германиевого анода в 10 раз выше, чем у стандартного графитного, сообщили ученые. При этом, по их словам, другие «морозостойкие» материалы имеют те или иные недостатки: низкое рабочее напряжение и низкую энергоемкость даже при комнатной температуре, очень медленный процесс зарядки, сложность изготовления и другие.»Нитевидные нанокристаллы германия мы получаем электрохимическим способом из водного раствора оксида германия на проводящей подложке. За счет простой технологии и уникальных свойств синтезированных наноструктур нам удалось обойти множество сложностей, благодаря чему можно рассчитывать на относительно невысокую стоимость готовых изделий», – отметил доцент НИУ МИЭТ Алексей Дронов.Исследования проводятся в рамках проекта Российского научного фонда № 20-79-10312.

https://na.ria.ru/20201209/miet-1588201664.html

https://ria.ru/20210212/misis-1596967761.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn22.img.ria.ru/images/07e5/06/15/1737913295_0:0:2732:2048_1920x0_80_0_0_f03905b699aaf6dd134aa24781c61f01.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

национальный исследовательский университет «миэт», навигатор абитуриента, университетская наука, технологии, российская академия наук, аккумуляторы

МОСКВА, 22 июн – РИА Новости. Материал, который защитит литий-ионные аккумуляторы от потери заряда при низких температурах, создали ученые Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ МИЭТ) совместно со специалистами из ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина. По их словам, применение анодов из нанокристаллов германия позволит добиться беспрецедентной «морозостойкости» аккумуляторов. Исследование опубликовано в журнале Journal of Electroanalytical Chemistry.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) широко востребованы в электронике благодаря сочетанию высокой плотности энергии, небольшого веса и низкого саморазряда, сообщили ученые НИУ МИЭТ.

9 декабря 2020, 09:00

Главный элемент: история развития отечественной микроэлектроники

Однако даже современные элементы питания этого типа на холоде теряют большую часть своей емкости и мощности. Уже при -20°C ЛИА сохраняют всего лишь около 10% от емкости при +20°C.

Подобные перепады становятся проблемой не только для рядовых пользователей техники. Сегодня мировым трендом является курс на освоение арктических территорий, где температура может падать до -50°C и ниже. Поэтому создание новых устойчивых к холоду аккумуляторов – одна из важных технических проблем, подчеркнули ученые.

Для решения этой задачи коллектив специалистов из НИУ МИЭТ и ИФХЭ имени А. Н. Фрумкина РАН синтезировал нитевидные нанокристаллы германия и изучил их функциональные свойства в качестве материала анода, то есть отрицательного электрода аккумулятора.

© Фото : Пресс-служба НИУ МИЭТ

Конструкция литий-ионного аккумулятора, с анодом из нанонитей, которая не боится низких температур

1 из 5

Конструкция литий-ионного аккумулятора, с анодом из нанонитей, которая не боится низких температур

© Фото : Пресс-служба НИУ МИЭТ

Заместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Дронов

2 из 5

Заместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Дронов

© Фото : Пресс-служба НИУ МИЭТЗаместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Дронов

3 из 5

Заместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Дронов

© Фото : Пресс-служба НИУ МИЭТАлексей Дронов и Илья Гаврилин в Лаборатории технологий наноматериалов Института перспективных материалов и технологий

4 из 5

Алексей Дронов и Илья Гаврилин в Лаборатории технологий наноматериалов Института перспективных материалов и технологий

© Фото : Пресс-служба НИУ МИЭТ

Научный сотрудник НИУ МИЭТ Илья Гаврилин в Лаборатории технологий наноматериалов Института перспективных материалов и технологий

5 из 5

Научный сотрудник НИУ МИЭТ Илья Гаврилин в Лаборатории технологий наноматериалов Института перспективных материалов и технологий

1 из 5

Конструкция литий-ионного аккумулятора, с анодом из нанонитей, которая не боится низких температур

2 из 5

Заместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Дронов

3 из 5

Заместитель директора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Алексей Дронов

4 из 5

Алексей Дронов и Илья Гаврилин в Лаборатории технологий наноматериалов Института перспективных материалов и технологий

5 из 5

Научный сотрудник НИУ МИЭТ Илья Гаврилин в Лаборатории технологий наноматериалов Института перспективных материалов и технологий

«Обратимая емкость, то есть заряд, который может быть отдан электродом при нормальной работе, для нашего анода составил около 250 мАч/г при -50°С. На этих температурах наиболее распространенные графитные аноды не работают вообще, а специальные «морозостойкие» аноды из титаната лития имеют емкость в два-три раза ниже», – рассказал научный сотрудник НИУ МИЭТ Илья Гаврилин.

При -20°С емкость разработанного германиевого анода в 10 раз выше, чем у стандартного графитного, сообщили ученые. При этом, по их словам, другие «морозостойкие» материалы имеют те или иные недостатки: низкое рабочее напряжение и низкую энергоемкость даже при комнатной температуре, очень медленный процесс зарядки, сложность изготовления и другие.

«Нитевидные нанокристаллы германия мы получаем электрохимическим способом из водного раствора оксида германия на проводящей подложке. За счет простой технологии и уникальных свойств синтезированных наноструктур нам удалось обойти множество сложностей, благодаря чему можно рассчитывать на относительно невысокую стоимость готовых изделий», – отметил доцент НИУ МИЭТ Алексей Дронов.

Исследования проводятся в рамках проекта Российского научного фонда № 20-79-10312.

12 февраля, 09:00НаукаМатериал из России в три раза увеличит емкость литий-ионных батарей

Литиевые батареи

Внимательно прочтите эти правила перед использованием батарей!

Литий — наиболее легкий металл, он вдвое легче воды и всплывает даже в керосине. Одновременно с этим, литий обладает огромным электрохимическим потенциалом, что делает его одним из самых активных металлов. Это свойство лития дает возможность создавать на его основе батареи и аккумуляторы с очень высокой плотностью энергии при минимальных размерах и массе.

Преимущества, которыми обладают литиевые аккумуляторы

Еще одно преимущество литиевых аккумуляторов — очень низкий ток саморазряда. Это означает, что батарея может пролежать «на полке» или в выключенном приборе на годы дольше щелочных батареек. Для литиевых аккумуляторов это означает, что в малопотребляющих приборах не придется периодически подзаряжать аккумулятор (что придется сделать с никель-металлгидридными (NiMh), никель-кадмиевыми (NiCd) или свинцовокислотными (Lead Acid) аккумуляторами), или придется это делать намного реже.

Литиевые аккумуляторы также обладают еще одним важным преимуществом — они практически не теряют емкость при отрицательных температурах: большинство выпускаемых батарей спокойно работают от -40° а некоторые типы — от -60°. В условиях русской зимы и особенно Крайнего севера — литиевые батареи незаменимы.

Все эти параметры становятся особенно важными при использовании в устройствах выживания — к примеру, в фонарях, аварийных маячках или рациях.
Можно один раз «заправить» фонарь комплектом литиевых батарей, и более десяти лет не беспокоиться о том, что батареи (или аккумуляторы) разрядились, и требуют замены.

При этом, они легче других батарей, работают дольше, и не теряют емкость при отрицательных температурах.

Литиевые батареи и аккумуляторы производятся с разнообразными химическими формулами, что дает разное рабочее напряжение и энергоемкость.

Наиболее распространены:

• Li-MnO2 (батареи с префиксом «CR»).
  Номинальное напряжение: 3В.

  Наиболее распространенный вид литиевых батарей. К батареям такого типа относятся, например, батареи CR123 или CR2. Батарея такой системы обладает большой емкостью, может отдавать большой ток, обладает широким температурным диапазоном (от -40 до +60).
  К батареям этого типа относится также совместимая батарея типа «Корунд» (тип ISO «1604») напряжением 9В, которая физически состоит из трех элементов (обычные щелочные — из 6)

• Li-FeS2 (литий-железодисульфидные батареи)
  Номинальное напряжение: 1.5В.

  Современные литиевые батареи, призванные заменить традиционные щелочные и солевые батарейки.
  Напряжение 1.5В позволяет напрямую вставлять их в приборы, предназначенные для работы с обычными батарейками.

  При этом за счет литиевой химии, они обладают преимуществами по сравнению с щелочными батареями и Ni-Mh аккумуляторами:
  

  • Работают до 3-4 раз дольше. Литиевые батареи АА обладают эффективной емкостью 2900 мАч.
  • Имеют массу на 35% меньше.
  • Могут отдавать большой ток, что делает их применение возможным в «прожорливых» устройствах.
  • Рабочий температурный диапазон — от -40° до +60°
  • Низкий саморазряд: срок хранения — более десяти лет.
  
  К недостаткам можно отнести сравнительно высокую цену, но наращивание объемов производства таких батарей с каждым годом сокращает разрыв цены с щелочными батареями, и для работы в устройствах с большим энергопотреблением покупать такие батареи выгоднее, чем щелочные.
• Li-Ion (литий-ионные батареи (аккумуляторы))
  Номинальное напряжение: 3.6-3.7В.
  В этих элементах металлический литий заменен на ионы лития, что сделало батарею более безопасной. Эти батареи являются перезаряжаемыми (аккумуляторами).

  В отличие от аккумуляторов других систем, они не подвержены «эффекту памяти», и обладают превосходными энергетическими характеристиками.
  Саморазряд этих батарей — около 5% в месяц, по сравнению с 30% Ni-Mh аккумуляторов (новейшие типы Ni-Mh аккумуляторов имеют более низкие, чем 30%, токи саморазряда), и 10% Ni-Cd.
  Однако, литий-ионные аккумуляторы теряют емкость по мере старения, вне зависимости от заряда и количества циклов заряда-разряда. В среднем, это старение составляет около 20-30% в год, и усиливается при высоких температурах.
  

Сильная электрохимическая активность лития, наряду с огромным энергетическим потенциалом, создает дополнительные инженерные проблемы производителям батарей. Например, литий вступает в сильную реакцию с водой, с образованием щелочи и водорода.

