Срок службы литиевого аккумулятора: Могут ли производители увеличить срок службы литий-ионного

Между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами существует резкая разница в сроке службы аккумулятора при повседневной работе.

Литий-ионные батареи

отличаются длительным сроком службы и очень быстрой зарядкой.Это позволяет многосменным бригадам использовать питание от литий-ионных аккумуляторов в течение более длительных периодов времени в течение дня и заряжать аккумулятор, когда это удобно.

Это потому, что литиевые аккумуляторные батареи не обладают эффектом памяти, что делает возможной частичную зарядку. Фактически, частичная зарядка более безопасна и может продлить общий срок службы литий-ионной батареи.

Типичный цикл зарядки или использования литий-ионного аккумулятора составляет 8 часов использования, 1 час для зарядки и еще 8 часов использования. Период охлаждения не требуется.Это позволяет использовать аккумулятор непрерывно в течение 24-часовой смены, а простои происходят только в течение коротких периодов возможной зарядки. Это может происходить во время обеденных перерывов рабочих или между сменами.

Из-за того, что литий-ионный аккумулятор рассчитан на срок службы, важно всегда держать этот тип аккумулятора хотя бы частично заряженным. Если батарея разряжена до нуля или очень низкий заряд, цепи, установленные для защиты, могут отключиться.Цепи установлены для защиты аккумулятора. Когда батарея разряжена до чрезвычайно низкого уровня, могут образовываться дендриты, которые могут вызвать короткое замыкание батареи.

Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные батареи, напротив, при зарядке выделяют значительное количество тепла. Из-за этого после этого им требуется период «остывания».

Типичный цикл зарядки и использования свинцово-кислотного аккумулятора составляет 8 часов использования, 8 часов зарядки и 8 часов отдыха или охлаждения.Это означает, что свинцово-кислотный аккумулятор можно использовать только в течение одной смены в день. Если компания нанимает рабочих для работы в две или три смены, свинцово-кислотные батареи необходимо заменить. Это означает, что на одно транспортное средство или единицу оборудования требуется от двух до трех батарей (по одной на смену).

также требуют помещения для хранения с соответствующей вентиляцией, чтобы опасные газы не просачивались в другие рабочие зоны во время зарядки и охлаждения. Транспортировка аккумуляторов в эти места требует дополнительного времени от рабочей смены.

Большие аккумуляторные блоки, используемые в таких отраслях, как складские операции и наземное вспомогательное оборудование аэропортов, являются инвестициями, независимо от их типа. Таким образом, операционная деятельность выигрывает от аккумуляторов, которые можно использовать в парке настолько долго, насколько это возможно.

Литий-ионные батареи

имеют длительный срок службы при правильном использовании. Это явное преимущество для операций, которые зависят от эффективности и высокого уровня производства.

Включает в себя более продолжительный срок службы литий-ионных аккумуляторов:

• Более высокий уровень удельной мощности
• Более низкая скорость потери мощности

Фактически, общий срок службы этих аккумуляторных батарей в домкратах для поддонов в 2–3 раза больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Испытания на время автономной работы показали, что литий-железо-фосфатные батареи, используемые в Flux LiFT Pack для электрического портативного домкрата для поддонов, работают на 45% дольше, чем свинцово-кислотные батареи аналогичного номинала (ампер-час).

Минимальный срок службы литий-ионных аккумуляторов, который большинство производителей ожидает от них, составляет около 5 лет или не менее 2000 циклов зарядки. Но при правильном уходе и использовании в надлежащих условиях литий-ионные батареи могут работать до 3000 циклов.

свинцово-кислотные батареи

также имеют такой же срок службы с точки зрения циклов. Многие производители указывают на аналогичную цифру как минимум 1000 циклов зарядки при правильных условиях.Однако сильная жара и другие факторы окружающей среды могут значительно сократить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов.

Кроме того, повышенные требования к техническому обслуживанию свинцово-кислотных аккумуляторов могут также привести к сокращению срока их службы. Персонал нередко имеет плохие процедуры отслеживания технического обслуживания или не заботится о свинцово-кислотных аккумуляторах в соответствии с рекомендациями производителя свинцово-кислотных аккумуляторов.

Как в литий-ионных, так и в свинцово-кислотных батареях существует несколько факторов, которые могут повлиять на срок службы батареи.

