Как устроена литий ионная батарея: Как Работает Литий-Ионный (Литиевый) Аккумулятор?

Содержание

что такое Worx PowerShare? — Worx Tools Russia

WORX — первый производитель аккумуляторной техники, который использует одинаковые аккумуляторы для компактного инструмента, вроде шуруповертов, и мощной садовой техники, например, газонокосилок и цепных пил. В то время, как другие производители используют разные аккумуляторы разных размеров и напряжений для разных линеек, WORX для увеличения мощности добавляет устройству дополнительный аккумулятор. Но как именно это работает?

Как устроены аккумуляторы WORX PowerShare?

Все аккумуляторы WORX — литий-ионные (Li-ion). В отличие от никелевых аккумуляторов, у литий-ионных есть ряд преимуществ.

Первое: литий-ионные аккумуляторы лучше работают при низких и высоких температурах — их рабочий диапазон от -20 до +60 С°, поэтому работать с ними проще, и они не требуют специфических условий хранения. Второе: низкий уровень саморазряда — аккумулятор со временем почти не теряет емкость, благодаря чему спустя несколько лет работает почти так же, как и сразу после покупки.

Но главное преимущество — экономичность и экологичность при использовании. Аккумуляторы WORX PowerShare оснащены специальной платой энергоуправления с защитой от перегрева и глубокого разряда, что увеличивает время работы и продлевает срок службы. И соответственно, уменьшается количество утилизированных аккумуляторов, что более позитивно влияет на экологию.

Аккумуляторы WORX PowerShare обладают высокими характеристиками циклов заряда/разряда. Производитель гарантирует, что аккумулятор легко выдержит 500-600 циклов зарядки, а в зависимости от условий хранения и параметров использования этот цикл может растянуться и до 1 000 циклов, что вполне подойдет как для домашнего использования, так и использования батарей в профессиональных целях, например, для масштабных ремонтных работ.

Батареи WORX PowerShare отличаются друг от друга только емкостью, то есть, количеством хранимого электрического заряда. Каждый аккумулятор внутри состоит из небольших цилиндрических батарейных ячеек. Чем больше их внутри батареи, тем дольше аккумулятор будет работать, но при этом увеличатся его размеры и вес. В аккумуляторах емкостью WORX WA3551 2Ач установлен один слой цилиндрических батарей, в WORX WA3553 4Ач — два слоя, а в WORX WA3641 6 Ач — три слоя цилиндрических батарей внутри. Внешне они также различаются — чем больше мощность, тем толще аккумулятор.

Кстати, в аккумуляторах WORX PowerShare используются батарейные ячейки А-класса от Sony и Samsung. Эти компании давно зарекомендовали себя как лучшие производители надежных аккумуляторных батарей. Так что за надежность, безопасность и качество аккумуляторов точно можно поручиться.

Важно отметить то, что все батареи PowerShare совместимы со всеми аккумуляторными устройствами WORX

. Согласитесь, что затратно каждый раз покупать новый инструмент, где 30% стоимости — это аккумулятор. Поэтому современные производители все чаще разрабатывают универсальные батареи для своей продукции. Но WORX пошли в этом намного дальше, благодаря запатентованной технологии PowerShare, где один аккумулятор подходит к абсолютно любому инструменту производителя. Причем не важно, ручной ли это инструмент, садовая техника или робот-газонокосилка. Таким образом вы экономите до 30% стоимость устройства
. А также экономите место — инструментов много, но для всех используются одинаковые аккумуляторы.

Как все линейки WORX работают от одних и тех же аккумуляторов?

Каждому инструменту нужно разное количество энергии. И в устройствах, которым нужно больше мощности, используется не один, а несколько аккумуляторов. Поэтому все продукты WORX можно разделить на следующие линейки:

  • Техника WORX 20V, которая работает от 1 аккумулятора WORX PowerShare 20V.
  • Техника WORX 40V, которая работает от 2 аккумуляторов WORX PowerShare 20V.
  • Техника WORX 80V, которая работает от 4 аккумуляторов WORX PowerShare 20V.

Линейке WORX 20V нужна всего одна батарея, поэтому достаточно установить ее, и наслаждаться работой. А для техники линейки WORX 40V используются два аккумулятора PowerShare 20V, которые в сумме дают нужную мощность. Они устанавливаются в два посадочных гнезда для на корпусе устройства, и часто расположены симметрично.

Линейка инструментов WORX 80V на момент написания статьи пока только в разработке, но уже достоверно известно, что техника будет работать от 4 аккумуляторов PowerShare, которые будут устанавливаться в специальный контейнер.

Какие особенности одновременной работы нескольких аккумуляторов?

Давайте разберемся, как работают инструменты линейки WORX 40V, и какие нюансы стоит учесть при работе нескольких аккумуляторов.

В мощных устройствах — газонокосилках, снегоуборщиках и другой садовой технике — используются две батареи. Они соединяются последовательно друг с другом, благодаря чему их напряжение суммируется. И при увеличении напряжения аккумулятора увеличивается и мощность.

При таком подключении все батареи разряжаются одновременно

, и время работы ограничено зарядом менее емкого аккумулятора. Например, если в устройстве WORX PowerShare 40V стоят аккумуляторы 2 Ач и 6 Ач, то оно проработает, пока аккумулятор 2 Ач не разрядится. При этом в аккумуляторе максимальной емкостью 6 Ач останется еще 4 Ач заряда, от которого еще может работать устройство WORX PowerShare, которому нужен только один аккумулятор.

Тем не менее, для того, чтобы эффективнее работать техникой WORX, которой нужно больше одного аккумулятора, используйте полностью заряженные батареи одинаковой емкости!

Но даже если у вас в наличии есть несколько аккумуляторов, и все они имеют разную емкость и уровень заряда — ничего страшного.

Плата управлением питания регулирует ток и стабилизирует напряжение, поэтому не происходит обмена зарядом между аккумуляторами и других вредных процессов в технике WORX.

Надеемся, что наша статья помогла Вам понять, что такое аккумуляторы WORX PowerShare и как они работают. Если остались вопросы или есть свое мнение относительно работы аккумуляторов WORX PowerShare — оставляйте свои комментарии! Мы всегда рады мнениям и вопросам от наших покупателей и читателей

Ученые смогли изготовить новые литиевые батареи из бывших в употреблении

Литий-ионные аккумуляторы используются во всем мире, и хотя в течение последних нескольких лет сталкивались с конкуренцией, например, с натриевыми и магниевыми, они по-прежнему необходимы из-за их высокой плотности и емкости. Проблема заключается в следующем: этот металл на самом деле сложно достать. Почти 85% его запасов находятся в так называемом Литиевом треугольнике в географическом районе, который находится на границах Аргентины, Боливии и Чили. Кроме того, кажется, что спрос будет стремительно расти в течение следующих нескольких десятилетий из-за внедрения электромобилей. Каждая такая машина имеет около 7 000 аккумуляторов как для сотовых телефонов, поэтому повторное использование их различных компонентов стало вопросом первостепенной важности.

В рамках нового проекта в Университете Кордовы (Испания) и Университета Сан-Луиса (Аргентина) был найден способ утилизации графита в этих устройствах — материала, расположенного на отрицательных клеммах аккумуляторов, функция которого заключается в хранении и проведении лития. Как подчеркнул один из руководителей исследования, профессор Альваро Кабальеро, исследователи смогли устранить примеси использованного графита, реорганизовать его структуру и активировать его для нового использования. Интересно, что этот материал составляет четверть от общего веса литиевой батареи, поэтому при его переработке можно получить 25% всей системы накопления энергии.

Другим важным аспектом этого исследования является то, что в новой переработанной батарее они смогли отказаться от кобальта, который широко используется в индустрии мобильных устройств. Как указал один из ведущих авторов исследования Фернандо Луна, «кобальт является токсичным элементом, который стоит дороже других, таких как марганец и никель, которые использовались в этом исследовании». Более того, это один из так называемых минералов крови, добыча которых, как и добыча колтана, связана с боеприпасами и минами в зонах конфликта.

Согласно выводам, представленным в исследовании, результаты сопоставимы, а в некоторых случаях лучше, чем у батарей, полученных из коммерческого графита. Некоторые из проведенных испытаний показывают, что в лучшем случае емкость аккумулятора остается стабильной после прохождения ста циклов зарядки, что соответствует примерно годовой производительности.

Несмотря на эти многообещающие результаты и то, что испытания проводились на полных элементах реальной батареи, пока еще все это получилось в небольших масштабах и в лаборатории, поэтому до стандартизации этого ручного процесса утилизации еще далеко.

В настоящее время более 90% компонентов свинцовых аккумуляторов, используемых в обычных транспортных средствах, используются повторно. Если выбирается экологичность и демократизация электромобилей, то должна произойти и широкомасштабная переработка литиевых аккумуляторов.

что это и зачем нужно?

Мало кто сегодня не сталкивался с перезаряжаемыми батареями – аккумуляторами (АКБ). Они окружают нас повсюду: в телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, машинах и, конечно, в электрических устройствах, в том числе – фонарях. Главное их преимущество – возможность повторного использования, что намного более безопасно для природы и практично для нас. В этой статье расскажем, что происходит внутри? Почему лучше использовать защищенные аккумуляторы? Как правильно их заряжать? Эта информация поможет продлить срок службы электроприборов и АКБ.

Немного истории

Первый литий-ионный аккумулятор был изобретен относительно недавно – в 1970-м году. Создал его химик-исследователь Майкл Стэнли Уиттингем. За этим последовали десятилетия изучения и усовершенствования новаторской батареи с целью сделать ее более эффективной и безопасной. Исследования с использованием в литиевых АКБ разных ионных компонентов продолжаются и по сей день. Неизменным остается присутствие в них иона лития. В качестве других компонентов применяются сухой ионит + кобальт, фосфат железа, никель-кобальт-алюминий и др.