Как известно, водород в смеси с кислородом воздуха, при определенной пропорции смеси, становится взрывоопасным. А тепло, выделяющееся при реакции, может воспламенить эту смесь.
Впрочем, эта проблема присуща также и свинцовокислотным аккумуляторам.
По этой причине все литиевые элементы упаковываются в герметичную оболочку.

В высокоэнергетических литиевых батареях и литий-ионных аккумуляторах при коротком замыкании или неправильной эксплуатации повышается температура и давление. Поэтому в конструкцию элементов добавляют предохранительные клапаны и контакты («PTC» — Positive Temperature Coefficient), размыкающиеся при повышении температуры. Эти меры позволяют предотвратить взрыв батарей, при неправильном с ними обращении.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы очень чувствительны к процессу заряда и разряда, поэтому в 99% случаев вместе с собственно элементом питания в батарее присутствует также и плата электроники, которая следит за «здоровьем» батареи, контролирует процесс заряда, разряда, а также предотвращает взрыв при коротком замыкании или превышении тока заряда.
Именно поэтому большинство литий-ионных аккумуляторов имеет не два, а три или четыре контакта — через дополнительные контакты микроконтроллер платы защиты общается с основным устройством.

Использование незащищенных литий-ионных аккумуляторов не рекомендуется по следующим причинам:

• Короткое замыкание, неправильная полярность, превышение напряжения или тока заряда могут вызвать взрыв.
• Слишком сильный разряд аккумулятора «убьет» его, сделав невозможным его дальнейшее использование. Не все устройства содержат защиту от глубокого разряда вставленных в них аккумуляторов. Обычно критическое напряжение глубокого разряда составляет 2.4-2.7В, в зависимости от химической формулы.

Меры предосторожности при работе с литиевыми аккумуляторами.

Проведенные исследования режимов эксплуатации на пожаро- и взрывобезопасность, а также миллиарды использованных литиевых батарей (в том числе батареи Вашего мобильного телефона, плеера, компьютера и т.п.), установили, что современные конструкции литиевых элементов практически безопасны при их правильной эксплуатации, и более того — вполне рассчитаны на «дурака».

Но, следуя принципу «предупрежден — значит вооружен», мы публикуем основные моменты работы с литиевыми батареями. В общем-то все, написанное ниже, применимо и обязательно для выполнения при использовании и обычных щелочных батареек. (и всегда пишется на упаковке)

Используя в бытовой технике батареи и аккумуляторы литиевой системы, вы должны осознавать, что их повышенные по сравнению с щелочными батареями и Ni-Mh аккумуляторами потребительские свойства — энергоемкость, масса — взяты не «с потолка», а являются следствием использования более активного материала.

Как показывает практика, потребители редко читают инструкцию по эксплуатации батарей и аккумуляторов, и еще реже её соблюдают, надеясь на русский «авось».

И хотя правила эксплуатации литиевых батарей ничем не отличаются от правил эксплуатации щелочных батарей и других аккумуляторов, их соблюдение особенно важно, т.к. несоблюдение может привести к более серьезным последствиям.

Итак:

• Не перезаряжать, не нагревать.

  В литиевой батарее есть т.н. пассивирующий слой на литиевом аноде. Эта защитная пленка соединений лития, в обычных условиях, препятствует прямым химическим реакциям металлического лития с электролитом и основными продуктами реакции. Зарядка литиевых батарей (не аккумуляторов, а именно неперезаряжаемых батарей, к примеру CR123) разрушает эту пленку и категорически запрещена. Это приводит к высвобождению и накоплению в батарее металлического лития, его реакции с электролитом, росту температуры и давления, и, как следствие, утечке токсичного газа (через предохранительный клапан), электролита, и может привести к воспламенению или взрыву батареи.
  К этому также может привести закорачивание батареи или её нагревание. К батарее нельзя припаивать провода бытовыми паяльниками и паяльными станциями — это нарушит или сплавит защиту от перегрева батареи, и она станет небезопасна. Нельзя оставлять батарею под прямыми солнечными лучами.
  То же самое относится к превышению тока заряда и напряжения заряда литиевых аккумуляторов. Используйте только качественные зарядные устройства, не стоит подключать «вот эту батарейку» к «вон тому заряднику» от «вон того прибора». Это опасно.

  
  Некоторые компании даже выпускают спец. оболочки-пакеты для зарядки литиевых элементов на предельных режимах:
  

• Не смешивать бывшие в употреблении и новые батареи; батареи разных типов или производителей.

  
  Установка элементов с разным напряжением (например, новый и бывший в употреблении) приведет к тому, что один элемент (новый) будет стремиться отдавать больший ток, и станет заряжать другой (старый). Батареи разных производителей, во-первых, могут иметь разное внутреннее сопротивление, а во-вторых, незначительно отличающийся химический состав. По описанной в п.1 схеме, и то, и другое может привести к взрыву.
  Согласно исследованиям, смешивание Б/У и новых батарей или батарей разных производителей, явилось причиной №1 случаев возгорания и взрыва литиевых батарей в фонарях и других приборах. Наихудшее с точки зрения безопасности соотношение — это использование новой батареи и на 20% использованной. И хотя таких случаев зарегистрировано менее десяти на сотни тысяч случаев беспроблемного использования, делать этого не стоит.

• Не разбирать, не сжигать, не использовать батареи со следами повреждений или протечек.

  Прокол элементов или смятие может привести к внутреннему короткому замыканию, с последующим возгоранием и взрывом; Расплавление лития от высокой температуры также приводит к взрыву.
  При разгерметизации внутрь элемента может попасть вода или сконденсироваться атмосферная влага, что может привести к реакции с выделением водорода и возгоранию.
  
  

• Не закорачивать. Соблюдать полярность.

  
  При разряде большими токами или коротком замыкании из-за некоторой неоднородности структуры батареи и наличия примесей могут возникать локальные «горячие точки», которые лавинообразно вызывают разогрев всей батареи.
  Результат — взрыв.

• Не утилизировать с бытовыми отходами.

  Хотя это общепринятая практика в нашей стране, но, вопреки ей, элементы питания нельзя выкидывать вместе с бытовым мусором.

  К примеру, остатки соленой воды в кухонных отходах могут закоротить элемент.

  И хотя у нас не создано никаких условий для правильной утилизации таких отходов — позаботьтесь хотя бы о том, чтобы литиевый элемент не контактировал с другими отходами.
  Например, поместив его в индивидуальный полиэтиленовый пакет, и завязав его.
  

• Хранить в сухом, прохладном месте.

  Влага, кроме прямого закорачивания контактов, может вызвать коррозию внешней оболочки батареи, заткнуть вентиляционные клапаны или нарушить герметичность. Батарею с признаками коррозии использовать нельзя. Высокая температура, близость к батареям отопления, духовым шкафам, печным трубам или прямые солнечные лучи могут вызвать повышение давления внутри батареи.

Современные литиевые батареи содержат множество элементов конструкции, которые призваны повысить степень защиты — сбросить нарастающее давление, разъединить электрическую цепь при превышении тока или температуры, а также разнообразную защитную электронику, но их лучше рассматривать как средства «последнего эшелона», и надеяться не на них, а на разумное соблюдение правил безопасности.

Соблюдение этих правил почти наверняка избавит вас от неприятных моментов использования литиевых батарей. И хотя случаи возгорания или взрыва батарей в фонарях очень редки (в Интернет-сообществе описано менее 10 случаев за все время на весь мир), мы считаем важным упомянуть основные сценарии развития событий.

• В большинстве редких случаев возгорания литиевых батарей в фонарях, фонарь «тухнет» или теряет яркость на сравнительно свежем комплекте батарей. В любом случае, это должно вас насторожить.
  Часто после этого, иногда через значительное время (20-30 мин.) слышится шипение клапана сброса давления батареи. Если вы слышите шипение этого клапана или фонарь неожиданно потускнел или нагрелся — ни в коем случае не направляйте фонарь стеклом или торцом к себе.
  Настороженность также должно вызвать ненормальное для данного режима работы фонаря нагревание батарейного отсека, особенно в выключенном состоянии (выше 60-70 градусов).
  При возникновении описанных симптомов — если фонарь у вас в руках — немедленно выключите его и положите подальше от людей, домашних животных и легковоспламеняемых предметов.
  Если фонарь не в руках — не подходите к нему как минимум 3-4 часа.

  Шипение клапана сброса давления часто сопровождается выделением едкого белого дыма с характерным «электрическим» запахом. Этот дым токсичен — старайтесь не вдыхать его и проветрить помещение.
  Если из батареи вылился электролит — не допускайте его контактов с кожей.
  Пролитый электролит следует засыпать пищевой содой или опилками, и вытереть насухо.
  Взрыв батареи иногда происходит через 1-2 секунды, а иногда через 20-30 минут после шипения клапана.
  При возгорании и взрыве литиевых батарей запрещается тушить их углекислотными огнетушителями: литий бурно реагирует с углекислотой.
  Эффективно применение порошковых огнетушителей (напр. ОП-10).

  Тушение горящих элементов и их обломков можно производить, накрывая очаги горения плотной термостойкой тканью (асбестовым полотном).
  Можно тушить сухим песком, покрывалом, сухой поваренной солью.
  Вода неэффективна при тушении горящего лития, и предотвращает главным образом распространение пожара. Наоборот, реакция лития с водой может вызвать выделение водорода, который усилит горение.

  Не берите в руки фонарь, обломки или батареи ранее, чем через несколько часов после прекращения любых проявлений реакции. Не приближайтесь к взорвавшимся или вытекшим батареям, пока они не остынут.

  Защищайте кожу от контактов с электролитом резиновыми перчатками.

  Засыпьте батареи, а также обломки, пищевой содой, для нейтрализации электролита. Поместите в полиэтиленовый пакет и утилизируйте.

  Помните телефон пожарной охраны: В России это 101, или 112, или 911 (с мобильного телефона).

• Чаще взрываются фонари на двух CR123-элементах (в большинстве случаев ксеноновые, а не светодиодные), чем на одном. Поэтому при использовании фонаря, работающего на двух элементах, старайтесь или использовать защищенный аккумулятор 18650 или 17670, если он допустим конструкцией фонаря, или особенно тщательно подходите к вопросу выбора пары батарей. Старайтесь ставить вместе батареи из одной партии.
  Если у вас есть возможность измерить внутреннее сопротивление батарей — старайтесь совмещать батареи по внутреннему сопротивлению.