Литий-ионные батареи

Вот некоторые из факторов, влияющих на срок службы батареи:

• Экстремальные температуры: Литий-ионные батареи чрезвычайно устойчивы к высоким и низким температурам. Литий-фосфат железа, химический состав, используемый Flux Power, особенно устойчив. Мы даже предлагаем нагреватели для батарей, которые будут использоваться при низких температурах, чтобы продлить срок службы батареи.
• Неправильное хранение: Хранение аккумулятора может повлиять на срок его службы.Литий-ионные аккумуляторы следует хранить частично заряженными в прохладном месте. При хранении они должны иметь уровень заряда от 40% до 50%. При хранении в течение длительного периода времени важно контролировать батарею каждые пару месяцев и заряжать ее до 50%, если она становится слишком низкой.
• Глубокий цикл: Срок службы литий-ионного аккумулятора может сократиться в результате глубокого цикла. В отличие от других батарей глубокого разряда, частичная зарядка продлевает срок службы литиевой батареи.

Чтобы узнать больше о факторах, влияющих на срок службы литий-ионной батареи, прочтите нашу статью Как увеличить срок службы литий-ионной батареи .

свинцово-кислотные батареи

Факторы окружающей среды и способ использования свинцово-кислотных аккумуляторов также играют важную роль в сроке службы аккумуляторов. Эти факторы включают:

• Экстремальные температуры: Как и литий-ионные аккумуляторы, срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов может сокращаться при воздействии экстремальных температур, особенно тепла.После зарядки свинцово-кислотным аккумуляторам требуется период охлаждения, поскольку в процессе зарядки выделяется большое количество тепла.
• Уровни воды: Переполнение уровня воды в свинцово-кислотной батарее может вызвать потерю электролита, сокращая срок службы батареи. Это также может способствовать коррозии аккумулятора, что может привести к неравномерной зарядке аккумулятора, что сокращает срок его службы.
• Глубокая разрядка: Срок службы свинцово-кислотной батареи сокращается, когда происходит глубокая разрядка, и аккумулятор остается «мертвым» на продолжительное время.

Покупка аккумуляторов для автопарка — это значительные вложения. Срок службы каждой батареи напрямую влияет на эффективность работы компании и ее сотрудников.

Одним из самых больших преимуществ литий-ионных аккумуляторов является их длительный срок службы и увеличенное время автономной работы при повседневной работе. Благодаря короткому времени простоя для зарядки литий-ионные аккумуляторы особенно полезны в многосменных местах, например, на складах.

Одна батарея может обеспечить питание в три смены. С другой стороны, свинцово-кислотный аккумулятор может обеспечивать питание только в течение одной восьмичасовой смены, прежде чем потребуется период зарядки и охлаждения. Для этого требуется одна батарея на смену для каждого транспортного средства, что в долгосрочной перспективе обходится компаниям значительно дороже.

Вы убиваете свои литиевые батареи?

стоят дорого, и большие аккумуляторные батареи, такие как батареи во всем, от электромобилей до электрических мотоциклов и электронных велосипедов, обычно составляют самую большую стоимость всего транспортного средства.Поэтому логично, что вы хотите, чтобы ваши батареи прожили как можно дольше и были счастливы. Присоединяйтесь к Electrek, и мы узнаем, почему умирают литий-ионные батареи, и как вы можете увеличить или даже удвоить срок службы ваших батарей.

Чтобы понять, как продлить срок службы литий-ионных батарей, мы сначала должны понять, почему они умирают. Короткий ответ заключается в том, что в основном во время каждого цикла зарядки и разрядки между электролитом и электродами внутри литий-ионного аккумуляторного элемента происходят очень небольшие паразитные реакции, которые со временем накапливаются и уменьшают количество энергии, которое элемент может хранить и выводить. .

Это, конечно, серьезно упрощенное объяснение, но пока этого достаточно, так как мы просто хотим знать, как избежать этой паразитной реакции или, по крайней мере, замедлить ее, чтобы сохранить работоспособность батареи как можно дольше.

Если вы хотите узнать больше о процессе смерти литий-ионных аккумуляторных элементов, я настоятельно рекомендую посмотреть лекцию профессора Джеффа Дана на эту тему. Джефф Дан является руководителем партнерства Tesla по исследованиям аккумуляторов с Университетом Далхаузи, а его ученица-протеже сейчас возглавляет программу Tesla по продлению срока службы аккумуляторов.Его лекция длится более часа, но она того стоит, если вы такой любитель батарей, как я.

Что вызывает эти паразитарные реакции, убивающие литий-ионные батареи?