На сегодняшний день именно Li-ion аккумуляторы являются самыми популярными среди пользователей. Чаще всего – это тип 18650. При этом существует две разновидности 18650: защищенные и незащищенные. Первые – предпочтительней. Они имеют встроенную в корпус электрическую защитную схему, не допускающую перезаряда и переразряда батареи. Оба процесса нежелательны и опасны для элементов питания, техники и, собственно, человека. При перезаряде АКБ может перегреться, загореться, даже взорваться.

Так, в 2016 году компания Samsung выпустила новинку – телефон Galaxy Note 7. У литий-ионных аккумуляторах, используемых в этой модели, была недоработка. Это привело к тому, что от пользователей начали поступать жалобы о возгорании и взрыве телефонов во время зарядки. Причина заключалась в неправильной конструкции АКБ. Этот дефект вызвал массу пожаров и травм у людей, крайне негативно отразившись на производителе. Пострадала репутация бренда, также компании пришлось понести большие финансовые потери. Было проведено два отзыва упомянутой модели комиссией по безопасности потреб. товаров США на 1,9 млн долларов.

В данном случае речь шла не именно о 18650, а о более крупных ионно-литиевых аккумуляторах с емкостью 3500 мАч. Однако мы даже не подозреваем как много электроприборов, окружающих нас в повседневной жизни, оснащено АКБ типа 18650. Мы редко задумываемся о том, как работает электрическая зубная щетка. Тем более, нам нет дела до того, как устроена батарея внутри нее. Защита батареи принимается как должное, о ней даже не знают и не представляют какую большую роль она играет.

Аккумулятор изнутри: как все устроено?

Под красочной оберткой батареи многое происходит. Многое из того, что мы не видим. Заглянем внутрь и вспомним уроки физики. Во время заряда АКБ оксид-кобальта положительно заряженного электрода отдает часть ионов лития отрицательно заряженному электроду. Положительный и отрицательный электроды находятся на разных концах батареи. Движение ионов происходит через электролит. При использовании аккумулятора, происходит движение в обратную сторону – ионы лития возвращаются к своему положительному электроду, производя энергию и питая батарею.

В качестве электродов и электролитов могут использоваться разные составы. Отличается состав и аккумуляторов, изготовленных на основе лития. Внутренний состав любого аккумулятора влияет на все его характеристики:

  • напряжение;
  • емкость;
  • внутреннее сопротивление;
  • скорость разряда – сила выходного тока;
  • возможное число циклов разрядов-зарядов;
  • диапазон рабочих температур и пр.

Разработчикам важно создавать батарею таким образом, чтобы она полностью удовлетворяла потребностям определенных электрических устройств, на должном уровне выполняя свои функции. Вот почему некоторые элементы питания идеально подходят для конкретного фонаря, но совершенно не годятся для какого-то другого. Так, при неправильном выборе АКБ с напряжением ниже нужного по инструкции электроприбора, он может не работать. Напряжение выше требуемого может вызвать даже возгорание. Будьте внимательны при выборе! Важным является не только ее качество, но и соответствие требуемым характеристикам, представленным в инструкции к электроприбору.

Защита от повреждений при эксплуатации аккумуляторов Fenix

Чем мощнее батарея, тем больше она нуждается в защите от различных повреждений во время использования. Современные производители постоянно совершенствуют свою продукцию, наделяя ее новыми качествами. Fenix – не исключение. Компания оснащает продукцию защитой от:

  • перегрева;
  • перезарядки;
  • переразрядки;
  • короткого замыкания.

Есть также модели с возможностью сброса избыточного давления газа – это случается в последствии, например, короткого замыкания. Такая функция позволяет предотвратить раздувание или взрыв АКБ. Подобные дополнительные введения повышают безопасность использования батареи и срок ее службы. Постоянно разрабатываются новые удобные и практичные функции.

Советы по использованию АКБ

  1. Для зарядки литий-ионных аккумуляторов используйте предназначенные для этого зарядные устройства. Если использовать ЗУ не для Li-ion АКБ – в лучшем случае это приведет к порче батареи, в худшем – ее взрыву. Среди последних разработок Fenix – возможность заряда батареи напрямую через USB-кабель (пример – модель ARB-L18-3500U).
  2. Для максимального срока службы, желательно следить, чтобы элемент питания не заряжался и не разряжался до максимальных уровней. Полная разрядка/зарядка усложняет перенос ионов, снижая емкость АКБ. Именно поэтому встроенный контроллер заряда так полезен пользователю.
  3. Не подвергайте батареи экстремально низким/высоким температурам. Жара или холод могут негативно отразиться на их работоспособности. Если необходимо использовать электроприбор на морозе – выбирайте морозоустойчивые модели типа ARB-L18-2900.
  4. Учитывая предыдущий пункт, хранить аккумуляторы лучше в частично заряженном состоянии.

Верно подобранный аккумулятор и соблюдение правил эксплуатации обеспечит максимальный срок его работы и высокое качество производительности. При выборе АКБ отдавайте предпочтение только проверенным производителям.

Аккумуляторы становятся легче и сильнее | Новости автомобилестроения в Германии | DW

Компания Porsche предлагает свой литий-ионный аккумулятор для автомобиля. Это открывает новые перспективы для создателей электромобилей и автомобилей с гибридными двигателями.

Porsche-911 на конвейере

Пока (с января 2010 года) такие батареи будут устанавливаться на «обычные» Porsche 911 GT3, 911GT RS, Boxter Spyder (в качестве опции ценой в 1904 евро, позже батарея будет стоить 2500 евро). Она будет поставляться в качестве летней батареи. Дело в том, что литий-ионные аккумуляторы из-за особенностей своей конструкции не могут работать при минусовых температурах.

Летняя батарея — прообраз батарей будущего

Литий-ионные батареи существенно легче традиционных, обладают большей емкостью, рассчитаны на более долгий срок жизни. Porsche сделал ставку на аккумуляторы с литий-железо-фосфатными электродами (LiFePO4). Этот вариант более надежен, чем батареи, где используется марганец, кобальт или никель, и позволяет создать на борту напряжение 12 вольт.

Батарея, устанавливаемая на Porsche, весит менее шести килограммов, то есть на 10 килограммов легче традиционной (свинцовой) батареи емкостью 60 ампер-часов. Благодаря этому, говорят конструкторы, улучшаются динамические качества машин. Не стоит забывать, что речь сейчас идет о спортивных автомобилях, где каждый лишний грамм отражается на скоростных характеристиках. Поэтому ставить эти батареи предполагается, например, для участия в кольцевых гонках.

Новый аккумулятор на 70 миллиметров ниже обычного, но легко монтируется на обычное место в автомобиле. Все разъемы такие же как всегда. Несмотря на то, что емкость батареи составляет всего лишь 18 ампер-часов, она вполне сопоставима со свинцовой батарей в 60 ампер-часов, а в чем-то даже превосходит ее.

Литий-ионные батареи отдают весь заряд

литий-ионный аккумулятор уже сейчас используется на электроскутерах

В отличие от традиционных батарей, эту невозможно разрядить полностью, поскольку в нее интегрирована электронная система, контролирующая уровень разряженности. Когда емкость падает до заранее установленного минимума, раздается звуковой сигнал, предупреждающий о необходимости подзаряжать аккумулятор от работающего мотора, или от сети.

Известно, что реально на полезную работу используются лишь 30 процентов емкости свинцовых батарей. Литий-ионные, благодаря своей конструкции, отдают практически весь свой заряд, то есть отдаваемая мощность таких батарей существенно выше. При запуске мотора она развивает полную мощность, независимо от степени разряженности. Из-за меньшего внутреннего сопротивления такая батарея заряжается лучше и быстрее свинцовой при движении машины. Если такая батарея стоит, например, на складе, то разряжается меньше и дольше, чем свинцовая.

Важность этой разработки, в общем-то, не в том, что у Porsche появился новый аккумулятор, а в том, что его появление доказывает, что и эта компания работает над созданием электромобиля. Ведь главное препятствие на пути его массового распространения — это батареи. Пока они тяжелы (составляют половину веса автомобиля) и при этом обладают малой емкостью, то есть требуют постоянной подзарядки.

Автор: Виктор Агаев

Редактор: Глеб Гаврик

Как устроены аккумуляторы телефонов — TechToday

Сегодня редко встретишь устройство, работающее от механической энергии, – подавляющее большинство гаджетов питается электричеством. Аккумуляторы стали неотъемлемой частью электронных девайсов. Как устроена батарейка? Попробуем разобраться.

Существует много разновидностей аккумуляторов, но в бытовой электронике чаще всего применяются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMh) и литий-ионные (Li-Ion) батареи.

Дольше всего используются NiCd-аккумуляторы благодаря своей простоте в изготовлении, эксплуатации и хранении. До сих пор NiCd-аккумуляторы остаются наиболее популярными для питания радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер и мощных инструментов.

NiMH-аккумулятор, по сравнению с NiCd, выделяет значительно большее количество тепла во время заряда. Ему также требуется более сложный алгоритм определения момента полного заряда. Поэтому большинство NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком. Кроме того, NiMH-аккумулятор не может заряжаться быстро – время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCd. Но зато их емкость больше, чем у NiCd.

Характеристики Li-Ion-аккумуляторов вдвое превышают показатели NiCd- аккумуляторов в пересчете на один килограмм веса. Именно поэтому Li-Ion-батареи используются во всех ноутбуках и телефонах, где важен вес и время автономной работы.

Как работает аккумулятор?

Аккумуляторы и батарейки работают благодаря разности напряжения между двумя металлическими пластинами, погруженными в раствор электролита. Впервые источник тока, работающий по такому принципу, был создан в XIX веке. Одна пластина в нем была медной, вторая – цинковой, которая очень быстро растворялась.