  Естественно, ни в коем случае не ставьте разные батареи или использованные совместно с новыми.
  

• Чаще взрываются фонари на галогеновых (ксеноновых галогенных) лампах без электроники, чем светодиодные с электроникой. Причина — описанные выше в п.4 «горячие точки», которые возникают при неконтролируемом разряде большим током.
  
• Старайтесь использовать качественный фонарь, нежели безымянный.
  Плохая конструкция и используемые материалы могут служить причиной закорачивания батарей. Особенно это относится к дешевым галогеновым фонарям на элементах CR123.
  Старайтесь использовать водонепроницаемый фонарь — это также предотвратит нештатные ситуации при использовании литиевых батарей.
  
• Старайтесь использовать алюминиевый фонарь, нежели пластиковый.
  Пластиковый фонарь может разлететься в непредсказуемых направлениях.
  У алюминиевых фонарей «вышибает» стекло и торцевую кнопку (если такая есть). Так что, при взрыве в руке в большинстве описанных случаев (3 случая) обошлось без травм.
  Одновременно, пластиковый корпус менее стоек к разогреву батарей и может обеспечить меньше защиты батареям от внешнего тепла.
  

А остальные миллиарды случаев успешного использования литиевых батарей без каких-либо эксцессов подтверждают: за этими элементами ближайшее будущее. И если век топливных или био-элементов еще не наступил, то для лития — самое время.
В реальности же с безопасностью дело обычно обстоит так:

Ссылки по теме:

Статья про элементы питания на HPC.RU
Лабораторные опыты по Химии, видео: реакция лития с водой (опыт 12)
Реакция лития с водой, видео (другой опыт)
Статья на сайте FlashLightReviews про батарейки вообще(англ.)
Статья на сайте FlashLightReviews про батарейки подробнее(англ.)
Статья на сайте FlashLightReviews про взрывы батарей (англ.)
Сравнение разных типов и марок батарей (с графиками)
Взаимодействие щелочных металлов с водой (передача «Мозголомы»), видео

Литий-ионные аккумуляторные батареи | НИАИ ИСТОЧНИК

Технические характеристики

Наименование	Номинальная емкость, Ач	Номинальное напряжение, В	Габариты, мм	Срок службы / циклы	Масса, кг	Рабочая температура, °С
2ЛИА-1,5	1,5	7,2	118х58х18	7/500	0,2	от -40 до +50
3ЛИА-4	4,0	10,8	134х55х56	7/500	1	от -40 до +50
3ЛИА-7	7,0	10,8	177х72х69	7/500	1,85	от -40 до +50
3ЛИА-14-1	14,0	10,8	177х72х99	7/500	3,1	от -40 до +50
3ЛИА-14-2	14,0	10,8	194х87х124	7/500	4	от -40 до +50
4ЛИА-18	18	14,4	250х80х150	7/500	5,2	от -20 до +55
4ЛИА-25	25	14,4	250х80х150	7/500	6,5	от -20 до +55

История создания литий-ионного аккумулятора началась с разработки первичных элементов с литиевым анодом в начале 70-х годов прошлого века.

В литий-ионном аккумуляторе положительный электрод, Lix Me O y , (M-Co либо Ni, либо Mn) является источником ионов лития, а отрицательный углеграфитовый электрод является приёмником этих ионов. При этом на аноде в процессе циклирования происходит внедрение (интеркаляция) ионов лития в кристаллическую решетку при заряде и их удалении (деинтеграция) то время разряда.

В качестве электролита используется литиевая соль, растворённая в апротонных органических соединениях.

Суммарный процесс работы литий-ионного аккумулятора может быть представлен уравнением:

Li MO₂+ 6 C ← Li _(1-x)MO₂+Li_xC₆

Таким образом, при заряде и разряде источника тока происходит перемещение х ионов лития с одного электрода на другой.

Конструкция

ЛИА-18	ЛИА-25

ЛИА выпускают в призматических, дисковых, цилиндрических вариантах. Отрицательные электроды ЛИА изготавливают, как правило, намазкой активной массы, состоящей из графита и связующего, растворенного в органическом растворителе, на медную фольгу. Положительные электроды изготавливают также намазкой активной массы, включающей активный катодный реагент, электропроводную добавку и связующий, на алюминиевую фольгу. Сепаратор изготавливают из полипропилена и полиэтилена.

Отсутствие в литий-ионных аккумуляторах высокоактивного в химическом отношении лития делает их практически безопасными системами, а замена процесса осаждения и растворения металлического лития на процесс миграции ионов лития с одного электрода на другой позволяет почти неограниченно увеличить срок их службы (до нескольких тысяч и более циклов).

Технические преимущества

• Высокие удельные характеристики
• Устойчивость к механическим нагрузкам
• Длительный срок службы
• Низкий саморазряд

Сравнительные характеристики герметичных аккумуляторов

Тип аккумулятора	Литий-ионный	Никель-Металлгидридный	Никель-кадмиевый	Никель-водородный
Номинальное напряжение, В	3,6	1,25	1,2	1,25
Удельная энергия по массе, Втч/кг	130	60—75	40—45	50—55
Удельная энергия по объему, Втч/дм3	260	180—200	80—100	100—120
Саморазряд, % (сут.)	До 15 (28 )	20 (28)	20 (28)	40(3)
Максимальное избыточное давление, мпа		0,15	0,15	12
Отдача по емкости, %	98	96-98	72	90—92
Срок службы, годы/циклы	5/500	5/500	5/500	7/1000

Литий-ионные аккумуляторы и батареи на их основе.

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) в настоящее время производятся огромными тиражами в ряде стран и применяются во всем мире в качестве источника электрической энергии для портативных электронных устройств (радиотелефоны, портативные компьютеры, видеокамеры и т. п.)

В то же время ведутся интенсивные научно-исследовательские работы по совершенствованию активных электродных материалов, электролитов, сепараторов и других составляющих. С целью дальнейшего повышения потребительских качеств ЛИА (стабилизации электрических характеристик, увеличения срока службы, расширения рабочего температурного диапазона, увеличения удельной мощности, совершенствования технологии, снижения стоимости).

Однако уже на сегодня создан научный и экспериментальный задел, достаточный для создания источников энергии, способных заменить традиционные источники для таких потребителей, как электромобили, подводные аппараты и космические аппараты. При этом ЛИА способны обеспечить энерговооруженность объектов в 1,5—2,5 раза больше, чем традиционные ХИТ. Сравнительные характеристики аккумуляторов различных систем приведены в таблице на предыдущей странице.

На данный момент в АО «НИАИ «Источник» существуют разработки цилиндрических ЛИА в габаритах R6 и ряда призматических аккумуляторов емкостью от 0,4 до 1000 Ач, а также батарей на их основе.

Ненормальный саморазряд литий-ионных аккумуляторов

Ожидается, что литий-ионные батареи

станут ключевой технологией для крупномасштабных систем хранения энергии (ESS), которые помогут удовлетворить растущие в последнее время потребности в использовании возобновляемых источников энергии. Помимо их многообещающих электрохимических характеристик, низкая скорость саморазряда (<5% от сохраненной емкости в течение 1 месяца) литий-ионных аккумуляторов является одним из их наиболее значительных преимуществ для ESS. Здесь, вопреки общепринятому мнению, мы сообщаем, что саморазряд LIB может ненормально ускориться, когда аккумулятор подвергается даже обычному краткосрочному тепловому воздействию.Мы демонстрируем, что эта тепловая «история» в дополнение к самой температуре запоминается в батарее и увеличивает скорость саморазряда. Серия характеристик, выполненных в нашей работе, показывает, что соль электролита действует как сильный окислитель, сильно повреждая поверхность катода, создавая внутренний «паразитный» источник лития, который непрерывно поставляет литий для саморазряда. Хотя широко известно, что работа батареи при повышенной температуре обычно вызывает более быстрое снижение емкости в течение нескольких циклов, ключевой вывод здесь заключается в том, что следует тщательно учитывать не только рабочую температуру, но и «тепловую историю» батареи, потому что эта история сохраняется. и после этого продолжает влиять на скорость саморазряда.Саморазряд LIB в значительной степени игнорировался; однако наши результаты показывают, что необходимо уделять пристальное внимание саморазряду LIB, применяемых к крупномасштабным ESS, которые, в отличие от мобильных электронных устройств, будут подвергаться воздействию различных температурных условий снаружи.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз? Решения для измерения саморазряда литий-ионных батарей

Система измерения саморазряда литий-ионных

Что такое саморазряд элемента? Саморазряд электрического элемента — это потеря заряда с течением времени, когда он не подключен к какой-либо нагрузке.Некоторое количество саморазряда — нормальное явление, возникающее в результате химических реакций, происходящих внутри клетки. Литий-ионные элементы обычно теряют от 0,5 до 1% своего заряда в месяц.

Рынок литий-ионных (Li-ion) элементов переживает взрывной рост, и этот рост создает нагрузку на операции по производству элементов, оказывая давление на производственные затраты, запасы и поставки. Перед производителями литий-ионных элементов стоит задача быстро определить, демонстрируют ли вновь сформированные элементы приемлемые характеристики саморазряда.

Проверка рабочих характеристик литий-ионных элементов и аккумуляторов

является одновременно приоритетом и проблемой для инженеров, занимающихся проектированием или производством. Это особенно верно для оценки саморазряда литий-ионных элементов. Литий-ионные элементы, демонстрирующие высокий уровень саморазряда, имеют более высокую вероятность выхода из строя и должны быть устранены, а причина — выявлена. К сожалению, это традиционно долгий и утомительный процесс. Традиционно саморазряд не является сложным измерением — относительно просто измерить, как напряжение холостого хода (OCV) элементов изменяется с течением времени.Проблема в том, сколько времени потребуется, чтобы этот OCV изменился достаточно, чтобы достоверно определить, находится ли саморазряд ваших ячеек в допустимых пределах.