В основном есть два основных фактора, которые ускоряют неизбежную смерть вашей батареи:

• Высокие температуры
• Увеличение времени нахождения при высоком напряжении (т. Е. При высоком уровне заряда)

Оба эти фактора способствуют более быстрой разрядке литий-ионных аккумуляторов. По словам Джеффа Дана, высокие температуры усугубляют паразитные реакции, которые происходят в электролите литий-ионной батареи, в то время как высокие уровни заряда приводят к дополнительной производительности в течение нескольких циклов, за которыми следует падение производительности и гораздо более быстрый износ элемента.

К счастью для нас, оба эти фактора можно контролировать, чтобы батареи прослужили как можно дольше. Следующие простые шаги можно предпринять, чтобы значительно увеличить срок службы практически любых литий-ионных батарей.

Как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов

Первое, что вам следует сделать, это не допускать нагрева аккумулятора. К счастью, многие электромобили проходят часть пути туда. В автомобилях Tesla и Chevy Bolt / Volt используется активное охлаждение для предотвращения перегрева аккумулятора, хотя Nissan Leaf использует пассивное воздушное охлаждение для охлаждения аккумулятора, что делает нагрев аккумулятора еще более важным фактором для этих транспортных средств.

Более серьезная проблема нагрева, которую вы можете контролировать, — это нагрев во время зарядки. Даже в автомобилях с активным охлаждением аккумулятора аккумулятор все равно значительно нагревается во время зарядки, особенно при высокой скорости зарядки или наддуве. Хотя наддув удобен, когда вам нужно быстро вернуться в дорогу, он ужасен для срока службы батареи, если его выполнять часто. Чтобы ваша батарея прослужила как можно дольше, вы должны стараться заряжать ее с более низкой скоростью, чтобы батарея была прохладнее и лучше.Более длительная зарядка каждую ночь намного лучше, чем ежедневная подзарядка после обеда.

Затем вы должны стремиться к более низкому уровню заряда, когда это возможно, особенно если автомобиль будет отдыхать в течение длительного периода времени. Хотя видеть, что на индикаторе заряда батареи отображается «100%», может быть комфортно, ваша батарея будет совсем не удобной.

Джефф Дан утверждает, что зарядка до уровня ниже 100% может иметь большое влияние за счет снижения скорости разрушения батареи.

Изображение: Grin Technologies

Большинство людей не используют всю емкость аккумуляторной батареи электромобиля каждый день, и им редко требуется полностью заряжать аккумулятор до 100%.По данным Grin Technologies, зарядив литий-ионный аккумулятор до 80%, срок его службы можно увеличить вдвое. Эта канадская компания провела такие испытания при разработке регулируемого зарядного устройства, предназначенного для электрических велосипедов и аккумуляторов других легких электромобилей.

Важно отметить, что наибольший ущерб от высокого уровня заряда возникает, когда аккумулятор находится на таком высоком уровне в течение длительного периода времени. Я слышал о многих людях, которые нервничают, узнав о влиянии высокого уровня заряда, а некоторые навсегда отказываются от 100% зарядки.

Но 100% зарядка не имеет большого значения при малых дозах. Если вы планируете длительную поездку и собираетесь уехать вскоре после завершения зарядки, 100% зарядка практически не повлияет на срок службы вашей батареи. Однако, если вы не собираетесь использовать батарею в течение многих дней или недель, уровень заряда между 30-60% намного полезнее для батарей в долгосрочной перспективе.

Относится ли это ко всем литиевым батареям?

Теоретически да, хотя аккумуляторы LiFePO ₄ не так сильно подвержены влиянию высоких уровней заряда, как остальная литий-ионная линейка.Но в целом эти правила применимы ко всем литий-ионным аккумуляторам от электромобиля до мобильного телефона и даже к электрической зубной щетке. Профессор Дан даже шутит, что вам следует держать ноутбук в холодильнике, когда вы им не пользуетесь, если вы действительно хотите максимально увеличить время автономной работы.

По большей части эти простые методы могут значительно увеличить срок службы вашей батареи, и их легко реализовать. Избегайте перезарядки электромобиля без необходимости.Если возможно, припаркуйте электровелосипед в тени. Не оставляйте ноутбук и телефон на солнце или в горячей машине и по возможности не заряжайте устройства с литий-ионным аккумулятором до 100%.