  

Разность напряжений можно объяснить на примере аналогии с двумя емкостями с жидкостью, которые соединены трубкой. Чтобы вода в трубке начала двигаться, нужно создать разность уровней, например, поднять одну емкость выше другой. Постепенно вода перетечет из левой бутылки в правую. Когда уровни сравняются, ток воды прекращается. Для аккумулятора это значит полный разряд.

Чтобы его перезарядить, надо вернуть воду в первоначальную емкость. Например, с помощью черпачка или чашки. Если вычерпывать воду из правой бутылки и выливать ее в левую, аккумулятор будет заряжаться. Конечно, вычерпывать нужно с такой же скоростью, с какой вода вытекает по шлангу. Иначе опять аккумулятор разрядится.

  

Конструктивно же сам аккумулятор – предельно простое устройство. Это два длинных листка из графита и из оксида лития с кобальтом. Они смазываются электролитом и сворачиваются в рулон. Литий-ионный аккумулятор готов.

  

Мифы об аккумуляторах

Распространено мнение, что сразу после покупки Li-Ion-аккумулятор нужно «раскачать» – провести несколько циклов полного заряда-разряда. Обычно – от трех до пяти. Этот миф не очень вредный для аккумуляторов, но, тем не менее, тратит его циклы работы.

Свойство Li-Ion-аккумуляторов заключается в том, что они не имеют эффекта памяти, как это было с NiCd-батареями. Этот эффект заключался в том, что если зарядить не до конца разряженный NiCd-аккумулятор, его емкость падала. Li-Ion такой особенности не имеет. Более того, производитель гарантирует, что емкость аккумулятора не снизится за 300 циклов разряда-заряда.

Еще раз: плеер, телефон, рацию, кпк, планшет, часы или любой другой мобильный девайс с Li-Ion «тренировать» бесполезно.

Аккумуляторы Li-Ion вообще не любят слишком большого заряда и разряда. Производитель гарантирует 300 циклов, но это не значит, что на 301 цикл батарею можно выбрасывать. Все будет зависеть от условий эксплуатации. «Тепличными» условиями для Li-Ion является максимальный заряд до 80%, а минимальный разряд – до 40%. Некоторые модели ноутбуков позволяют выставить эти параметры в сервисном ПО, продлевая «жизнь» батарее. Также аккумуляторы безвозвратно теряют емкость при температуре ниже нуля градусов и при нагреве выше +40 градусов. Поэтому гаджеты лучше беречь от мороза и высокого нагрева. 

Натрий вместо лития, или Как создают аккумуляторы будущего

Каждый день вы и еще несколько миллиардов человек подзаряжаете свои мобильные телефоны, ноутбуки и прочие гаджеты, запасая энергию в миниатюрном литий-ионном аккумуляторе. С ростом рынка электромобилей и возобновляемой энергетики встал вопрос об альтернативе литию для аккумуляторов: этот металл растет в цене, и на планете его не так много. Исследователи разных стран работают над совершенствованием существующих и поиском новых технологий для накопления энергии. Корреспондент ТрВ-Наука Алексей Огнёв побывал в Центре по электрохимическому хранению энергии Сколковского института науки и технологий и попытался выяснить, как будут устроены аккумуляторы нового поколения.   

В перчаточные шкафы закачан аргон, чтобы электролит и анод не деградировали на воздухе
Сухой аргон в перчаточном шкафу

Мы с аспирантом Максимом Захаркиным спускаемся в подвал четырехэтажного синего корпуса на улице Нобеля в Сколково и входим в электрохимическую лабораторию. Я машинально хочу пожать руку другому аспиранту в белом халате, но внезапно обнаруживаю, что осуществить акт вежливости сложно: аспирант как будто бы в колодках! Присмотревшись, я вижу, что он просто-напросто просунул руки в резиновых перчатках в шкаф с прозрачной стенкой. Я включаю диктофон (кстати, как мне расскажут позже, он работает на щелочных одноразовых батарейках с цинком и диоксидом марганца), и аспирант, не вынимая руки из шкафа, рассказывает о своей работе. Мне уже доводилось брать интервью у роботов и губернаторов, но в таких обстоятельствах я работаю в первый раз в жизни…

Андрей Чеканников

 — Как Вас зовут?

— Андрей Чеканников.

—Андрей, а что Вы сейчас делаете?

Я получил от коллег электродный материал для натрий-ионного аккумулятора и намерен его протестировать. Какую емкость он покажет, какое количество циклов заряда-разряда. Для начала я изготовил электродную смесь на основе порошка, сейчас делаю электроды с металлическим натрием. Соберу макетик аккумулятора и понесу заряжать на потенциостатах-гальваностатах.

— И что это за шкаф такой?

Здесь в боксе атмосфера сухого аргона. Электролит и металлический анод деградируют на воздухе и перестают должным образом работать.

Аргон — инертный газ, — подключается к беседе Максим. — Он почти не вступает в химические реакции. Чистый металлический натрий не должен взаимодействовать с водой и кислородом. Их концентрация внутри перчаточного шкафа — одна частица  на 10 млн атомов аргона. Видите, это число высвечивается на экране. В нашем боксе натрий несколько часов блестит, но потом всё равно покрывается пленкой из-за реакции с водой и кислородом. А на воздухе это происходит моментально. Натрий-ионные аккумуляторы начали исследовать в восьмидесятые годы, но тогда еще не было настолько чистых перчаточных шкафов. Это одна из причин, по которым электрохимики стали серьезно работать с натрием относительно недавно.

— Андрей, почему Вы работаете вручную? Робот не справится?

А. Ч.: Слишком много нюансов. На заводе операции стандартные. А у нас наука, сразу много параметров изменяем.

— Кто производитель этого шкафа?

А.Ч.: Германия.

М. З.: Наша техника в лаборатории в основном закупалась в США и Европе. В России тоже делают перчаточные шкафы, и неплохие. Но там есть свои особенности.

— Кто ваш научный руководитель?

А.Ч.: Профессор Кит Стивенсон, директор нашего Центра. Я его первый аспирант.

М.З.: А я его первый магистрант. У нас с Андреем интервью-собеседование было в один день четыре года назад.

— И сейчас интервью в один день!

А. Ч.: Совпадение? Не думаю…

— Где вы учились раньше?

А. Ч.: Я окончил МЭИ. Поступил туда, потому что это ближайший вуз к моему дому… Шутка! Просто мне всегда была интересна энергетика. Я уже работал в Курчатовском институте и в Институте Физической Химии и Электрохимии Академии наук.

М.З.: Я изначально из Политеха в Питере.

— И когда ваш аккумулятор попадет на рынок?

А.Ч.: Шансы всегда есть. Но это долгая и кропотливая работа.

М. З.: Обратимся к истории. Материал, который сейчас работает в аккумуляторе вашего телефона, в 1980-х предложил Джон Гудэнаф (John Goodenough), в то время руководивший лабораторией неорганической химии в Оксфорде (сейчас он профессор Техасского Университета в Остине). А коммерческие аккумуляторы на его основе впервые начали использоваться только в 1991 году компанией Sony в портативных видеокамерах. Путь из лаборатории до магазина занял 10 лет.

А.Ч.: Причем Гудэнаф был далеко не пионером в этой области. Эксперименты шли еще с начала 1970-х годов.

М.З.: А мы работаем не так уж долго. Но уже есть первые публикации.

— Спасибо, Андрей! Не буду Вас отвлекать… Плодотворного дня!

Максим Захаркин подготавливает электрохимическую ячейку для operando эксперимента на рентгеновском дифрактометре

Это интересно: Сейчас аккумуляторы востребованы также в возобновляемой энергетике и автомобилестроении. По дорогам колесит уже больше 3 млн электрокаров. Тренд на рост довольно очевиден. Например, концерн Ford недавно заявил о планах электрифицировать всю свою продукцию к 2030 году, хотя, очевидно, это всё-таки не более чем рекламный ход.

Как приготовить и продегустировать электрохимический сэндвич?

Я здороваюсь по-английски с постдоком из Индии и по-немецки с аспирантом из Германии, и мы переходим в соседнюю комнату.

Максим делится рецептом изготовления электрохимического сэндвича, точнее говоря, макета аккумулятора, так называемой ламинированной ячейки (pouch-cell). Нужно положить пропитанный электролитом длинный сепаратор на нанесённый на длинную фольгу катодный материал и накрыть сверху нанесённым на фольгу анодным материалом, свернуть много раз, положить в пластиковый пакет с выведенными наружу токосъёмниками, откачать и запаять. Получится примерно такой же аккумулятор, как в нашем смартфоне, но экспериментальный.

Дальше Максим открывает шкаф с разноцветными пузырьками и баночками.

— Мы закупаем реактивы по всему миру. Видите банки с красными крышками? Их производит Sigma-Aldrich, огромная корпорация. Штаб-квартира расположена в Миссури. После заказа реагенты идут до нас не меньше месяца. Другой поставщик — Русхим. Отечественные вещества дешевле, и, естественно, мы получаем их быстрее.

Порошок перемалывают на «мельнице», чтобы уменьшить размер частиц до сотен нанометров. «Мельница» трясёт, крутит и вертит емкость с порошком и миниатюрными шариками из стали или твердого пластика.

Измельченный порошок несут в печную комнату. Когда мы входим туда, я первым делом замечаю слоган «More than Heat». Здесь при высоких температурах происходит синтез активного материала для аккумулятора. На полках я вижу около 20 приборов. Они похожи на микроволновки, но не все действуют по одинаковому принципу. Печек много, чтобы сотрудники не выстраивались в очередь.

Печная комната

— Вот печь с кварцевый трубой, через которую пропускается аргон, — поясняет Максим. — Здесь микроволновый гидротермальный реактор. Закрытый объём нагревается не посредством раскалённой спирали, а с помощью  микроволн. Это позволяет уменьшить время синтеза с десятков часов до десятков минут. В маленькой колбе при нагреве более 100оС откачиваем воздух из электродов и солей вакуумным насосом. Как я уже говорил, из составляющих аккумулятора нужно убрать все частицы воды и кислорода.