Прорывные решения для измерения саморазряда литий-ионных аккумуляторов

Теперь вы можете напрямую измерять ток саморазряда за 1-2 часа вместо того, чтобы контролировать напряжение холостого хода элемента в течение недель или месяцев, а также быстро измерять и анализировать ток саморазряда во время проектирования и оценки элемента.

Новые решения Keysight для измерения саморазряда литий-ионных элементов обеспечивают революционное сокращение времени на измерение и определение характеристик саморазряда литий-ионных элементов.Эти решения для измерения саморазряда литий-ионных аккумуляторов определяют саморазряд элемента путем прямого измерения его тока саморазряда.

• Непосредственно измеряйте ток саморазряда всего за 1-2 часа вместо того, чтобы контролировать напряжение холостого хода элемента в течение нескольких дней или недель.
• Быстрое определение хороших и плохих характеристик саморазряда элементов при производстве за считанные минуты. Значительно уменьшите запасы незавершенного производства.
• Быстро измеряйте и анализируйте ток саморазряда во время проектирования и оценки элемента.Сократите время цикла проектирования и быстрее выйдите на рынок.

Оценка саморазряда литий-ионных элементов за долю времени, традиционно требуемого

Страна или регион * —Выберите — United StatesUnited KingdomCanadaIndiaNetherlandsAustraliaSouth AfricaFranceGermanySingaporeSwedenBrazilAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrit / Индийский океан Terr.Бруней-ДаруссаламБолгарияБуркина-ФасоБурундиКамбоджаКамерунКанарские островаКапо-ВердеКаймановы островаЦентральноафриканская РеспубликаЧадЧилиКитайОстров РождестваКокос (Килинг) островаКолумбияКоморские островаКонгоКонго, The Dem. Республика OfCook IslandsCosta RicaCôte d’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland IslandsFaroe IslandsFijiFinlandFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный Terr.GabonGambiaGeorgiaGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard / McDonald ISL,.HondurasHong Kong, ChinaHungaryIcelandIndonesiaIranIraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea (Северная) Корея (Южная) KuwaitKyrgyzstanLaosLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesiaMoldovaMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarN. Марьяна Isls.NamibiaNauruNepalNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalauPalestinian край, OccupiedPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint Киттс и NevisSaint LuciaSamoaSan MarinoSao Фолиант / PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbia и MontenegroSerbiaMontenegroSeychellesSierra LeoneSlovak RepublicSloveniaSolomon IslandsSomaliaSpainSri LankaSt.Елена Пьер и Микелон Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard / Ян Майен Isls.SwazilandSwitzerlandSyriaTaiwan, ChinaTajikistanTanzaniaThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks / Кайкос Isls.TuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUS Экваторияльная Is.UruguayUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaViet NamVirgin острова (Британские) Виргинские острова поле (США) Уоллис / Футуна Isls.Western SaharaYemenZambiaZimbabweRequired

% PDF-1.3 % 107 0 объект > эндобдж xref 107 76 0000000016 00000 н. 0000001871 00000 н. 0000002043 00000 н. 0000002671 00000 н. 0000002998 00000 н. 0000003065 00000 н. 0000003243 00000 н. 0000003351 00000 п. 0000003456 00000 н. 0000003582 00000 н. 0000003703 00000 н. 0000003875 00000 н. 0000004037 00000 н. 0000004198 00000 п. 0000004372 00000 п. 0000004496 00000 н. 0000004635 00000 н. 0000004813 00000 н. 0000004928 00000 н. 0000005043 00000 н. 0000005157 00000 н. 0000005272 00000 н. 0000005387 00000 н. 0000005502 00000 н. 0000005617 00000 н. 0000005732 00000 н. 0000005847 00000 н. 0000005962 00000 н. 0000006210 00000 н. 0000006593 00000 н. 0000012036 00000 п. 0000012445 00000 п. 0000012935 00000 п. 0000013416 00000 п. 0000020063 00000 п. 0000020552 00000 п. 0000021119 00000 п. 0000021160 00000 п. 0000021182 00000 п. 0000022197 00000 п. 0000022488 00000 п. 0000022844 00000 п. 0000022965 00000 п. 0000023196 00000 п. 0000025845 00000 п. 0000026741 00000 п. 0000027674 00000 п. 0000027844 00000 н. 0000028060 00000 п. 0000028275 00000 п. 0000028539 00000 п. 0000028606 00000 п. 0000028629 00000 п. 0000029714 00000 п. 0000029737 00000 п. 0000030909 00000 п. 0000030932 00000 п. 0000032038 00000 п. 0000032061 00000 п. 0000033185 00000 п. 0000033207 00000 п. 0000034198 00000 п. 0000034417 00000 п. 0000034590 00000 п. 0000034663 00000 п. 0000035339 00000 п. 0000035361 00000 п. 0000036388 00000 п. 0000036410 00000 п. 0000037263 00000 п. 0000037340 00000 п. 0000037447 00000 п. 0000040122 00000 п. 0000048178 00000 п. 0000002084 00000 н. 0000002649 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 108 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 181 0 объект > ручей Hb«f`Pa`g`f` @

Глобальная модель саморазряда и уменьшения емкости литий-ионных батарей, основанная на обобщенном соотношении Айринга

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 9 0 объект /Заголовок /Предмет / Автор /Режиссер / Ключевые слова / CreationDate (D: 20210731224803-00’00 ‘) / ModDate (D: 20170925163845 + 02’00 ‘) /PTEX.Fullbanner (Это pdfTeX, версия 3.14159265-2.6-1.40.16 \ (TeX Live 2015 / Debian \) kpathsea версии 6.2.1) / В ловушке / Ложь >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 6 0 obj > эндобдж 7 0 объект > ручей application / pdf

Эдуардо Редондо-Иглесиас

Глобальная модель саморазряда и уменьшения емкости литий-ионных батарей, основанная на обобщенном соотношении Айринга

2017-09-08T14: 54: 26 + 02: 00LaTeX с пакетом hyperref2017-09-25T16: 38: 45 + 02: 002017-09-25T16: 38: 45 + 02: 00 Литий-ионные батареи, потеря емкости, уменьшение емкости, саморазряд, обобщенные отношения Айринга.pdfTeX-1.40.16FalseЭто pdfTeX, версия 3.14159265-2.6-1.40.16 (TeX Live 2015 / Debian) kpathsea версия 6.2.1uuid: df63b815-ea37-46f9-8b7a-62f465c1acc8uuid: 5ed84d4ab74-935850-45 конечный поток эндобдж 8 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 20 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageB / ImageI] >> эндобдж 21 0 объект > ручей x ڭ XɎ $ 5cGxJu @, ۈ! P \ 9 Ⱍ YUM7BRp, ^.s =? pRdQLV; f ++ 1> MrD «rOsDumSaCuS # 4a 籽 4mʎFDŮ> 8tjfL2>` w} 3! #lQtVyn; .ґV = (޷ e + obwX כ / bufTjӱ خ fT1G} 3D ({{4H \ ׉ 8 =}? {~~~ @ (kK | !; K3is) jd, ny / iUoͅ 㳣 $ d \ o5ṟW; W% yt +! nYxy0kykD! ZǍsT + = rC \ [! 0e> 6lLy # FHw̷0`4E,> 9wVhrk & e! Cy 섾 n6gym (f + kc (* SN, -xn \ PI @ ަ l -t0eV-sɼ [Xw9 @ nf | hcnpCSg (5WY [#) r / n] Wb I $ JjыcxJJЊ4sM’q0aL8i /; 2Ҋ, Nht — DFZF $ Wz 빅 Z | hS $ TW @ EP / Ըꛏ O |

AGWm \ RxOA *; bTHRĞO4kN_TYw 6bWIx} ķc7ɘѻAFiqgJ9 ۺ $ z = J: f7.Ǫ S>

Benzo Energy / Почему происходит саморазряд литий-ионных аккумуляторов и как измерить саморазряд?

Реакция саморазряда литий-ионных аккумуляторов неизбежна, и ее наличие не только приводит к уменьшению собственной емкости аккумулятора, но также серьезно влияет на конфигурацию аккумулятора и срок службы.Скорость саморазряда литий-ионных аккумуляторов обычно составляет от 2% до 5% в месяц, что может полностью удовлетворить требования к использованию одиночных аккумуляторов.

Однако, как только одна литиевая батарея собирается в модуль, поскольку характеристики каждой отдельной литиевой батареи не полностью одинаковы, после каждой зарядки и разрядки напряжение на клеммах каждой отдельной литиевой батареи не может быть полностью согласованным, что будет вызвать проблемы в литиевой батарее.Производительность одиночной литиевой батареи ухудшится, если в модуле будет перезаряженная или переразряженная одиночная батарея. По мере увеличения количества зарядок и разрядов степень износа будет еще больше усугубляться, а срок службы в цикле будет значительно сокращаться по сравнению с непревзойденными одиночными элементами. Поэтому глубокое исследование скорости саморазряда литий-ионных аккумуляторов является насущной необходимостью при производстве аккумуляторов.

1. Факторы, влияющие на саморазряд

Явление саморазряда батареи относится к явлению, когда ее емкость самопроизвольно теряется, когда батарея остается в разомкнутой цепи, и также называется способностью удержания заряда. .Саморазряд в целом можно разделить на два типа: обратимый саморазряд и необратимый саморазряд. Потеря емкости может быть обратимо компенсирована обратимым саморазрядом, принцип которого аналогичен нормальной реакции разряда батареи. Саморазряд, потеря емкости которого не может быть компенсирована, является необратимым саморазрядом. Основная причина — необратимая реакция внутри батареи, в том числе реакция между положительным электродом и электролитом, реакция между отрицательным электродом и электролитом, реакция, вызванная примесями в электролите, и необратимые реакции, вызванные коротким замыканием. цепи, вызванные переносимыми примесями и т. д.Факторы, влияющие на саморазряд, следующие.

1) Материал катода

Влияние материала положительного электрода в основном заключается в том, что переходный металл и примеси материала положительного электрода осаждаются в отрицательном электроде и вызывают внутреннее короткое замыкание, тем самым увеличивая саморазряд электрода. литиевая батарея. Ях-Мей Тенг и др. изучили физические и электрохимические свойства двух катодных материалов LiFePO4. Исследование показало, что батареи с высоким содержанием железа в сырье и в процессе зарядки и разрядки имеют высокую скорость саморазряда и плохую стабильность.Причина в том, что железо постепенно восстанавливается и осаждается в отрицательном электроде, пробивая диафрагму, вызывая короткое замыкание в батарее, что приводит к высокому саморазряду.