К сожалению, я не знаю ни одного производителя сотовых телефонов или ноутбуков, который упростил бы зарядку на 80–90%, вероятно, потому, что они предпочли бы просто продать вам новый продукт через пару лет. Но если вы не собираетесь использовать устройство какое-то время, убедитесь, что оно не заряжено полностью, прежде чем выключить его и положить в ящик.Ваша батарея будет вам благодарна.

FTC: Мы используем автоматические партнерские ссылки для получения дохода. Подробнее.

Подпишитесь на Electrek на YouTube, чтобы смотреть эксклюзивные видео, и подписывайтесь на подкаст.

Почему литий-ионные аккумуляторы со временем разрушаются?

Беатрис Браунинг, доктор философии в Институте Фарадея, объясняет, почему литий-ионные батареи со временем разлагаются, и описывает, что делается для продления их срока службы.

Литий-ионные батареи (LiB) — это перезаряжаемые батареи, используемые в различных портативных электронных устройствах, включая телефоны, ноутбуки и, что особенно важно, электромобили.

Значительный срок службы батареи необходим для того, чтобы электромобили считались лучше обычных автомобилей с бензиновым / дизельным двигателем. Желательно, чтобы срок службы батареи электромобиля был, по крайней мере, сопоставим со сроком службы самого транспортного средства, и многие производители аккумуляторов стремятся замедлить деградацию батареи, чтобы гарантировать, что это так.

Владельцы смартфонов и ноутбуков будут знать, что им требуется более частая зарядка, поскольку их батареи стареют и разлагаются, но точное понимание того, почему это так, требует базового понимания того, как работают LiB.

Как следует из названия, LiB работают за счет движения ионов лития. Во время заряда и разряда эти ионы лития перемещаются через электролит между двумя электродами; известный как катод и анод.

Катод обычно состоит из слоистого материала с высоким содержанием лития, в котором ионы лития (Li-ионы) находятся между слоями.Анод также представляет собой слоистый материал, который принимает ионы Li с катода и обычно представляет собой графит в LiB. Ионы лития перемещаются от одного электрода к другому через проводящую среду, известную как электролит.

Когда вы заряжаете LiB, ионы Li, накопленные в катоде, перемещаются через электролит в анод, производя энергию для питания электронного устройства.

При использовании устройства с питанием от LiB батарея разряжается, и ионы Li перемещаются от анода через электролит, чтобы вернуться к катоду.Емкость LiB относится к максимальному количеству энергии, которое он может предоставить устройству от этого литий-ионного челнока.

Циклы зарядки и срок службы

Цикл зарядки аккумулятора означает полный разряд и подзарядку аккумулятора: разряд аккумулятора до 0% и подзарядка до 100% равняется одному циклу зарядки аккумулятора. Цикл зарядки также можно завершить, используя 50% батареи, зарядив ее до 100% и затем повторив эту процедуру.

Чем больше циклов отработала батарея, тем сильнее она разряжается, сокращая срок ее службы.

Объяснение этому исходит из химического состава LiB, поскольку существует множество химических механизмов, с помощью которых эти батареи разлагаются.

Один из примеров — потеря подвижных литий-ионных аккумуляторов. Они часто теряются в результате побочных реакций, которые происходят с электролитом, с образованием соединений, которые «захватывают» свободный литий, уменьшая количество ионов Li, которые могут перемещаться между электродами. Потеря подвижных ионов снижает максимальную емкость аккумулятора.

Срок службы батареи может быть уменьшен, если структура электрода повреждена из-за структурного разупорядочения. Структурный беспорядок может возникать во время циклирования в результате движения ионов Li внутрь и из электродов.

Это может уменьшить количество ионов Li, которые электрод может принять в свою структуру, истощая емкость LiB.

Температура и срок службы батареи — распространенное заблуждение

Распространенное заблуждение о LiB состоит в том, что низкие температуры сокращают их срок службы.

Это связано с тем, что смартфоны «умирают» быстрее при низких температурах, но на самом деле это не оказывает отрицательного воздействия на общий срок службы батареи.

Низкие температуры, по существу, вызывают более медленное перемещение ионов лития между электродами.

Это означает, что при использовании смартфона на морозе ток, который вырабатывает LiB, настолько низкий, что он не может угнаться за спросом, и телефон внезапно умирает. Когда он в конечном итоге нагревается до температуры окружающей среды, аккумулятор снова работает нормально, без длительного повреждения, что позволяет использовать телефон в обычном режиме.