Дальше нужно изучить свойства синтезированного соединения. В соседней комнате стоят разнообразные приборы. В очередном шкафу с прозрачной стенкой покручивается вперёд-назад дырчатое колесо. В нем шесть отверстий для разных образцов. Это дифрактометр. Рентгеновское излучение позволяет получить дифрактограмму вещества и таким образом выяснить его структуру, химический состав, размер и форму частиц, положение атомов относительно друг друга. По соседству расположен атомно-силовой микроскоп. В качестве зонда используется игла с острием размером до нескольких атомов. А система термогравиметрического анализа с масс-спектрометром позволяет выяснить, как изменяется масса соединения при нагреве.

Система термогравиметрического анализа с масс-спектрометром

И, наконец, я вижу шкафы, из которых топорщатся десятки «крокодильчиков»: это потенциостаты-гальваностаты. Здесь экспериментаторы проверяют, как быстро заряжается или разряжается тот или иной электродный материал.

Потенциостаты-гальваностаты

Это интересно: На почве развития рынка аккумуляторов цены на литий скачкообразно пошли вверх: тонна карбоната лития Li2CO3 подорожала с $6,5 тыс. в 2015 году до $20-25 тыс. в 2016 году и сейчас стабилизировалась на уровне $15-20 тыс. В то же время лития на планете не так много (по оценкам Deutsche Bank, до 100 млн тонн). Когда он будет исчерпан? На этот счет существуют разные оценки, от панических до весьма оптимистичных, но ясно одно — литию нужно искать альтернативы.

Частица Чили в вашем смартфоне

Максим рассказывает: в основном месторождения лития находятся в Южной Америке. Больше всего лития в Боливии, но крупнейшие объемы добычи — в Чили (около 50%) и Аргентине (около 25%). Кристаллы на берегу соляных озер содержат большое количество хлорида натрия, того самого, которым наполнены наши солонки, но есть там и малая доля карбоната лития; его извлекают с помощью определенных методов очистки, пакуют в контейнеры и на кораблях и самолетах транспортируют в Азию, где на заводах  его смешивают с солями переходных металлов и при повышенной температуре синтезируют катодный материал для аккумуляторов. Так что с большой долей вероятности вы носите в кармане частицу соли из Чили или Аргентины.

Соляное озеро Лагуна-Верде (Чили). Фото Wikimedia Commons
Типология батареек

По словам Максима, первые перезаряжаемые аккумуляторы были свинцово-кислотными. Именно ими вы пользуетесь, когда поворачиваете ключ зажигания в автомобиле. В 1960-х в электромобилях Ford появились натрий-серные аккумуляторы. Но они высокотемпературные, разогреваются до 300 оС. Для автомобилистов это небезопасно. Сейчас натрий-серные аккумуляторы используют в энергосетях в Японии. Они привлекательны по цене и характеристикам.

Еще одна альтернатива натрию — ванадиевые проточные батареи. Их стали разрабатывать в 1980-е в Университете Южного Уэльса в Сиднее, тогда как раз обнаружили залежи ванадия в Австралии и нашли новые способы  его получения в Японии. Этой технологией также занимаются в Сколтехе.

В мире аккумуляторов всё меняется довольно динамично. В «зеленой» энергетике не обойтись без больших аккумуляторов, потому что ветер переменчив, а солнце не светит на фотопластины ночью и в пасмурную погоду. Поэтому энергию нужно запасать. Как ни удивительно, еще несколько лет назад бытовало мнение, что литий-ионные аккумуляторы слишком дороги, чтобы использовать их в энергосетях. Однако сейчас они успешно функционируют, преимущественно в США и Австралии. Кроме того, после отмены атомных электростанций больше 20% энергетики Германии обеспечивают ветер и солнце, и государство охотно субсидирует эту отрасль.

Крупнейшая в мире литий-ионная батарея была установлена фирмой Tesla в Южной Австралии в конце 2017 года. Она состоит из около 500 блоков, имеет ёмкость 100 мегаватт-часов и запитывается от ветряной электростанции. Особый бот рассчитывает, когда выгоднее заряжать и разряжать гигантский аккумулятор, чтобы продавать энергию дороже.

Крупнейшая в мире литий-ионная батарея (Австралия). Фото David Clarke

Это интересно: Натрий – один из наиболее перспективных металлов для создания аккумуляторов. В недрах планеты натрия на три порядка больше, чем лития, так что он существенно дешевле (на два порядка). Однако натрий тяжелее лития, а объем запасаемой в натрий-ионных аккумуляторах энергии на данный момент в два раза меньше, чем в литий-ионных. Поэтому уже более пяти лет ученые активно ищут предел возможностей натрий-ионных аккумуляторов и способы их усовершенствования.

Поговорим о теории аккумуляторов

В кафе красного корпуса под звуки кофемолки (к счастью, она ещё не измельчает зерна в нанопыль) мы беседуем с постдоком Дмитрием Аксёновым. Он отвечает за компьютерное моделирование, виртуальный эксперимент. Дмитрий говорит, что с детства испытывал любопытство ко всему новому и неизвестному. Его дед был учителем физики, бабушка — учителем математики, отец окончил Физтех и работает инженером-электронщиком, занимается геофизикой. Дмитрий учился и защитил диссертацию в Белгородском государственном университете. Там он занимался титановыми сплавами для зубных имплантатов в вузовском Центре наноструктурных материалов и нанотехнологий.

Дмитрий Аксёнов демонстрирует натрий-ионную электрохимическую ячейку после экспериментов при повышенных температурах.

— С точки зрения биосовместимости чистый титан – идеальный материал, — говорит Дмитрий. — Но он недостаточно прочен. Если наноструктурировать титан, можно поднять прочность. Есть закон Холла — Петча, который указывает, что прочность металлов увеличивается с уменьшением размеров кристаллических зерен. Но тогда мы начинаем проигрывать в термодинамической стабильности. В течении длительного времени имплантат может потерять прочность даже при температуре человеческого тела. Мы пришли к тому, что нужно легировать материал, добавлять элементы, увеличивающие стабильность структуры. Легирование широко используется  в материаловедении: небольшая концентрация элемента сильно меняет свойства вещества. Лучший пример – вся микроэлектроника. Кремний очень плохо проводит электрический ток. Но при добавлении небольшого количества фосфора или бора мы можем создать либо электронную, либо дырочную проводимость. Это позволяет создавать диоды,  транзисторы, и в конечном счете интегральные микросхемы, включая микропроцессоры наших смартфонов.

— Как Вы решили работать в Сколтехе?

— На самом деле медицина мне особо не близка. Мне нравится электроника. Я решил сменить тему. Есть вполне конкретная проблема: телефоны и электромобили быстро разряжаются. Как это исправить? Я подумал: раз я уже защитил кандидатскую, и стал свободным человеком, то волен заниматься тем, чем хочу. Как раз здесь в Сколтехе была открыта позиция постдока по изучению катодных материалов  литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов. Мне посоветовали группу профессора Андрея Жугаевича, куратора магистерской программы «Материаловедение» в Сколтехе. Я сменил объект исследования, но не методы. Используемый мной квантово-механический метод, описывающий вещество на уровне атомных ядер и электронов, позволяет заглянуть «внутрь» катодных материалов, понять что в них происходит, и предложить лучшие варианты.

— Ваша работа — промышленный заказ или чисто теоретический интерес?

— Помимо совместной работы с коллегами из Центра электрохимии Сколтеха по нескольким проектам, я выиграл грант РФФИ. Это мой собственный инициативный проект. В первую очередь работа фундаментальная. Тут какой простор есть? Есть катодный материал, а к нему можно подбирать легирующие элементы. Есть все основания предполагать, что даже в небольшой концентрации, они будут существенно улучшать его характеристики.

— Каковы перспективы натрий-ионных аккумуляторов?

— В будущем они могут потеснить литий-ионные аккумуляторы или занять свою, новую нишу, но на сегодняшний день натрий-ионные аккумуляторы экономически особо не выгодны. Основных преимуществ два. Во-первых, сам натрий, как вы уже знаете, гораздо дешевле, чем литий. Во-вторых, на аноде литиевого аккумулятора используется медный токосъёмник, а для натриевого аккумулятора можно использовать алюминий. Это тоже снижает цену.

Но есть и существенные минусы. Во-первых, натрий тяжелее лития. Он находится ниже по таблице Менделеева. Во-вторых, напряжение в натриевых аккумуляторах тоже ниже: скажем, 3,3 вольта вместо 3,6 вольта для лития. В итоге запасаемая энергия натриевых аккумуляторов на 30-50% меньше. Если посчитать стоимость единицы запасаемой энергии, то для натриевых аккумуляторов она окажется такой же, как для литиевых, либо даже немного выше. Нет смысла перенастраивать существующие производства под натрий, если никто не выигрывает. Поэтому нам нужно улучшить характеристики натриевых аккумуляторов, в первую очередь увеличить запасаемую энергию.

— А каким образом?

— Есть ряд материалов, позволяющих достичь более высоких катодных напряжений: 4–4,5 вольта.

— Что это за материалы?

— Первый материал, который был коммерциализирован в литиевых аккумуляторах – оксид кобальта LiCoO2. Потом был предложен железофосфат лития LiFePO4. Он уже используется в аккумуляторах, у них есть свои преимущества и недостатки. Стали искать другие материалы в этом направлении. Например, рассматривается Li2FePO4F, фторидофосфат железа-лития. На один атом железа два атома лития. Теоретическая емкость больше.