2） Материал анода

Влияние материала отрицательного электрода на саморазряд в основном связано с необратимой реакцией между материалом отрицательного электрода и электролитом. Еще в 2003 году Aurbach et al. предположил, что электролит восстанавливается, чтобы высвободить газ, открывая часть поверхности графита для электролита.В процессе зарядки и разрядки, когда ионы лития вставляются и извлекаются, слоистая структура графита легко разрушается, что приводит к более высокой скорости саморазряда.

3） Электролит

Влияние электролита в основном проявляется как: коррозия электролита или примесей на поверхности отрицательного электрода; растворение электродных материалов в электролите; электрод покрыт нерастворимыми твердыми частицами или газами, разлагающимися электролитом с образованием пассивирующего слоя.В настоящее время большое количество научных исследователей занимается разработкой новых добавок для подавления влияния электролита на саморазряд. Цзюнь Лю и другие добавили VEC и другие добавки к электролиту батареи NCM111 и обнаружили, что рабочие характеристики батареи при высокотемпературном цикле улучшились, а скорость саморазряда в целом снизилась. Причина в том, что эти добавки могут улучшить пленку SEI, тем самым защищая отрицательный электрод батареи.

4) Состояние хранения

Основными факторами, влияющими на состояние хранения, являются температура хранения и SOC батареи.Вообще говоря, чем выше температура, тем выше SOC и больше саморазряд аккумулятора. Такаши и др. провели эксперименты по снижению емкости литий-железо-фосфатных аккумуляторов в статических условиях. Результаты показывают, что по мере повышения температуры степень сохранения емкости постепенно уменьшается со временем хранения, а скорость саморазряда батареи увеличивается.

Лю Юньцзянь и другие использовали коммерческие литиево-марганцево-оксидные силовые батареи и обнаружили, что по мере увеличения степени заряда батареи относительный потенциал положительного электрода становится все выше и выше, а его окислительные свойства становятся сильнее; относительный потенциал отрицательного электрода становится все ниже и ниже.Его восстанавливаемость становится все сильнее и сильнее, и оба они могут ускорять выделение Mn, что приводит к увеличению скорости саморазряда.

5） Другие факторы

Есть много факторов, которые влияют на скорость саморазряда батареи. Помимо перечисленных выше, существуют в основном следующие аспекты: во время производственного процесса заусенцы, образующиеся при разрезании полюсных наконечников, и примеси, попавшие в аккумулятор из-за производственных экологических проблем, такие как пыль, металлический порошок на полюс и т. д., все это может вызвать внутреннее микрокороткое замыкание аккумулятора; внешняя электронная цепь, вызванная влажностью внешней среды, неполной изоляцией внешней цепи, плохой изоляцией корпуса батареи и т. д., вызовет саморазряд; Во время длительного хранения соединение между активным материалом электродного материала и токосъемником нарушается, в результате чего активный материал выпадает и отслаивается, что приводит к снижению емкости и увеличению саморазряда.Каждый из вышеперечисленных факторов или комбинация нескольких факторов может вызвать саморазряд литиевых батарей, что затрудняет поиск причины саморазряда и оценку емкости аккумулятора.

2. Метод измерения скорости саморазряда

Из приведенного выше анализа можно узнать, что скорость саморазряда литиевых батарей, как правило, низкая. На скорость саморазряда влияют такие факторы, как температура, время цикла и SOC.Поэтому точно измерить саморазряд аккумулятора очень сложно и отнимает много времени.

А). Традиционный метод измерения скорости саморазряда

В настоящее время традиционные методы обнаружения саморазряда следующие:

a). Метод прямого измерения

Сначала зарядите испытуемый элемент до определенного уровня заряда и поддерживайте его в течение периода разомкнутой цепи, а затем разрядите элемент, чтобы определить потерю емкости элемента.Скорость саморазряда:

В формуле: C — номинальная емкость аккумулятора; C1 — разрядная емкость. После того, как разомкнутая цепь оставлена, оставшуюся емкость аккумулятора можно получить, разрядив аккумулятор. В это время снова выполните несколько циклов зарядки и разрядки аккумулятора, чтобы определить полную емкость электрического чеснока на данный момент. Этот метод позволяет определить необратимую потерю емкости и обратимую потерю емкости аккумулятора。

b).Метод измерения скорости затухания напряжения холостого хода

Напряжение холостого хода напрямую связано с SOC состояния заряда батареи. Необходимо только измерить скорость изменения OCV батареи в течение определенного периода времени, а именно:

Этот метод прост в использовании, и для этого нужно только записать напряжение батареи в любом временном интервале, а затем состояние заряда батареи в это время может быть получено согласно соответствующему соотношению между напряжением и SOC батареи.Посредством расчета крутизны затухания напряжения и соответствующей способности затухания в единицу времени можно окончательно получить скорость саморазряда батареи.

в). Метод сохранения емкости

Измерьте ожидаемое напряжение холостого хода аккумулятора или количество энергии, необходимое SOC для определения скорости саморазряда аккумулятора. То есть для измерения зарядного тока при поддержании напряжения холостого хода батареи, и скорость саморазряда батареи может рассматриваться как измеренный зарядный ток.

Б). Быстрый метод измерения скорости саморазряда

Поскольку традиционный метод измерения требует длительного времени, а точность измерения недостаточна, скорость саморазряда используется только как метод проверки того, подходит ли батарея в большинстве случаев в процесс тестирования батареи. Появление большого количества новых и удобных методов измерения сэкономило много времени и энергии для измерения саморазряда батареи.

а).Технология цифрового управления

Технология цифрового управления — это новый тип метода измерения саморазряда, основанный на традиционном методе измерения саморазряда с использованием однокристальных микрокомпьютеров. Этот метод имеет преимущества короткого времени измерения, высокой точности и простого оборудования.

б). Метод эквивалентной схемы

Метод эквивалентной схемы — это совершенно новый метод измерения саморазряда, который моделирует батарею как эквивалентную схему, которая может быстро и эффективно измерить скорость саморазряда литий-ионных батарей。

3.значение измерения скорости саморазряда

Являясь важным показателем производительности литий-ионных аккумуляторов, скорость саморазряда оказывает важное влияние на выбор и конфигурацию аккумуляторов. Следовательно, измерение скорости саморазряда литиевых батарей имеет далеко идущее значение.

1). Предсказание проблемных ячеек

Одна и та же партия батарей, используемые материалы и производственный контроль в основном одинаковы. Когда белый разряд отдельных батарей явно слишком велик, причиной может быть серьезное микрокороткое замыкание, вызванное внутренними загрязнениями и заусенцами, пробивающими диафрагму.Потому что воздействие микрокороткого замыкания на аккумулятор медленное и необратимое. Таким образом, в краткосрочной перспективе характеристики этого типа аккумулятора не будут сильно отличаться от характеристик обычного аккумулятора. Однако по мере того, как внутренняя необратимая реакция постепенно усиливается после того, как аккумулятор оставлен на длительное время, производительность аккумулятора будет намного ниже, чем его заводские характеристики и другие нормальные характеристики аккумулятора. Поэтому для обеспечения качества заводского аккумулятора аккумулятор с большим саморазрядом необходимо исключить.

2). Соберите батарею

Литиевые батареи нуждаются в большей согласованности, включая емкость, напряжение, внутреннее сопротивление и скорость белого разряда. Скорость саморазряда батареи влияет на аккумуляторную батарею в основном следующим образом: после сборки в модуль, поскольку скорость саморазряда каждой отдельной литиевой батареи разная, напряжение будет падать в разной степени во время процесса стеллажа или цикла, и батарея будет заряжаться последовательно. Ток снова станет равным, поэтому после каждой зарядки в модуле литиевой батареи могут появиться перезаряженные или недостаточно заряженные отдельные элементы.По мере увеличения количества зарядок и разрядок производительность батареи будет постепенно ухудшаться, а срок службы будет аналогичным. По сравнению с непревзойденным одиночным аккумулятором он значительно ниже. Следовательно, аккумулятор требует точного измерения и проверки скорости саморазряда литий-ионных аккумуляторов.

3). Оценка и коррекция SOC батареи

Состояние заряда также называется оставшейся мощностью, которая представляет собой отношение оставшейся емкости после того, как батарея использовалась в течение определенного периода времени или оставалась неиспользованной в течение длительного времени, к ее полностью заряженному состоянию. , и часто выражается в процентах.Скорость саморазряда имеет важное эталонное значение для оценки SOC литий-ионных батарей. Коррекция начального значения SOC током саморазряда может повысить точность оценки SOC. С одной стороны, клиенты могут оценить время использования или расстояние в пути продукта на основе оставшейся мощности; с другой стороны, повышение точности прогнозирования SOC BMS может эффективно предотвратить перезарядку аккумулятора. Чрезмерная разрядка, увеличивающая срок службы батареи.