LiB уменьшается при высоких температурах. Это связано с тем, что электролит, который находится между электродами, разрушается при повышенных температурах, в результате чего батарея теряет свою способность к переключению литий-ионных аккумуляторов.

Перезарядка литий-ионных аккумуляторов

Перезарядка литий-ионной батареи относится к процессу попытки протолкнуть ток в полностью заряженную батарею, что может привести к ее перегреву и потенциальному возгоранию.

Причина, по которой допустимо оставлять телефон / ноутбук подключенным к сети, несмотря на то, что он полностью заряжен, заключается в том, что производители аккумуляторов приняли меры защиты, чтобы предотвратить перезарядку LiB.

LiB перестанет потреблять ток от зарядного устройства, как только батарея устройства станет на 100%, благодаря системам управления батареей и микросхемам защиты, которые запрограммированы в устройства.

Несмотря на меры по предотвращению перезарядки, оставление устройства с литий-ионным аккумулятором подключенным к сети на ночь по-прежнему сокращает срок службы батареи из-за явления, известного как непрерывная зарядка.

Капельная зарядка — это процесс, при котором батарея постоянно пополняется до 100% каждый раз, когда в устройстве возникают неизбежные потери заряда. Это восстановление между 100% и чуть менее 100% заряда может повысить внутреннюю температуру LiB, уменьшив емкость и срок службы батареи.

Литий-ионные аккумуляторы, по сути, постоянно приходят в негодность с момента их первого использования.

Это результат фундаментальной химии батареи, которая вызывает неизбежные химические реакции, которые происходят внутри батареи во время работы.

Эти реакции мешают аккумулятору поддерживать полную емкость в течение всего срока службы, и их устранение является сложной задачей. Производители LiB стремятся увеличить срок службы батарей с помощью ряда методов.

Примеры методов улучшения аккумуляторных батарей включают структурное усиление электродных материалов посредством катионного легирования (когда катионы добавляются во время синтеза электрода для стабилизации материала) или введение добавки в электролит, и это лишь некоторые из них.

Необходимы текущие исследования LiB; Поскольку спрос на автомобили с литий-ионным двигателем растет, потребность в более длительном сроке службы батарей жизненно важна для обеспечения того, чтобы электромобили продолжали жить так же, как их конкуренты, работающие на ископаемом топливе.

Фото кредит — Pixabay

Литиевые батареи с длительным сроком службы от Tadiran, доказанный 40-летний срок службы!

Питание удаленных беспроводных устройств на 40 лет от низкотемпературных батарей Tadiran Тионилхлорид бобинного типа (LiSOCL2) наши литиевые батареи с длительным сроком службы позволяют удаленным беспроводным устройствам работать без обслуживания до четырех десятилетий.

Сол Джейкобс, вице-президент и генеральный директор, Tadiran Batteries

Литий-химический состав остается предпочтительным выбором для удаленных беспроводных приложений из-за его внутреннего отрицательного потенциала, который превышает потенциал всех других металлов. Самый легкий негазообразный металл, литий, имеет самую высокую удельную энергию (энергия на единицу веса) и плотность энергии (энергия на единицу объема) из всех доступных химических составов батарей. Все литиевые элементы не являются водными и имеют нормальное значение OCV от 2.7 и 3,6 В. Отсутствие воды позволяет литиевым химическим соединениям работать при более экстремальных температурах.

Несмотря на то, что доступны многочисленные химические составы лития, химия тионилхлорида лития (LiSOCL2) отличается уникальными характеристиками, которые делают его идеальным для таких приложений, как электронные метки платных дорог, RFID, мониторинг окружающей среды, мил / аэро, интеллектуальные сети, автоматическое считывание показаний счетчиков ( AMR), беспроводные ячеистые сети, системное управление и сбор данных (SCADA), регистраторы данных, измерения во время бурения, океанографические измерения и аварийное оборудование / оборудование для обеспечения безопасности.

LiSOCL2 Литиевые батареи с длительным сроком службы конструируются двумя способами: с использованием спирально намотанной или катушечной конструкции. Из двух альтернатив бобинные элементы
Li / SOCL2 обеспечивают более высокую плотность энергии (1420 Вт · ч / л) наряду с более высокой емкостью, а также способностью выдерживать более экстремальные температуры (от -55 ° C до 150 ° C). со специализированными моделями, адаптируемыми к температурам холодовой цепи до -80 ° C.