С натрием всё по аналогии. Можно использовать оксиды: NaCoO2, NaNiO2. Обязательно должен быть переходный металл. Точно так же пробуют фторидофосфаты, например Na2FePO4F, Na2CoPO4F, где вместо кислорода используется полианионная группа PO4F. Можно использовать другие полианионные группы, такие как силикаты на основе SiO4 или бораты BO3. Очень много вариантов. Например, FeSO4F или CoSO4F – структуры, которые будут давать очень высокий потенциал, и по запасаемой энергии могут конкурировать с литиевыми аналогами. Но проблема в том, что электролит не выдерживает эти высокие потенциалы, начинает разлагаться, становится нестабилен.

— Как решить эту проблему?

— Раньше основные усилия ученых были направлены на то, чтобы создать новые хорошие материалы для анода и для катода. В особенности много занимались катодом. Но помимо материалов как таковых, есть такая важная вещь, как интерфейс – граница раздела между анодом/катодом и электролитом. Очень важно, какие процессы там происходят. Как это ни странно, это в гораздо меньшей степени известно.

Разложение электролита на поверхности — одна из главных причин, по которым аккумулятор выходит из строя. Образуются вредные фазы, которые впоследствии мешают работе аккумулятора. Ионы просто не проходят сквозь кристаллическую решетку. Есть известное для материалов физическое явление: сегрегация (накопление) элементов на границах раздела. Легирующие элементы часто имеют тенденцию скапливаться на этих дефектах. Мы будем изучать влияние сегрегации легирующих элементов на процесс разложения электролита на границе раздела между катодом и электролитом.

В первую очередь перед нами стоит задача провести компьютерное моделирование, чтобы идентифицировать те элементы, которые будут накапливаться на поверхности раздела между катодом и электролитом и приводить к стабилизации этой поверхности, то есть уменьшать ее химическую активность и таким образом препятствовать разложению электролита на этой поверхности. Здесь сейчас наш интерес.

P. S. Гром и молнии, скорее отправляю этот материал на согласование, а то на нетбуке батарея иссякает! Хотя многое еще не сказано… А пока жив мой плеер, включу для разрядки «Нирвану». Песню Lithium.

Магистерская программа Сколтеха «Материаловедение»

Двухгодичный образовательный курс, направленный на освоение студентами знаний и умений в области разработки новых материалов и устройств, актуальных для российской и мировой индустрии. Учебная программа включает в себя как базовые разделы современной науки о материалах, так и продвинутые курсы, позволяющие студентам уже в процессе обучения подключиться к инновационным исследованиям и разработкам материалов для оптоэлектроники и устройств хранения и преобразования энергии. Выпускники программы востребованы в научно-исследовательских центрах, в отделах разработки компаний, работающих в секторах электроники, энергетики, химической индустрии, автопромышленности и других секторах, имеющих дело с разработкой, внедрением или эксплуатацией продвинутых или сложных материалов.

Кит Стивенсон

Комментирует Кит Стивенсон (Keith Stevenson), проректор Сколтеха по исследованиям, директор Центра электрохимического хранения энергии и Центра энергетических систем:

— Наша магистерская и докторская программа по материаловедению дает обязательные и факультативные курсы, которые ведут сотрудники трех Центров Сколтеха (CREI) — Центра по электрохимическому хранению энергии, Центра фотоники и квантовых материалов и Центра проектирования, производственных методов и материалов. Помимо специализации программа включает экспериментальные и вычислительные факультативы, уникальные для российских университетов, и даже для мировой практики. В числе других компонентов программы — иммерсивная производственная практика и компоненты, связанные с предпринимательством и инновациями.

Больше о поступлении: msc.skoltech.ru/materialovedenie

Алексей Огнёв
Фото Виталия Шустикова

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Метки: #252, Keith Stevenson, автопром, аккумулятор, Алексей Огнёв, Андрей Чеканников, Аргентина, аспирант, батарейка, беседа, вопросы, Дмитрий Аксёнов, Илон Маск, интервью, исследования, Кит Стивенсон, лаборатории, литий, Максим Захаркин, МастерSkая будущего, металл, разговор, РФФИ, Сколково, Сколтех, студенты, США, университет, ученые, физик, физика, химик, Чили, эксперимент, электромобиль, электроника, электрохимия, электроэнергия
См. также:

Как устроен литий-ионный аккумулятор электровелосипеда? | Электровелосипедист

Привет друзья!

На сегодняшний день литий-ионный аккумулятор является самым распространённым типом аккумуляторов, используемых на электротранспорте, и в частности, на электровелосипедах.

И поскольку это довольно дорогой компонент, желательно при его покупке понимать, на что следует обращать внимание, чтобы не ошибиться с выбором, а для этого неплохо бы знать в общих чертах его устройство и принцип работы.

Литий-ионный аккумулятор LiitoKala

Литий-ионный аккумулятор, в том виде, в котором он используется на электровелосипедах, представляет собой набор последовательно соединённых блоков, в каждом из которых одинаковое количество параллельно соединённых элементов, их ещё называют ячейками (например, типоразмера 18650).

С каждого блока идёт отдельный провод на плату управления (BMS, battery management system), но о ней чуть позже.

Количество последовательно соединённых блоков обозначается буквой «S», а количество параллельно соединённых элементов внутри каждого блока — буквой «P». Номинальное напряжение батареи определяется как номинальное напряжение одного литий-ионного элемента (3,7 В), умноженное на число блоков (S).

К примеру, схема сборки аккумулятора 13S4P означает, что номинальное напряжение аккумулятора 48 вольт (13 х 3,7 В), и что если он собран из ячеек ёмкостью 3 Ач каждая, то его ёмкость составляет 12 Ач (3 Ач х 4).

Схема сборки 13S4P

Как правило, ячейки либо склеиваются между собой при помощи суперклея (цианоакрилат) или клеевого пистолета, либо собираются в специальные холдеры, обеспечивающие их фиксацию.

Второй вариант более предпочтителен, так как в этом случае ячейки не соприкасаются между собой, то есть лучше изолированы друг от друга.

Вариант сборки батареи 13S4P с холдерами

Для нормальной работы аккумулятора необходимо, чтобы на всех его элементах быть одинаковое напряжение — в этом случае он будет выдавать полную ёмкость.

За соблюдением этого условия следит плата управления, или BMS, о которой я уже упоминал, — она в конце процесса заряда подключает резисторы к тем ячейкам, которые зарядились раньше остальных, чтобы напряжение на них снижалось, и постепенно напряжения на всех ячейках выравниваются.

Кроме этого, BMS выполняет функцию защиты ячеек от перезаряда (не выше 4,2 В на ячейке), переразряда (не ниже 3 В на ячейке) и защиты от короткого замыкания, то есть замыкания выходных контактов между собой.

Схема литий-ионного аккумулятора 13S4P

В то же время, довольно распространены так называемые симметричные BMS, у которых контакты «P-» и «C-» объединены, в этом случае зарядный и разрядный разъёмы соединяются параллельно, или разъём всего один, а к нему по очереди подключаются либо зарядное устройство, либо нагрузка.

Некоторые BMS имеют функцию включения (два провода к замку или кнопке включения), позволяющую избежать искрения контактов при подключении батареи к нагрузке.

Также платы BMS оснащаются терморезисторами или термоконтактами. Первые при изменении температуры изменяют своё сопротивление, а вторые разрывают контакт при достижении температуры, на которую они рассчитаны.

Пример термоконтакта (термореле)

Использование термоконтакта обеспечивает дополнительную защиту аккумулятора и повышает безопасность — BMS отключит нагрузку если батарея слишком сильно нагрелась.

Перед покупкой литий-ионного аккумулятора желательно узнать его реальную (а не только заявленную) ёмкость и нагрузочную способность, то есть максимальную мощность, которую он способен выдавать длительное время без перегрева. Если аккумулятор будет перегреваться, ячейки быстро деградируют и батарея потеряет ёмкость.

Батарея Б65 от Электрон Байкс. Схема 13S5P, BMS с включением и термоконтактом

Кроме этого, перед покупкой, стоит поискать в сети отзывы других покупателей такого же аккумулятора, либо аналогичных, этого же производителя.

Более подробно про работу батареи можно почитать в этой статье.

В скором времени на канале выйдет подробная статья про сборку литий-ионного аккумулятора своими руками. Если Вам это интересно, не забудьте подписаться.

Если понравилось, ставьте «палец вверх» 👍 и подписывайтесь. Это очень мотивирует к написанию новых статей!

СПАСИБО, что дочитали до конца, и до встречи! 👋

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные батареи чрезвычайно популярны и универсальны. Эти аккумуляторные батареи, которые используются в сотовых телефонах, автомобилях, электроинструментах и ​​некоторых других типах электронных устройств, также оказывают влияние на оборудование для погрузочно-разгрузочных работ и наземного обслуживания аэропортов.

Технология, лежащая в основе литий-ионных аккумуляторов, делает их отличным выбором из-за их явных преимуществ и экологических преимуществ.

Но как именно работают литий-ионные аккумуляторы? И что делает их такими популярными во многих приложениях?

Вот что вам нужно знать о компонентах, из которых состоит литий-ионный аккумулятор, и о том, как они работают вместе для создания высокоэффективных и долговечных источников энергии.

Компоненты

Литий-ионные батареи

доступны во многих различных формах и размерах. Однако внутри они обычно выглядят одинаково. Чтобы понять, как работает литий-ионный аккумулятор, важно знать роль, которую играют отдельные части.

Ячейка

Литий-ионный аккумулятор состоит из нескольких частей. Элемент, служащий рабочей лошадкой для батареи, является наиболее важным компонентом батареи.