Новый подход к высокой безопасности и высокой производительности литий-ионных батарей

РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве доказательства концепции мы подготовили базовый элемент, состоящий из стандартного электролита, 1 M LiPF ₆ в этиленкарбонате (EC ) / этилметилкарбонат (EMC) (3/7 мас.%) + 2 мас.% (мас.%) виниленкарбоната (VC), а также графитовый анод и катод NCM622.Защитные слои межфазного твердого электролита (SEI) на поверхности графита и межфазного катодного электролита (CEI) образуются во время начальных циклов заряда / разряда. Чтобы обеспечить низкий DCR и, следовательно, высокую мощность, эти межфазные слои обычно тонкие, не имеют достаточной плотности и упругости, чтобы противостоять разложению в условиях неправильного обращения, для подавления непрерывной реакции растворителя EC в SEI или для затруднения непрерывного окисления EC с выделением кислорода. из катодных материалов в CEI, что приводит к расходу Li и потере емкости элемента.Напротив, в элементах SEB мы создаем высокостабильные, огнестойкие EEI за счет добавления небольшого количества TAP в стандартный электролит. Эта модификация электролита сопровождается одновременным снижением содержания ЭК, т.е. ЭК / ЭМС (1/9 мас.) + 2 мас.% ВК, предназначенных для дальнейшего снижения образования газа за счет побочных реакций. В этой работе мы представляем результаты для трех прототипов клеток SEB, обозначенных как SEB-1, SEB-2 и SEB-3 и соответствующих 0,5, 1 и 1,5 мас.% ТАР, соответственно.Сопротивление переносу заряда ячеек SEB, измеренное с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), увеличивается в 3–5 раз по сравнению с базовой ячейкой без добавок электролита, как показано на фиг. 2A. Высокий импеданс возникает в результате полимеризации молекул ТАП, которые образуют толстые и плотные межфазные пленки на поверхностях как анода, так и катода ( 2 ). На анодной стороне пленка служит усиленным слоем SEI для стабилизации дальнейшего роста. На катодной стороне пленка препятствует взаимодействию ЭК в электролите с кислородом решетки на поверхности NCM при высокой температуре или высоком напряжении ( 3 ), как схематично показано на рис.2Б.

Рис. 2 Экспериментальное сравнение LIB и SEB и объяснение механизма.

( A ) Графики Найквиста, показывающие измеренное сопротивление переносу заряда клеток SEB по сравнению с базовым уровнем клеток LIB. ( B ) Схема, показывающая сформированные in situ межфазные слои на поверхности графита и частиц NCM. Улучшенный слой SEI на графите замедляет перенос EC через пленку и подавляет дальнейший рост SEI. Слой CEI препятствует окислению ЕС решеточным кислородом по поверхности NCM при высоких температурах или высоких напряжениях.( C и D ) Эволюция напряжения и температуры в ячейке во время проникновения гвоздя в ячейку SEB и базовую ячейку LIB, а также качественные распределения температуры. Обе ячейки представляют собой карманные ячейки емкостью 2,8 Ач, состоящие из одного и того же графитового анода и катодного материала NMC622. Базовая ячейка LIB заполнена стандартным электролитом: 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (3/7 мас.%) + 2 мас.% VC. Ячейка SEB имеет электролит 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (1/9 вес.) + 2 вес.% VC с TAP в качестве добавки к электролиту.КТ, комнатная температура.

PolyTAP и его композиты являются негорючими материалами. Кроме того, PolyTAP обладает электроизоляционными свойствами и стабильностью при повышенных температурах ( 4 ). Все эти свойства делают PolyTAP хорошо подходящим для повышения безопасности клеток SEB в условиях злоупотребления. Это подтверждается испытаниями на проникновение гвоздями, показанными на рис. 2C, где повышение температуры составляет всего 100 ° C (без деформации клеток, курения или возгорания) по сравнению с почти 1000 ° C (возгорание) в базовом случае (рис.2D). Превосходные характеристики безопасности ячейки SEB дополнительно иллюстрируются электрическими характеристиками ячейки во время проникновения гвоздя. Для базовой ячейки напряжение ячейки снижается до 0,1 В в течение 5 с после проникновения гвоздя. Резкое падение напряжения указывает на то, что ток короткого замыкания чрезвычайно высок из-за низкого внутреннего сопротивления базовой ячейки. Напротив, напряжение элемента SEB падает с 4,171 до 3,085 В в течение 5 с после проникновения, показывая медленный и контролируемый разряд из-за высокого внутреннего сопротивления элемента SEB.Существенно более высокое сопротивление в ячейке SEB, чем базовое, вызвано электрически непроводящими слоями, сформированными на поверхности графита и частиц NCM, как схематично показано на фиг. 2B.

Стабильность и безопасность элементов SEB дополнительно подтверждается испытаниями на высоковольтный заряд и календарным сроком службы при высоких температурах (рис. S1 и S2). Ячейки SEB могут подвергаться 1254 воздействиям высокого напряжения [заряд постоянным током (CC) до 4,4 В, постоянное напряжение (CV) до C / 20] при 40 ° C с сохранением емкости 80%, тогда как базовая ячейка выдерживает всего 40 циклов при той же потере емкости и рабочей температуре, что указывает на то, что элемент SEB более чем в 30 раз стабильнее и, следовательно, безопаснее, чем базовые элементы в условиях зарядки высокого напряжения.Тестирование календарного срока службы также показывает, что пассивированные клетки SEB могут эффективно подавлять саморазряд. Ток саморазряда измеряется путем поддержания постоянного напряжения элемента на требуемом значении, например 4,187 В для 100% состояния заряда (SOC). Как базовые, так и SEB-элементы демонстрируют быстрое уменьшение плотности тока саморазряда в начале календарного старения из-за роста анодного слоя SEI. Свежие клетки SEB показывают токи саморазряда примерно в 5 раз ниже, чем у базовой ячейки при комнатной температуре и 50% SOC, в 6 раз ниже при комнатной температуре и 100% SOC и примерно в 7 раз ниже при 60 ° C при 50 и 100%. SOC.После 60 дней хранения ток саморазряда начинает выходить на плато; однако ток саморазряда в элементе SEB все еще в 2 раза ниже, чем в базовом элементе при комнатной температуре и 50% SOC и в 3 раза ниже при комнатной температуре и 100% SOC. Саморазряд становится в 4 раза ниже при высокой температуре (60 ° C) как при 50%, так и при 100% SOC, что указывает на то, что при повышенных температурах элементы SEB сохраняют превосходство в календарном сроке службы над базовым элементом.

Отличительной чертой ячеек SEB является высокая мощность по запросу.Когда батареи не используются, элементы SEB остаются простаивающими при комнатной температуре, демонстрируя высокую стабильность и безопасность. Однако во время работы клетка SEB переключается в условия высокой реактивности посредством быстрой термической стимуляции. Это можно проиллюстрировать с помощью DCR, который обратно пропорционален мощности. Здесь DCR при разряде и зарядке для SEB и базовых LIB-ячеек измеряются при 50% SOC с помощью 10-секундного метода определения характеристик мощности гибридного импульса (HPPC). Как и ожидалось, значения DCR существенно увеличиваются за счет добавления небольшого количества TAP в электролит, как показано на рис.3 (A и B), который также демонстрирует, что добавление большего количества TAP в SEB-3 (например, 1,5 мас.%) Приводит к дальнейшему увеличению DCR из-за образования более толстых защитных слоев.

Рис. 3 Температурная зависимость мощности ячеек.

( A и B ) DCR разряда и заряда, соответственно, при 50% SOC для ячеек SEB по сравнению с базовой ячейкой LIB. ( C ) Относительная мощность разряда (базовый уровень DCR _{@ RT} / DCR) ячейки SEB по сравнению с базовым уровнем ячейки LIB.( D ) Относительная реактивность ( R _{ct, исходный уровень @ RT} / R _ct ) клетки SEB по сравнению с исходной клеткой LIB, показывая, что клетки SEB работали при соответствующих повышенных температурах, например, SEB- 3 при 50 ° C, может обеспечивать достаточную мощность при всех температурах окружающей среды (обозначено линией a), что клетки SEB в 5 раз безопаснее и меньше стареют при комнатной температуре (обозначены линией b), а клетки SEB менее подвержены до теплового разгона при 60 ° C (обозначено линией c).

На рис. 3С показана относительная мощность клеток SEB по сравнению с базовой линией LIB, где мощность базовой клетки при комнатной температуре нормализована до единицы, тем самым демонстрируя, что клетки SEB могут обеспечивать достаточную более высокую мощность при работе при более высоких температурах.При 50% SOC SEB-1, работающий при 29,2 ° C, обеспечивает ту же мощность, что и базовый элемент при комнатной температуре. Самая безопасная ячейка SEB-3 с 1,5 мас.% Добавки TAP требует рабочей температуры 44,6 ° C для обеспечения такой же мощности, как и базовая ячейка при комнатной температуре. Базовая ячейка имеет узкое температурное окно от 15 ° до 35 ° C, тогда как ячейки SEB имеют гораздо более высокую максимальную рабочую температуру, не становясь чрезмерно реактивными. Таким образом, необходимость работы при более высоких температурах для восстановления мощности не представляет проблемы для элементов SEB.При 50% SOC увеличение мощности разряда по сравнению с базовой литий-ионной батареей составляет 2,05, 1,81 и 1,39 для SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно (рис. 3C). Более того, при температуре окружающей среды 0 ° C базовая ячейка LIB имеет относительную мощность 0,38, в то время как SEB-2 имеет относительную мощность 1,81 при работе при 60 ° C [требуется 30 с, чтобы нагреть ячейку от 0 ° C. От ° до 60 ° C со скоростью 2 ° C / с, что типично для самонагревающейся конструкции Wang et al. ( 1 )]. Это примерно 5-кратное увеличение мощности по сравнению с ячейкой LIB для ячеек SEB, работающих в условиях замораживания.Как правило, элементы SEB работают независимо от температуры окружающей среды или погоды, поскольку они всегда нагреваются за считанные секунды и работают при постоянной повышенной температуре. Хотя нагрев элемента до повышенной температуры потребляет энергию элемента, общая передаваемая энергия элемента, как это ни парадоксально, не уменьшается. Как показано на рис. S3, энергия разряда C / 3 составляла 9,62 ватт-часа (Втч) для базовой ячейки при комнатной температуре и 10,15 Втч для ячейки SEB-3 при 60 ° C. Согласно нашей предыдущей работе ( 1 ), для повышения температуры на 10 ° C требуется ~ 1% энергии ячейки, что означает, что ячейке SEB-3 нужно 3.5% его энергии на нагрев от 25 ° до 60 ° C; оставшаяся энергия разряда, таким образом, составляет 9,79 Вт · ч, что на 2% выше, чем у базового элемента при комнатной температуре.