Ключевым атрибутом элемента LiSOCL2 катушечного типа является очень низкая годовая скорость саморазряда (менее 1 процента в год), которая имеет решающее значение для предложения литиевых батарей с длительным сроком службы до 40 лет в качестве общего срока службы. саморазряд батареи часто превышает общее количество энергии, потребляемой устройством.Саморазряд определяется химическим составом электролита, используемыми производственными процессами, а также механическими и экологическими соображениями. Саморазряд может быть ускорен за счет высокого уровня примесей в электролите, а также за счет внутреннего импеданса, которым можно управлять, добавляя в электролит специальные добавки.

Приложения с высоким импульсом

На процесс выбора батареи влияет множество параметров, в том числе:

• Энергия, потребляемая в режиме ожидания (базовый ток).

• Энергия, потребляемая в активном режиме (включая размер, продолжительность и частоту импульсов).

• Время хранения (саморазряд во время хранения уменьшает емкость).

• Тепловые среды (включая хранение и работу в полевых условиях).

• Напряжение отключения оборудования (при разряде батареи или при экстремальных температурах напряжение может упасть до точки, слишком низкой для работы устройства).

• Скорость саморазряда батареи (которая может быть выше, чем ток, потребляемый при фактическом использовании).

Если беспроводное приложение включает периоды бездействия при повышенных температурах, чередующиеся с периодическими сильноточными импульсами, тогда во время первоначальной разрядки батареи могут возникнуть более низкие показания переходного напряжения. Это явление, известное как переходное минимальное напряжение (TMV), влияет на батареи LiSOCl2 катушечного типа из-за их низкоскоростной конструкции.

Одним из альтернативных вариантов является использование литий-тионилхлоридных батарей PulsesPlus, в которых сочетаются стандартный долговечный элемент LiSOCL2 катушечного типа с запатентованным конденсатором с гибридным слоем (HLC).Батарея и HLC работают параллельно, при этом батарея обеспечивает долговременное питание с низким током, в то время как HLC подает импульсы до 15 А, тем самым устраняя падение напряжения, которое обычно возникает при первоначальном включении импульсной нагрузки.

Моноблочный HLC работает в номинальном диапазоне от 3,6 до 3,9 В, обеспечивая высокие импульсы и высокий запас прочности, что позволяет избежать проблем с балансировкой, утечки тока и громоздкости, связанных с суперконденсаторами.

Когда требуются импульсы от слабых до умеренных, батареи Tadiran Rapid Response TRR Series могут предложить решение.Эти батареи не требуют использования HLC, но обладают высокой емкостью и высокой плотностью энергии, при этом практически исключаются проблемы TMV и задержки мощности, которые влияют на стандартные батареи LiSOCL2, когда они впервые подвергаются нагрузке. Батареи серии TRR эффективно используют доступную емкость, чтобы продлить срок службы батарей до 15 процентов в определенных случаях, включая экстремальные температуры.

Оценка поставщиков аккумуляторов

Катушечный тип LiSOCl2 Литиевые батареи с длительным сроком службы, изготовленные из высококачественных материалов с использованием передовых технологий производства, могут снизить вероятность утечки электролита, коротких замыканий и несоответствия между партиями, что может сократить срок службы.

Годовая скорость саморазряда может варьироваться от менее 1 процента в год для ведущего бренда до 2,5–3 процентов в год для продукта более низкого качества.

В результате инженеры-проектировщики должны быть крайне осторожны в отношении заявлений производителя аккумуляторов относительно низкого годового саморазряда при температуре окружающей среды, что может быть недействительным в зависимости от размера аккумулятора, метода его изготовления или экологических соображений, поскольку Разница в несколько микроампер в годовой скорости саморазряда может означать ожидаемый срок службы батареи.

Чтобы подтвердить качество продукции и прослеживаемость до сырья, потенциальные поставщики аккумуляторов должны быть обязаны предоставить несколько отзывов клиентов вместе с полностью задокументированными и проверяемыми результатами испытаний для импульсов аккумуляторов, низкотемпературных импульсов, разряда и повторяемости.

Тщательная комплексная проверка в процессе выбора поставщика обеспечит надежную и долгосрочную работу.

Ученые узнали больше о первых часах работы литий-ионного аккумулятора

Первые часы работы литий-ионного аккумулятора во многом определяют, насколько хорошо он будет работать. В эти моменты набор молекул самособирается в структуру внутри батареи, которая будет влиять на батарею на долгие годы.