Ячейка состоит из следующих материалов батареи:

  • Электроды — это два конца батареи. Один — анод, другой — катод.
  • Анод накапливает литий и обычно изготавливается из углерода.
  • Катод также хранит литий и сделан из химического соединения, которое представляет собой оксид металла.
  • Сепаратор блокирует поток отрицательных и положительных электронов внутри батареи, но позволяет ионам проходить через нее.
  • Электролит , жидкость находится между двумя электродами. Он переносит положительно заряженные ионы лития от анода к катоду и наоборот, в зависимости от того, заряжается батарея или разряжается.
Аккумулятор

Батарейный блок, в котором находятся литий-ионные элементы, работает как компьютер. Он содержит следующее:

  • Как минимум один датчик температуры для контроля температуры батареи.
  • Преобразователь напряжения и схема регулятора , которая фокусируется на поддержании напряжения и тока на безопасных уровнях.
  • Разъем евро, который позволяет питанию и информации поступать и извлекаться из аккумуляторной батареи.
  • Элемент отвод , который контролирует напряжения элементов в аккумуляторной батарее.
  • Система мониторинга батареи , небольшой компьютер, который контролирует всю батарею и обеспечивает безопасность пользователя.
Движение в камере

Так как же ячейка обеспечивает питание оборудования?

Когда вы подключаете литий-ионный аккумулятор к устройству или части оборудования, положительно заряженные ионы перемещаются от анода к катоду.В результате катод становится более положительно заряженным, чем анод. Это, в свою очередь, притягивает к катоду отрицательно заряженные электроны.

Сепаратор в ячейке включает электролиты, которые образуют катализатор. Это способствует перемещению ионов между ними. Движение ионов через раствор электролита — это то, что заставляет электроны перемещаться через устройство, в которое вставлен аккумулятор.

Литий-ионные батареи

перезаряжаемые. При перезарядке ионы лития проходят тот же процесс, но в противоположном направлении.Это восстанавливает аккумулятор для дополнительного использования.

Общая конструкция литий-ионной батареи обеспечивает множество преимуществ для пользователей оборудования:

  • Время работы значительно увеличивается с их использованием по сравнению с батареями других типов.
  • Возможности быстрой зарядки сокращают время простоя сменных рабочих и повышают производительность.
  • Они имеют плоские кривые разряда и обеспечивают более высокую постоянную мощность. Это означает, что больше не будет раздражающей медлительности в работе оборудования при снижении уровня заряда аккумулятора.
Система управления батареями (BMS)

Система управления играет важную роль в обеспечении максимальной работы аккумуляторной батареи. Это также влияет на работу аккумулятора, предлагая несколько защит и функций.

Например:

  • BMS поддерживает температуру элементов в идеальном рабочем диапазоне для предотвращения перегрева или замерзания.
  • BMS контролирует ток и напряжение, чтобы поддерживать их на безопасном уровне.Дендриты начинают формироваться в ячейке, если напряжение падает слишком низко, что может привести к короткому замыканию ячейки, поэтому важно, чтобы литий-ионный аккумулятор имел систему, позволяющую контролировать это.
  • В аккумуляторе нет встроенной «памяти», поэтому частичные разряды не повреждают аккумулятор. Литий-ионные аккумуляторы могут заряжаться и разряжаться в наиболее удобное для операторов время.
  • Встроенные контроллеры предотвращают перезарядку, чтобы предотвратить образование, которое может привести к значительному повреждению литий-ионных аккумуляторов.
  • Балансировка ячеек контролируется, поэтому выравнивающие заряды никогда не требуются. Поскольку литий-ионные батареи не нуждаются в уравнительном заряде, они не выделяют опасные газы.
  • Система управления батареями также позволяет менеджерам отслеживать состояние батареи своего флота с помощью бортовых компьютеров, которые отправляют жизненно важные данные через облачные сервисы.

Литий-ионные батареи содержат несколько элементов передовых технологий, которые работают вместе, чтобы обеспечить пользователям явные преимущества.

Вы можете узнать о том, почему литий-ионные батареи являются лучшим вариантом, чем свинцово-кислотные, в нашей статье Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков лучше, чем свинцово-кислотные?

Как работают литий-ионные батареи?

Три исследователя, которые разработали технологию, лежащую в основе эпохи смартфонов — и вызванной ею социальной трансформации, — получили Нобелевскую премию по химии 2019 года. Работы Джона Б. Гуденафа, М.Стэнли Уиттингем и Акира Йошино сделали важные открытия в литий-ионных батареях, которые накапливают большое количество энергии в небольших аккумуляторных элементах и ​​быстро и легко перезаряжаются.

Впервые проданные Sony в 1991 году для своих видеокамер, эти типы батарей подходят не только для портативной бытовой электроники. Они находятся в центре двух других технологических революций, способных преобразовать общество: переход от двигателей внутреннего сгорания к электромобилям и переход от электросети, работающей на ископаемом топливе, к генераторам возобновляемой энергии, которые хранят излишки электроэнергии в батареях для будущее использование.

Так как эти батарейки работают? Ученые и инженеры всю свою карьеру пытались создать батареи лучшего качества, но до сих пор остаются загадки, которые мы не до конца понимаем. Улучшение аккумуляторов требует от химиков и физиков изучения изменений на атомном уровне, а также от инженеров-механиков и электриков, которые могут спроектировать и собрать аккумуляторные блоки, питающие устройства. Как специалист по материалам Вашингтонского университета и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, моя работа помогла исследовать новые материалы для литий-воздушных батарей, магниевых батарей и, конечно же, литий-ионных батарей.

Рассмотрим день из жизни двух электронов. Назовем одного из них Алексом, и у него есть друг по имени Джордж.

Анатомия батареи

Как выглядит стандартная щелочная батарейка AA внутри. Ведущий / Wikimedia Commons

Alex живет внутри стандартной щелочной батарейки AA, как в вашем фонарике или пульте дистанционного управления. Внутри батареи AA есть отсек, заполненный цинком, а другой — оксидом марганца.С одной стороны, цинк слабо держится на электронах, как Алекс. С другой стороны, оксид марганца сильно притягивает электроны к себе. Между тем, чтобы электроны не переходили прямо с одной стороны на другую, находится лист бумаги, пропитанный раствором калия и воды, которые сосуществуют как положительные ионы калия и отрицательные ионы гидроксида.

Когда аккумулятор вставляется в устройство и включается, внутренняя цепь устройства замыкается. Алекса вытаскивают из цинка через цепь в оксид марганца.По пути его движение приводит в действие устройство, лампочку или что-то еще, подключенное к батарее. Когда Алекс уходит, он не может вернуться: цинк, который потерял электронную связь с гидроксидом, образует оксид цинка. Это соединение чрезвычайно стабильно и не может быть легко превращено обратно в цинк.

На другой стороне батареи оксид марганца получает атом кислорода из воды и оставляет ионы гидроксида, чтобы уравновесить гидроксид, потребляемый цинком. После того, как все соседи Алекса оставили цинк и перешли на оксид марганца, батарея разряжена и ее необходимо утилизировать.

Литий-ионные преимущества

Давайте сравним это с Джорджем, который живет в литий-ионной батарее. Литий-ионные батареи имеют те же основные строительные блоки, что и щелочные элементы AA, с некоторыми отличиями, которые дают основные преимущества.

Джордж живет в графите, который даже слабее цинка удерживает электроны. А другая часть его батареи — это оксид лития-кобальта, который притягивает электроны гораздо сильнее, чем оксид марганца, что дает его батарее способность хранить гораздо больше энергии в том же объеме пространства, чем щелочная батарея.Раствор, разделяющий графит и оксид лития-кобальта, содержит положительно заряженные ионы лития, которые легко образуют и разрывают химические связи, когда батарея разряжается и заряжается.

Когда электроны выходят за пределы батареи, ионы лития перемещаются внутри нее, чтобы поддерживать электрическое равновесие. Ислам и Фишер, Обзоры химического общества, 2014 г., CC BY

Эти химические реакции обратимы, в отличие от образования оксида цинка, который позволяет электронам и ионам лития перемещаться вперед и назад в течение многих циклов зарядки и разрядки.

Однако этот процесс не является эффективным на 100% — все батареи со временем теряют способность удерживать энергию. Тем не менее, семейство литий-ионных аккумуляторов оказалось достаточно мощным, чтобы доминировать в аккумуляторных технологиях сегодня.

Примечание редактора: это обновленная версия статьи, первоначально опубликованной 15 июля 2019 года.

[ Спасибо за прочтение! Мы можем отправлять вам рассказы The Conversation каждый день в информативном электронном письме. Зарегистрироваться Сегодня. ]

Как работают литий-ионные батареи?

Знаете ли вы, что литий-ионные аккумуляторы обеспечивают в три раза больше энергии, чем стандартные свинцово-кислотные, никель-кадмиевые или никель-металлогидридные аккумуляторы? Как они создают власть? Найдите ответ в этом простом руководстве.

Это только одна из причин, почему они используются для обеспечения передовых технологий. Сегодня все, от Nissan Leaf и Tesla Model S до навигационной системы на Boeing 787, работает от литий-ионных аккумуляторов.

Однако не думайте, что они предназначены для большого оборудования. Вы также можете найти их в своем мобильном телефоне и фонариках.

Но как работает технология? И какое ему место в нашем будущем?

В этой статье мы рассмотрим все, что вам нужно знать об этих источниках энергии, начиная с того, как они работают.

Как работают литий-ионные батареи?

Чтобы понять, как работает литий-ионная энергия, вам сначала нужно понять различные части, из которых состоит аккумулятор.

Литий-ионная батарея состоит из шести частей; каждый играет важную роль в происходящем энергетическом цикле. Детали включают:

  • Анод — накапливает литий и выделяет ионы при разряде
  • Катод — накапливает литий и выделяет ионы при зарядке
  • Сепаратор — позволяет литий-ионному переходу от анода к катоду; блокирует поток электронов
  • Электролит — жидкое вещество, переносящее ионы
  • Положительный токоприемник — принимает электроны во время разряда
  • Коллектор отрицательного тока — принимает электроны во время зарядки

Когда батарея взаимодействует, атомы лития в аноде ионизируются.Этот процесс заставляет их отделяться от своих электронов и перемещаться от анода к катоду. Они перемещаются в электролитах и ​​проходят через сепаратор.