Как уже упоминалось, такой быстрый нагрев достигается за счет вставки листа никеля микрометровой толщины. Влияние этого дополнительного компонента на плотность мощности ячейки можно оценить с помощью уравнения. 1, где м — масса данного элемента, а отношение мощности разряда, оцененное с помощью HPPC, обратно пропорционально отношению DCRs (Power Density) SEB (Power Density) baseline @ RT = (DCRbaseline @ RTDCRSEB @ 60 ° C) (mbaselinemSEB) (1)

Добавление никелевой фольги увеличивает массу клеток на 1.3%, в то время как отношение DCR в формуле. 1 — относительная мощность, представленная на фиг. 3C при 60 ° C. На основе этих значений удельная мощность не уменьшается, а увеличивается в 2,02, 1,79 и 1,37 раза в случае SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно. Таким образом, в случае SEB-3 с самым высоким внутренним сопротивлением плотность мощности все еще на 37% выше, чем у базового элемента, работающего при комнатной температуре.

На рис. 3D представлена ​​относительная межфазная реактивность, полученная на основе сопротивления переносу заряда по результатам EIS.Это дополнительно подтверждает, что повышенная рабочая температура эффективно снижает сопротивление передачи заряда элементов SEB и, следовательно, увеличивает реактивность и мощность элемента. Повышение реактивности по сравнению с базовой ячейкой LIB составляет 2,06 для SEB-2. В целом, как относительная мощность, так и относительная реактивность иллюстрируют способность ячеек SEB достигать высокой мощности по запросу. С другой стороны, значения относительной реактивности этих двух ячеек, показанные на рис. 3D, показывают, что элемент SEB будет в 5 раз безопаснее и подвергаться старению при комнатной температуре в 5 раз меньше, что подтверждается испытаниями на саморазряд и сохранение емкости. изображенный на рис.S2. Кроме того, сравнение относительной реактивности для двух типов ячеек при 60 ° C показывает, что ячейка SEB более чем в 2 раза менее склонна к тепловому разгоне.

Помимо безопасности и высокой мощности, постоянно возрастает потребность в длительном сроке службы LIB. Элементы SEB с низкой реактивностью, изготовленные из высокостабильных материалов, обеспечивают более длительный календарный срок службы (рис. S2), о чем свидетельствует медленное уменьшение емкости, когда батарея находится в режиме ожидания при комнатной температуре. При повышенных температурах цикл клеток SEB также стабилен.На рисунке 4A сравнивается сохранение емкости базовой ячейки с ячейками SEB во время цикла при 60 ° C заряда 1C CC до заряда 4,2 В CV до C / 20, а затем разряда 1C до 2,8 В. Очевидно, что ячейки SEB превосходят элемент базового уровня, как показано. за счет потери емкости на 20% при 481 цикле с видимыми признаками деформации ячейки из-за выделения газа и набухания графитового анода для базовой ячейки, в то время как SEB-3 может достичь 2821 цикла до достижения потери емкости 20%. Это соответствует ок. 6-кратное увеличение срока службы.Кроме того, SEB-3 достигает 4014 циклов при сохранении емкости 75%, в то же время демонстрируя признаки здоровой клетки, способной стабильно работать (без заметного выделения газа или литиевого покрытия). Средняя разрядная способность этих 4014 циклов составляет 84,2% от эквивалентного полного цикла (EFC). Предполагая, что дальность пробега на EFC для электромобиля (например, BMW i3 2019 года) составляет 153 мили, 4014 циклов означают> 517000 миль срока службы. Это более чем в 5 раз превышает гарантию для коммерческих электромобилей (например, BMW i3, 70% мощности на 8 лет или 100 000 миль).Увеличение срока службы элемента может быть дополнительно продемонстрировано путем рассмотрения скорости снижения емкости во время календарного старения при комнатной температуре (т.е. в стабильном состоянии), которая в 7 раз ниже, чем при 60 ° C (реактивное состояние). Элемент SEB будет нагреваться до реактивного состояния только в ситуациях, требующих высокой мощности или быстрой зарядки. Большая часть его срока службы (> 90%) будет проведена в режиме ожидания (стабильное состояние). Таким образом, в полевых условиях ожидается, что срок службы SEB значительно превысит 4014 циклов, прежде чем потеря мощности достигнет 25%.

Рис. 4 Сравнение стабильности при циклировании при 60 ° C.

( A и B ) Сохранение емкости и DCR клеток SEB по сравнению с базовыми клетками LIB во время цикла при 60 ° C. Ячейки заряжаются по протоколу CCCV при температуре от 1 ° C до 4,2 В с током отсечки C / 20, а затем разряжаются при температуре от 1 ° C до 2,8 В. ( C и D ) Кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению со старым элементом .

Огромное увеличение срока службы SEB по сравнению с базовой ячейкой может быть связано с более плотным и более стабилизированным слоем SEI, сформированным на частицах графита, и слоем CEI на частицах NCM622 в присутствии добавок электролита.Для базовой ячейки богатые никелем частицы NCM склонны к микротрещинам по границам зерен ( 5 , 6 ), которые создают зазоры для проникновения электролита и приводят к более серьезному окислению электролита и образованию каменной соли ( 7 ). При растрескивании частиц также высвобождается новая свежая поверхность, с которой может выделяться кислород ( 8 ). Микротрещины на частицах NCM622 для базовой ячейки наблюдаются только после 50 циклов (рис. 5D). Образование трещин становится более заметным по всей области микрофотографии после 956 циклов (рис.5F). Для ячеек SEB трещины на частицах NCM не наблюдаются при 50 циклах, а небольшое количество трещин наблюдается после 4021 цикла (рис. 5J). Наличие микротрещин не только вызывает потерю контакта, но и ускоряет исчезновение емкости NCM. Для клеток SEB полимерное покрытие из TAP, вероятно, образует прочный CEI, уменьшая образование микротрещин (рис. 2B). Об этом также свидетельствуют оптические изображения (рис. S4) и отсутствие наблюдаемой деформации или набухания клеток после 4021 цикла даже при повышенной температуре 60 ° C.

Рис. 5 СЭМ-микрофотографии нетронутых, состаренных электродов для базовой линии и клеток SEB-3.

( A ) Безупречный анод. ( B ) Чистый катод. ( C ) Базовый анод после 50 циклов. ( D ) Базовый катод после 50 циклов. ( E ) Базовый анод после 956 циклов. ( F ) Базовый катод после 956 циклов. ( G ) Анод SEB-3 после 50 циклов. ( H ) Катод SEB-3 после 50 циклов. ( I ) Анод SEB-3 после 4021 цикла.( J ) Катод SEB-3 после 4021 цикла. ETD, детектор Эверхарта-Торнли; HV — ускоряющее напряжение электронов; WD, рабочее расстояние; HFW, ширина горизонтального поля.

Использование добавок ТАП заметно изменило составы EEI. Мы провели рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) на графитовых электродах и электродах NCM после 4021 цикла и сравнили структуру EEI образцов из базовой ячейки после 956 циклов. На графитовом аноде SEI, полученный из электролита, содержащий ТАП, содержит высокие концентрации элементов C, O и P по сравнению с контрольным образцом базовой ячейки (рис.6 и рис. S5). Кроме того, более высокое содержание разновидностей C─C во всех C-содержащих разновидностях также было обнаружено в SEI, полученном из электролита, содержащем TAP, что свидетельствует о разложении TAP на аноде (рис. S5). Между тем, состав катодного КЭИ также был изменен. С добавкой TAP слой SEI содержит больше C, P и F и меньше Li и O по сравнению с исходным SEI (рис. 6 и рис. S5). Обнаружено высокое содержание LiF и P-содержащих частиц (O─P = O, Li _x P _y OF _z и Li _x P _y F _z ) ( 9 ). в катодном слое КЭИ за счет применения добавки ТАП (рис.6). Подробная интерпретация пиков выглядит следующим образом: пики при 284,6, 286,1, 288,8 и 290,1 эВ в спектре C 1s приписываются C─C, C─O, O─C = O и поли (O─C = O). ( 10 ) соответственно; пики при 684,6 эВ в спектре F 1s приписываются LiF; пики при 686,9 эВ в спектре F 1s и 136,7 эВ в спектре P 2p приписываются O─P = O и Li _x P _y OF _z ; а пики при 686,3 эВ в спектре F 1s и 134,5 эВ в спектре P 2p приписываются Li _x P _y F _z .При сравнении спектра O 1s состаренного базового электрода (956 циклов) и электродов SEB-3 (4021 цикл) пик при 529,2 эВ для катода SEB-3 эффективно устраняется по сравнению с пиком для базового катода (рис. 6). Это указывает на то, что на катоде SEB-3 обнаруживается меньшее количество кислорода в решетке NCM622, что связано с относительно более толстым слоем CEI. Это согласуется с более толстым слоем CEI, обнаруженным Xia et al. ( 2 ) на покрытой поверхности NMC442 в присутствии добавки TAP.Таким образом, результат XPS подтверждает, что добавка TAP приводит к образованию толстого слоя CEI и, как следствие, к более медленному развитию трещин, меньшему образованию газа и увеличению срока службы.

Рис. 6. Сравнение спектров керна XPS для состаренных базовых электродов и электродов SEB-3.

Графитовые электроды и электроды NCM622 взяты из базовой ячейки после 956 циклов и ячейки SEB-3 после 4021 цикла.

Три ячейки SEB показывают очень близкие скорости исчезновения емкости в течение 1000 циклов (рис.4А). После 1000 циклов SEB-3 показывает гораздо более низкую скорость уменьшения емкости, чем две другие ячейки SEB, как и ожидалось из-за его самой низкой реактивности. По сравнению с исходными клетками, стабильность и длительный цикл жизни клеток SEB очевидны, причины чего можно определить по различиям в тенденции сохранения емкости на разных стадиях старения. Для базовой клетки мы видим резкое снижение сохранения емкости C / 3 на начальной стадии и медленное снижение на вторичной стадии.Это в первую очередь связано с потерей запасов лития во время быстрого и медленного роста слоя SEI. Для клеток SEB уменьшение емкости линейно с номером цикла, что указывает на отсутствие быстрого роста на начальной стадии старения, поскольку рост слоя SEI подавляется образованием на месте огнестойкого защитного слоя. Более того, резкая нелинейная потеря емкости из-за литиевого покрытия обычно может наблюдаться в базовой ячейке при комнатной температуре и при низких температурах на конечных стадиях старения ячейки ( 11 ).Однако во всех элементах SEB, работающих при 60 ° C, эта потеря емкости, вызванная литиевым покрытием, отсутствует, что свидетельствует об отсутствии литиевого покрытия в ячейках SEB. Ячейка SEB без покрытия Li предлагает значительное повышение безопасности по сравнению с обычными ячейками LIB.