Этот компонент, известный как межфазный слой твердого электролита или SEI, выполняет важную работу по блокированию одних частиц, позволяя проходить другим, подобно вышибалу из таверны, отбрасывающему нежелательные частицы, но позволяющему проникнуть внутрь.Структура была загадкой для ученых, которые изучали ее десятилетиями. Исследователи использовали несколько методов, чтобы узнать больше, но никогда — до сих пор — они не видели его создания на молекулярном уровне.

Больше информации о SEI — это важный шаг на пути к созданию более энергоэффективных, долговечных и безопасных литий-ионных аккумуляторов.

Работа, опубликованная 27 января в Nature Nanotechnology , была выполнена международной группой ученых под руководством исследователей из Университета им.Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США и Исследовательская лаборатория армии США. Среди авторов-корреспондентов — Цзихуа Чжу, Чонгмин Ван и Чжицзе Сюй из PNNL и Кан Сю из Исследовательской лаборатории армии США.

Почему литий-ионные батареи вообще работают: SEI

Межфазная поверхность твердого электролита представляет собой очень тонкую пленку материала, которой не существует, когда батарея создается впервые. Только когда батарея заряжается в первый раз, молекулы объединяются и электрохимически реагируют, образуя структуру, которая действует как шлюз, позволяющий ионам лития проходить туда и обратно между анодом и катодом.Что особенно важно, SEI заставляет электроны делать обходной путь, что поддерживает работу батареи и делает возможным накопление энергии.

Именно благодаря SEI у нас вообще есть литий-ионные батареи для питания наших мобильных телефонов, ноутбуков и электромобилей.

Но ученым нужно больше узнать об этой структуре шлюза. Какие факторы отделяют блестящую от мусора литий-ионную батарею? Какие химические вещества необходимо включить в электролит и в каких концентрациях, чтобы молекулы сформировали наиболее полезные структуры SEI, чтобы они не всасывали молекулы из электролита постоянно, что ухудшало характеристики батареи?

Ученые работают с различными ингредиентами, предсказывая, как они будут сочетаться, чтобы создать лучшую структуру.Но без дополнительных знаний о том, как создается межфазная фаза твердого электролита, ученые подобны поварам, жонглирующим ингредиентами, работая с кулинарными книгами, которые написаны лишь частично.

Изучение литий-ионных аккумуляторов с помощью новой технологии

Чтобы помочь ученым лучше понять SEI, команда использовала запатентованную технологию PNNL для анализа структуры в момент ее создания.Ученые использовали пучок энергичных ионов для туннелирования в только что формирующийся SEI в работающей батарее, отправив часть материала в воздух и улавливая его для анализа, полагаясь на поверхностное натяжение, которое помогает удерживать жидкий электролит. Затем команда проанализировала компоненты SEI с помощью масс-спектрометра.

Запатентованный подход, известный как жидкостная вторично-ионная масс-спектрометрия in situ или жидкостная SIMS, позволил команде получить беспрецедентный взгляд на SEI, как он формируется, и обойти проблемы, связанные с работающей литий-ионной батареей.Технология была создана командой во главе с Чжу на основе предыдущей работы по SIMS коллегой по PNNL Сяо-Ин Ю.

«Наша технология дает нам твердое научное представление о молекулярной активности в этой сложной структуре», — сказал Чжу. «Полученные данные потенциально могут помочь другим изменить химический состав электролита и электродов, чтобы сделать батареи лучше».

Сотрудничают исследователи армии США и PNNL

Команда PNNL связалась с Кан Сю, научным сотрудником U.Исследовательская лаборатория армии США и эксперт по электролиту и SEI вместе взялись за этот вопрос.

Ученые подтвердили подозрения исследователей — что SEI состоит из двух слоев. Но команда пошла намного дальше, определив точный химический состав каждого слоя и определив химические этапы, которые происходят в батарее, чтобы вызвать структуру.

Команда обнаружила, что один слой структуры рядом с анодом тонкий, но плотный; это слой, который отталкивает электроны, но пропускает ионы лития.Внешний слой, расположенный рядом с электролитом, толще и опосредует взаимодействие между жидкостью и остальной частью SEI. Внутренний слой немного тверже, а внешний более жидкий, что немного похоже на разницу между недоваренной и пережаренной овсянкой.

Роль фторида лития

Одним из результатов исследования является лучшее понимание роли фторида лития в электролите, используемом в литий-ионных батареях. Несколько исследователей, в том числе Кан Сюй, показали, что батареи с SEI, более богатыми фторидом лития, работают лучше.Команда показала, как фторид лития становится частью внутреннего слоя SEI, и результаты предлагают подсказки о том, как включить больше фтора в структуру.