Это движение вызывает образование свободных электронов, которые затем создают заряд в положительном коллекторе тока. Затем заряд отправляется на любой источник энергии, который он питает — ноутбуки, автомобили или грузовики.

Электроны затем отправляются на коллектор отрицательного тока. Ознакомьтесь с этим ресурсом, чтобы увидеть полезную анимацию, демонстрирующую, как работает литий-ионная батарея.

Для чего используются литий-ионные батареи?

Сегодня литий-ионные батареи используются в различных отраслях промышленности и в различных продуктах. Мы можем ожидать, что они будут продолжать распространяться и развиваться во множество различных технологий будущего. Вот некоторые из популярных современных применений.

Мобильные устройства

Одно из популярных применений — портативные гаджеты, например ноутбуки, телефоны или фонарики. Благодаря легкости они невероятно мобильны, что делает их удобными для переноски.

Блоки резервного питания

Они также используются в отраслях, где требуется аварийное резервное питание, например в больницах или центрах обработки данных. Эти типы объектов требуют бесперебойного энергоснабжения, которое может оставаться в рабочем состоянии в случае отключения электроэнергии.

Электромобили

Автомобильная промышленность проявляет особый интерес к литий-ионным батареям, поскольку они хорошо работают в электромобилях. Отчасти это связано с тем, что они могут накапливать огромное количество энергии и многократно заряжаться.

Литий-ионные батареи

также идеально подходят для погрузчиков. В отличие от свинцовых аккумуляторов, вам не нужно держать запасной заряженный аккумулятор и менять его во время смены. Достаточно одной батареи! Кроме того, отсутствует угроза проливания кислоты или вдыхания.

Устройства с персональным питанием

Лица с ограниченными возможностями, которым требуются скутеры, велосипеды или электрические инвалидные коляски, должны рассмотреть продукты с литий-ионными батареями в них.

Аккумуляторы для них намного безопаснее.Кадмий и свинец в традиционных батареях могут вызвать дополнительные проблемы со здоровьем у восприимчивых людей, которым требуются эти устройства.

Морская техника

Некоторые батареи также используются в морских транспортных средствах — как в двигателе, так и во многих устройствах на борту. Такое использование лучше для окружающей среды, поскольку снижает вероятность попадания бензина или свинца в воду.

Если вы хотите узнать больше о различных функциях литий-ионных аккумуляторов, обязательно перейдите по этой ссылке.

Каковы некоторые преимущества литий-ионных батарей?

Мы показали, что литий-ионные батареи производят в три раза больше энергии, чем традиционные свинцовые батареи. Но по каким еще причинам вы могли бы подумать о переключении? Вот еще три важных преимущества, которые дает эти продукты.

Безопаснее для окружающей среды

Литий-ионные батареи

лучше для окружающей среды, если сравнить их со свинцовыми батареями, традиционно используемыми в качестве двигателя.Свинцовые батареи большие и неэффективные — им требуется в шесть раз больше места для хранения того же количества энергии, что и литий-ионным аккумуляторам.

Литий-ионные аккумуляторы

также сокращают общий углеродный след, поскольку они служат намного дольше, чем свинцовые аккумуляторы, и потребляют меньше энергии для перезарядки. Литий-ионные продукты также не содержат опасных материалов, таких как кадмий и свинец. Если вы хотите узнать больше о переходе со свинцовых аккумуляторов на литий-ионные, ознакомьтесь с нашим руководством здесь.

Передовые технологии

Еще одно преимущество литий-ионной технологии заключается в том, что она задействована на быстрорастущем рынке.Как мы уже упоминали, он уже используется на популярных моделях электромобилей. Но он также постоянно находится в разработке.

Результатом стали такие инновации, как системы управления батареями, оптимизирующие данные с помощью телеметрии. Беспроводные возможности и функции удаленного устранения неполадок также являются новыми и полезными функциями.

Более доступная цена

Хотя литий-ионные батареи могут стоить больше, чем традиционные батареи, важно помнить, что вы экономите деньги в других областях.Во-первых, их срок службы примерно в три раза дольше, чем у традиционных батарей.

И пока они живы, они также потребляют меньше энергии. Эта функция помогает сократить расходы на электроэнергию.

Когда вы используете литий-ионные аккумуляторы при транспортировке материалов, они также помогают освободить больше места для материала. Нет необходимости в аккумуляторной комнате, нет необходимости в ежедневном обслуживании, и, поскольку эти батареи меньше, то же самое и машины, которые они питают для той же работы!

Нужны литий-ионные батареи для промышленных электрических грузовиков? Связаться с OneCharge

Если вы занимаетесь погрузочно-разгрузочными работами, вам следует серьезно подумать о литий-ионных батареях.

Это бизнес-решение не только экономит ваши деньги и увеличивает выходную мощность вашего оборудования, но и помогает окружающей среде.

Но кому вы можете доверить поставку этих аккумуляторных систем? Ответ: OneCharge.

Мы перевозим более 550 различных типов литий-ионных аккумуляторов — от погрузчиков до подметальных машин и скрубберов. Но мы не просто продаем товары — мы также предлагаем образовательные и вспомогательные ресурсы. Если у вас есть какие-либо вопросы, обязательно свяжитесь с нами по этой ссылке.

Принцип работы литий-ионный аккумулятор — E-Lyte Innovations

Принцип работы литий-ионный аккумулятор — E-Lyte Innovations

Литий-ионные батареи относятся к группе батарей, вырабатывающих электрическую энергию путем преобразования химической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций на активных материалах, то есть на отрицательном (аноде) и положительном электроде (катоде), в одном или нескольких электрически связанных электрохимических элементах.Литий-ионные батареи можно разделить на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, в зависимости от того, перезаряжаются ли они подачей электрического тока.

В обычных литий-ионных батареях Li + -ионы перемещаются между положительным электродом (обычно слоистым материалом оксида переходного металла) и отрицательным электродом на основе графита в соответствии с принципом «кресла-качалки» (см. Видео).

Термин «разряд» используется для обозначения процесса, при котором аккумулятор подает электрическую энергию на внешнюю нагрузку.Электролит в этой системе содержит дополнительные ионы Li + для обеспечения быстрого переноса ионного заряда внутри элемента.

Помимо ионной проводимости, электролит выполняет другие важные функции:

Поддержка образования эффективных межфазных фаз (например, межфазной границы твердого электролита, SEI или межфазной поверхности катодного электролита, CEI), которые:

  • включить аккумулятор для работы
  • хорошо Li + -ион проводящий (оцените!)
  • защищают от дальнейшего разложения электролита

Способствовать безопасности клеток — быть инертным по отношению к другим материалам, таким как:

  • Сепаратор
  • Токосъемники
  • Электропроводящие добавки, связующие вещества
  • Оболочка ячейки

Шаг 1 — Исходное состояние (состояние заряда (SOC) 0%)

В разряженном состоянии ионы Li + находятся в материале положительного электрода.Таким образом, положительный электрод является источником ионов Li + , необходимых для преобразования электрической энергии в химическую энергию. Чтобы позволить ионам Li + мигрировать с положительного электрода на отрицательный, электролит также обогащен ионами Li + .

Шаг 2 — Формирование SEI и CEI

В самом начале первого процесса зарядки электроны мигрируют из материала положительного электрода (окисление) через внешний проводник в материал отрицательного электрода (восстановление).Чтобы гарантировать нейтральность заряда, ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через электролит к материалу отрицательного электрода для последующего хранения. В результате этих реакций на границах раздела между электролитом / поверхностью отрицательного электрода и электролитом / поверхностью положительного электрода соответственно образуются граничные фазы, так называемые SEI и CEI. Эти промежуточные фазы образуются из нерастворимых электрохимически индуцированных продуктов разложения компонентов электролита и ионов Li + , происходящих от положительного электрода, и обеспечивают возможность обратимого цикла батареи.После образования SEI и CEI дополнительные ионы Li + деинтеркалируются из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы затем встраиваться в последний.

Шаг 3 — Электродные реакции

После образования SEI и CEI, дополнительные ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы затем встраиваться в последний.

Положительный электрод:

Li M O 2 → Li (1- x ) M O 2 + x · e + x · Li +

Отрицательный электрод:

C 6 + x · e + x · Li + → Li x C 6

Общая реакция клетки:

C 6 + Li M O 2 → Li x C 6 + Li (1- x ) MO 2

Шаг 5 — Выписка

При разряде происходят обратные реакции.Электродные реакции:

Положительный электрод = «катод» (восстановление)

Li (1- x ) M O 2 + x · e + x · Li + → Li M O 2

Отрицательный электрод = «анод» (окисление)

Li x C 6 → C 6 + x · e + x · Li +

Шаг 6 — Принцип кресла-качалки

После разряда (SOC 0%) ионы Li + повторно сохраняются в материале положительного электрода, из которого они изначально были получены.Возвратно-поступательное движение Li + -ions напоминает движение кресла-качалки, поэтому этот принцип получил название «принцип кресла-качалки».

В частности, первый цикл (заряд и разряд) связан с необратимой потерей ионов Li + в SEI и CEI, а также в материале отрицательного электрода. В результате, меньшее количество ионов Li + теперь может храниться в отрицательном электроде в следующем цикле зарядки, что приводит к уменьшению емкости батареи.

В литий-ионной батарее происходят различные процессы старения, которые снижают производительность батареи в течение периода использования и сильно зависят от химического состава элемента и предполагаемого использования батареи. Особенно правильный выбор электролита имеет огромное влияние на эти механизмы старения и еще раз подчеркивает важность индивидуальных электролитов.