Есть еще одно преимущество ячеек SEB, обещающих сверхдлительный срок службы при развертывании в полевых условиях. В то время как обычные ячейки LIB подвергаются значительному колебанию температуры окружающей среды, ячейки SEB почти всегда работают при одной постоянной температуре (скажем, 60 ° C) независимо от температуры окружающей среды и после чрезвычайно короткого периода начального перехода за счет самонагрева (порядка десятков секунд).Последняя особенность гарантирует минимальное повреждение материалов батареи в элементах SEB из-за больших колебаний температуры.

Для базовой ячейки потеря емкости при повышенных температурах в основном связана с ростом SEI на анодной стороне и окислением растворителя на катодной стороне. Как следствие, DCR заметно увеличивается с увеличением номера цикла (рис. 4B). В случае клеток SEB DCR свежей клетки изначально намного больше, чем базовая клетка; однако скорость его увеличения намного медленнее из-за защитного покрытия как на аноде, так и на катоде (рис.2Б). На рис. 4 (C и D) показаны кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению со старым элементом, соответственно. Из-за увеличения DCR с увеличением количества циклов SEB-3 показывает небольшое снижение мощности после 2821 цикла при 60 ° C. Напротив, базовая ячейка показывает резкое увеличение DCR и, следовательно, значительную потерю мощности всего за 556 циклов (рис. S6). Для всех клеток SEB с добавкой TAP их DCR линейно увеличиваются, и увеличение содержания добавки приводит к более высокому DCR в свежих клетках, но более медленному развитию DCR с номером цикла (рис.4Б). Ячейки SEB не производят газ во время циклических тестов, обеспечивая большую безопасность, чем базовая ячейка. Кроме того, клетки, содержащие ТАР, производят меньше газа во время образования, чем базовые клетки ( 2 , 12 ).

Из-за того, что элементы SEB допускают высокое напряжение, при зарядке до высокого напряжения 4,4 В по сравнению с 4,2 В разрядная емкость элемента SEB увеличивается на 12,7%, а энергия разряда увеличивается на 14,5% (рис. S1B). Таким образом, допуск высокого напряжения можно использовать для увеличения плотности энергии элемента.

Электролиты для ячеек SEB были составлены путем снижения содержания ЭК и добавления ТАР в качестве добавки. Хотя ЭК является важным растворителем для образования слоя SEI, он также приводит к образованию газа, особенно при высоком напряжении ( 13 ). Испытания на календарное старение показывают, что условия высокой температуры и высокого SOC ускоряют снижение емкости и увеличение внутреннего сопротивления, а также способствуют образованию газа. Элементы SEB изначально содержат 10 мас.% ЭК в электролите. Некоторое количество ЭК расходуется во время цикла формирования, в результате чего содержание ЭК в сформированных клетках SEB намного меньше 10%.Это выгодно, поскольку скорость газообразования в электролите без ЕС будет ниже, чем в электролите с высоким содержанием ЕС.

При введении в электролит новых материалов необходимо оценить влияние на стоимость, вес и изготовление элемента. Добавка к электролиту, TAP, имеет сопоставимую цену и плотность по сравнению с текущими стандартными растворителями; таким образом, с введением электролитов SEB не ожидается заметной разницы в стоимости материалов. В отличие от суперконцентрированных электролитов ( 14 ), электролиты с ТАП не увеличивают вязкость по сравнению со стандартным электролитом.С точки зрения производства, электролиты SEB также не будут добавлять дополнительных затрат из-за схожести обработки во время и после введения в элемент.

Наконец, элементы SEB имеют важное преимущество, связанное с управлением температурой аккумуляторной батареи. Когда требуется большая мощность, элементы SEB должны нагреваться изнутри ( 1 ) и работать при повышенных температурах. Предполагая, что температура окружающей среды составляет 25 ° C, а ячейки SEB и базовые линии работают при 60 ° и 30 ° C, соответственно, SEB обеспечивает разность температур, приводящую к рассеиванию тепла, которая в 7 раз больше, чем в базовом случае.Кроме того, ячейка SEB имеет более низкий DCR при рабочей температуре 60 ° C (17,1 Ом · см ² для SEB с 1 мас.% TAP), чем базовая ячейка при 30 ° C (25,3 Ом · см ² ), что указывает на снижение тепловыделения в ~ 1,5 раза при том же токе. Комбинация этих двух факторов снижает нагрузку на управление температурой примерно в 10 раз для клеток SEB.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мы изготовили карманные элементы емкостью 2,8 Ач с использованием LiNi _0,6 Co _0,2 Mn _0.2 O ₂ (Umicore) для катодов и графита (Nippon Carbon) для анодов. Отношение емкости отрицательного электрода к положительному, или отношение NP, было разработано на уровне 1,2. Ячейка-пакет на 2,8 Ач содержит пакет из 20 анодных и 19 катодных слоев. Использовали сепаратор Celgard-2325 толщиной 25 мкм. Нагрузки NMC622 на положительный электрод и графита на отрицательном электроде составляли 10,5 и 6,6 мг / см ² соответственно.

Катоды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе N-метил-2-пирролидона на алюминиевую фольгу толщиной 15 мкм, сухой материал которой состоит из NCM622 (91.5 мас.%), Super-P (TIMCAL) (4,1 мас.%) И поливинилиденфторид (Arkema) (4,4 мас.%) В качестве связующего. Аноды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе деионизированной воды на медную фольгу толщиной 10 мкм, сухой материал которой состоит из графита (95,4 мас.%), Super-P (1,0 мас.%), Стирол-бутадиенового каучука (Zeon) (2,2 мас.%) и карбоксиметилцеллюлоза (Dai-Ichi Kogyo Seiyaku) (1,4 мас.%).

Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в EC / EMC (3: 7 по массе) + 2 мас.% VC, использовали в качестве контрольного электролита (BASF).Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в смеси EC / EMC + 2 мас.% VC, был смешан на месте. Для создания элементов SEB в обычный электролит в качестве добавок примешивали от 0,5 до 1,5 мас.% ТАР.

Каждая ячейка-пакет имеет площадь основания 110 мм × 56 мм, вес 63 г, номинальную емкость 2,8 Ач с удельной энергией 166 Втч / кг и удельной энергией 310 Втч на литр. Разрядные характеристики базовых и SEB ячеек при комнатной температуре показаны на рис. S7 как функция C-rate.

Испытания на циклическое старение мешочных ячеек проводили с использованием системы тестирования аккумуляторных батарей инструментов Land (модель CT2001B, Land Instruments). Духовка с принудительным обдувом использовалась для контроля различных температур окружающей среды. Для каждого цикла старения элемент заряжался до 4,2 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1C), а затем заряжался при постоянном напряжении 4,2 В до тех пор, пока ток не уменьшился до 0,14 A (C / 20). После отдыха в течение 5 минут элемент был разряжен до 2,8 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1С) с последующим окончательным периодом отдыха в течение 5 минут.Когда число циклов старения достигло определенного значения (например, 403, 1006 циклов), элемент был подвергнут циклическому циклу зарядки и разрядки C / 3 для определения емкости (обозначенной как емкость C / 3) элемента. Для испытаний импеданса при различных температурах элементы были полностью заряжены, а затем разряжены со скоростью от C / 3 до 90% SOC. Испытания импеданса проводились при амплитуде переменного напряжения 5 мВ в диапазоне частот от 50 кГц до 0,005 Гц. Для испытания DCR элементы были полностью заряжены, а затем разряжены до 50% SOC со скоростью C / 3.Скорость разряда 5C и скорость заряда 3,75C использовались для определения значения DCR _Discharge и DCR _Charge .

Испытания на календарное старение проводились при различных температурах окружающей среды и SOC. Духовка с принудительной циркуляцией воздуха использовалась для регулирования различных температур окружающей среды. Напряжение ячейки поддерживалось постоянным, и ток собирался. Когда календарное время старения достигло определенного значения (например, 25, 60, 120 и 180 дней), элемент был циклически изменен со скоростью заряда и разряда C / 3 для определения емкости элемента.Затем были проведены испытания импеданса и DCR в тех же условиях, что и для ячеек с циклическим старением.

Для испытания на проникновение гвоздя элемент был полностью заряжен (заряд 1C CCCV с напряжением отсечки 4,2 В и током отсечки C / 20). Термопары размещались на расстоянии 10 мм от геометрического центра ячейки и у отрицательного вывода ячейки. Диаметр гвоздя 5 мм, изготовлен из жаропрочной стали (угол острия гвоздя 60 °; поверхность гвоздя чистая, без ржавчины и масла). Скорость пробития 30 мм / с; гвоздь прошел через геометрический центр плоскости электрода перпендикулярно и остался внутри ячейки.Время наблюдения составляло 1 час, пока ячейка не остыла и напряжение на ячейке не упало почти до нуля.

Анализы SEM и XPS были выполнены путем первого извлечения образцов электродов из полностью разряженных ячеек пакета графит / NCM622 после цикла и трехкратной промывки EMC. Тесты XPS проводились на сканирующем микрозонде XPS PHI VersaProbe II. Образцы загружали в перчаточный ящик и переносили в прибор через сосуд для вакуумного переноса. СЭМ-визуализацию выполняли на приборе FEI Nova NanoSEM 630 SEM.

Благодарности: Финансирование: Эта работа была частично поддержана Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США под номером DE-EE0008447. Вклад авторов: S.G. и C.-Y.W. разработал концепцию и написал рукопись. С.Г. и Р.С.Л. спроектированы и построены клетки. S.G. построила испытательный стенд и провела определение характеристик. T.L. провели тест на проникновение гвоздя. Ю.Л. выполнил анализ импеданса.Ю.Г. и Дайвэй Ван выполнили анализ XPS и SEM. Все авторы участвовали в разработке рукописи и в обсуждениях по мере развития проекта. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.