«С помощью этой техники вы узнаете не только о том, какие молекулы присутствуют, но и о том, как они устроены», — говорит Ван. «В этом вся прелесть этой технологии».

Ссылка : Ученые узнают больше о первых часах работы литий-ионного аккумулятора (5 февраля 2020 г.) получено 6 апреля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2020-02-science-hours-lithium-ion-battery-life.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Новое катодное покрытие продлевает срок службы литий-ионных аккумуляторов и повышает безопасность

U.Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США (DOE) в сотрудничестве с Гонконгским университетом науки и технологий (HKUST) разработала новое катодное покрытие на уровне частиц для литий-ионных батарей, предназначенное для увеличения срока их службы и безопасности.

Идея, над которой работали три года, была разработана в Аргонне в сотрудничестве с HKUST. Он финансировался Управлением возобновляемых источников энергии и энергоэффективности Министерства энергетики США и Управлением автомобильных технологий.

«Это невероятно захватывающее достижение», — сказал Халил Амин, выдающийся научный сотрудник Аргонна и руководитель группы разработки технологий в отделе электрохимического накопления энергии в отделе химических наук и инженерии Аргонна.«Это может значительно улучшить наши впечатления от устройств, на которые мы привыкли».

«Это увеличит запас хода электромобилей и увеличит время автономной работы сотовых телефонов и ноутбуков, что в конечном итоге изменит наш образ жизни». — Халил Амин, заслуженный сотрудник Аргоннской области

Первоначальный эксперимент был проведен в Гонконге: HKUST имела идеальную установку и смогла выполнить работу в соответствии со спецификациями лаборатории.

Литиевые батареи, используемые для питания всего, от электромобилей до сотовых телефонов и компьютеров, используют технологию катодного покрытия более 15 лет.

Но это не без ограничений: это только частичное покрытие, которое покрывает лишь небольшую часть внешней части катодной частицы и не защищает катод при работе при высоком напряжении или при высокой температуре.

Катоды, изучаемые исследователями, представляют собой оксиды металлов из никеля, марганца и кобальта. Катод, заряженный под высоким напряжением, генерирует кислород, окисляя электролит, создавая нежелательную пленку на катоде и вызывая потерю энергии. Высокие температуры увеличивают скорость этих реакций, снижая электрохимические характеристики самой батареи.

Новое покрытие, изготовленное из проводящего полимера под названием поли (3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), знаменует собой прорыв в технологии литий-ионных аккумуляторов, поскольку оно полностью и полностью защищает каждую частицу катода — внутри и снаружи — от реакционной способности. с электролитом.

PEDOT наносится с использованием технологии окислительного химического осаждения из паровой фазы Аргонна, при которой используется газ, чтобы обеспечить нанесение покрытия на каждую частицу катода, образуя прочную пленку.

Обычное покрытие замедляет диффузию лития в катодную частицу и из нее, снижая эффективность батареи из-за плохой электронной и ионной проводимости.

Напротив, новое аргонновое покрытие облегчает перенос ионов и электронов лития в катод и из него, увеличивая энергию батареи.

Аргоннский центр наноразмерных материалов (CNM), учреждение для пользователей Министерства энергетики США, сыграл значительную роль в экспериментах. Исследователи использовали двухлучевую систему сканирующей электронной микроскопии со сфокусированным ионным пучком Zeiss NVision 40 компании CNM и ТЕМ FEI Talos F200X (S), оснащенную энергодисперсионным рентгеновским спектрометром SuperX, чтобы подтвердить покрытие PEDOT как первичных, так и вторичных частиц слоистой катоды и их стабильность после перезарядки аккумуляторов.

Аргоннский химик-ассистент Гуй-Лян Сюй из Отделения химических наук и инженерии (CSE), ученый Юйцзы Лю (CNM), постдокторант Сян Лю (CSE), постдокторант Хан Гао (CSE), приглашенный аспирант Синвэй Чжоу (CNM) ), физик Ян Жэнь из Advanced Photon Source, другого исследовательского центра Министерства энергетики США в Аргонне, и Zonghai Chen (CSE) также внесли свой вклад в проект, сказал Амин.

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы работают на 4.2 В на уровне ячеек. Новое покрытие может помочь повысить напряжение до 4,6 В. Эта разница в 15 процентов может привести к значительному снижению стоимости всего аккумуляторного блока.