Для оптимизации литий-ионных батарей в отношении удельной энергии и плотности энергии, срока службы и безопасности было приложено много усилий для дальнейшего расширения возможностей применения LIB.В частности, растущие потребности в литий-ионных батареях с высокой удельной энергией и плотностью энергии, особенно для автомобильных приложений, увеличивают исследовательские усилия во всем мире. Плотность энергии и удельная энергия батарей по определению — это количество энергии, хранящейся в данной системе на единицу объема и на единицу массы, соответственно. Произведение удельной емкости и среднего напряжения разряда дает удельную энергию, и это соотношение находит выражение в уравнении 1:

.

E = C · U (1)

Согласно уравнению 1 кажется разумным, что большая часть текущих исследований сосредоточена на новых материалах положительных электродов с более высокими рабочими напряжениями (высоковольтный подход) и / или увеличенной удельной емкостью (подход с высокой емкостью).Материалы высоковольтных катодов сильно ограничены узким окном электрохимической стабильности современных электролитов на основе карбонатов (≈1,0 — 4,4 В по сравнению с Li / Li + ) и усиливают конструкцию искробезопасных электролитов. электролиты или подходящие добавки к электролиту для высоковольтных литий-ионных батарей.

Мы используем файлы cookie на нашем веб-сайте. Некоторые из них очень важны, а другие помогают нам улучшить этот веб-сайт и улучшить ваш опыт.

Принять все

Сохранять

Принимать только необходимые файлы cookie

Индивидуальные настройки конфиденциальности

Подробная информация о файлах cookie Политика конфиденциальности Отпечаток

Предпочтение конфиденциальности

Здесь вы найдете обзор всех используемых файлов cookie.Вы можете дать свое согласие на использование целых категорий или отобразить дополнительную информацию и выбрать определенные файлы cookie.

Имя Borlabs Cookie
Провайдер Владелец этого сайта
Назначение Сохраняет предпочтения посетителей, выбранные в поле cookie файла cookie Borlabs.
Имя файла cookie Borlabs-печенье
Срок действия печенья 1 год

Как работает литий-ионный аккумулятор электромобиля

Литий-ионный аккумулятор, впервые выпущенный на рынок в 1991 году, был первоначально создан для сектора бытовой электроники.Он быстро стал применяться в других приложениях и в конечном итоге стал стандартом для всех устройств, требующих портативной перезаряжаемой батареи. Он вытеснил никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) технологии.

Работа литий-ионного аккумулятора

Принцип, лежащий в основе литий-ионной батареи, заключается в циркуляции электронов путем создания разницы потенциалов между двумя электродами, одним отрицательным и другим положительным, которые погружены в проводящую ионную жидкость, называемую электролитом.Когда батарея питает устройство, электроны, накопленные в отрицательном электроде, высвобождаются через внешнюю цепь и перемещаются к положительному электроду: это фаза разряда. И наоборот, когда аккумулятор заряжается, энергия, поставляемая зарядным устройством, отправляет электроны обратно от положительного электрода к отрицательному.

Различные типы батарей различаются в зависимости от типа ионов, материалов электродов и соответствующих электролитов. В 12-вольтовой свинцово-кислотной батарее, которая традиционно использовалась для питания стартера автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, например, используется электролит, содержащий ионы свинца, и электроды на основе свинца.Что касается литий-ионной батареи, в ней используются ионы лития (Li +): отсюда и название этой технологии.

Литий-ионный аккумулятор, такой как аккумулятор внутри автомобиля, например ZOE, спроектирован как сборка отдельных аккумуляторных блоков (ячеек), соединенных друг с другом и контролируемых специальной электронной схемой. Количество ячеек, размер каждой ячейки и способ их расположения определяют как напряжение, подаваемое батареей, так и ее емкость, то есть количество электричества, которое она может хранить.Обычно это выражается в ватт-часах (Втч) или в киловатт-часах (кВтч) в автомобильной промышленности.

Свойства литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи

можно найти как в бытовой электронике (телефоны, ноутбуки), так и в электромобилях. Основная причина такого масштабного успеха в основном заключается в плотности хранения, которую позволяет литий-ионная технология.

Это понятие плотности относится к соотношению между емкостью аккумулятора, обеспечиваемой аккумулятором, и его объемом или весом.Для сравнения: литий-ионный аккумулятор имеет плотность от 300 до 500 Вт · ч / кг, то есть примерно в десять раз больше, чем свинцово-кислотный аккумулятор.

Пока мы ждем потенциального развития таких инноваций, как твердотельные батареи, литий-ионная технология сегодня представляет собой лучший компромисс между емкостью, объемом и массой в секторе электромобилей. Он предлагает высокое напряжение, легкую подзарядку и долговечность, которые подходят для сценариев использования, которые дополняют друг друга на протяжении всего его жизненного цикла, в соответствии с принципами циркулярной экономики.

Авторские права: Пейджран, Оливье Ле Моаль

литий-ионных батарей (LI-ION) | Ассоциация накопителей энергии

После того, как химик Exxon Стэнли Уиттингем разработал концепцию литий-ионные батареи в 1970-х годах Sony и Asahi Kasei создали первый коммерческий продукт в 1991 году. Первые батареи использовались для бытовой электроники и теперь, опираясь на успех этих литий-ионных батарей, многие компании разрабатывают элементы большего формата для использования в приложения для хранения энергии.Многие также ожидают значительных синергия с появлением электромобилей (EV) на базе Литий-ионные аккумуляторы. Гибкость литий-ионной технологии в электромобилях приложений, от небольших мощных батарей для буферизации мощности в гибриды, аккумуляторы средней мощности, обеспечивающие запас хода только на электричестве и буферизация мощности в подключаемых гибридах, к высокоэнергетическим батареям в только электромобили, имеют аналогичную ценность в стационарных накопителях энергии.

Литий-ионные аккумуляторы

были развернуты в широком диапазоне приложения для хранения энергии, начиная от аккумуляторных батарей нескольких киловатт-часов в жилых системах с солнечными батареями на крыше к многомегаваттным контейнерным батареям для обеспечения сети дополнительные услуги.

Как работают литий-ионные батареи

Термин «литий-ионный» не относится к одной электрохимической паре. но с широким спектром различных химикатов, все из которых характеризуется переносом ионов лития между электродами во время реакций заряда и разряда. Литий-ионные элементы не содержат металлический литий; скорее, ионы вставлены в структуру другие материалы, такие как литированные оксиды металлов или фосфаты в положительный электрод (катод) и углерод (обычно графит) или литий титанат в минусе (анод).

Термин «литиевый полимер» (или, точнее, литий-ионный полимер) относится к литий-ионной конструкции, в которой электроды соединены друг с другом посредством пористая полимерная матрица. Жидкий электролит вливается в пористую матрица и становится иммобилизованной, позволяя пакетам электродов быть собран в «мешочки» из фольги, которые обеспечивают геометрическую гибкость и улучшенная плотность энергии по сравнению с цилиндрическими ячейками. Однако такие преимущества менее значительны, поскольку ячейки увеличиваются до более крупных мощности.

Обратите внимание, что в металлический литиевый отрицательный элемент выполнен из проводящего полимера сделать твердотельную аккумуляторную систему. Такие технологии не падают под зонтиком Li-ion и еще не были успешно развернуты в приложения для хранения энергии.

Технологии с позитивами из литированного оксида металла и углерода негативы имеют высокое напряжение ячеек (обычно от 3,6 до 3,7 В) и соответственно высокая плотность энергии.Эти технологии получили широкое распространение отличающиеся характеристики жизни и безопасности. Ячейки с положительными материалами на основе фосфата лития и железа по своей природе более безопасны, чем их металлические оксидно-углеродные аналоги, но напряжение ниже (около 3,2 В), как и плотность энергии. Конструкции с позитивами из литированного оксида металла и негативы титаната лития имеют самое низкое напряжение (около 2,5 В) и низкая плотность энергии, но гораздо более высокая мощность и безопасность преимущества.

Литий-ионные элементы

могут изготавливаться цилиндрическими или призматическими. (прямоугольный) формат.Эти ячейки обычно встраиваются в многоячеечные модули в последовательных и / или параллельных массивах, и модули соединены вместе, чтобы сформировать батарею с требуемым напряжением, при этом каждая струна контролируется системой управления батареями. Электронные подсистемы — важная особенность литий-ионных аккумуляторов, которым не хватает возможностей водных технологий (например, свинцово-кислотных батареи) для рассеивания избыточной энергии. Характеристики безопасности Литий-ионные аккумуляторы в конечном итоге определяются характеристиками системы. дизайн, включая механические и тепловые характеристики, электроника и коммуникации, и алгоритмы управления — независимо от электрохимия.

Как работает литий-ионный аккумулятор и почему они так популярны?

Этот сайт может получать партнерские комиссии за ссылки на этой странице. Условия эксплуатации.

На этой неделе появилось новое исследование Массачусетского технологического института, и, хотя его основные идеи могут показаться слабыми, сам факт подчеркивает, насколько быстро на самом деле развиваются технологии в наши дни.Хотя литий-ионные батареи (LIB) есть во всем мире, правда в том, что мы до сих пор не знаем, как они работают. В частности, по мере того, как ученые испытывают все больше и больше новых материалов для электродов, каждый из них имеет небольшие различия в функциях и характеристиках. Одним из наиболее многообещающих электродных материалов является фосфат лития и железа, и теперь исследователи гораздо лучше понимают, как именно он заряжается и разряжается, что, как мы надеемся, должно указать путь к совершенствованию этих процессов.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Во-первых, нам нужно посмотреть, как в целом работает литий-ионный аккумулятор. Как и любой другой аккумулятор, в его базовой конструкции присутствует электролит («транспортная среда»), переносящий ионы лития туда и обратно между отрицательным электродом и положительным электродом. В полностью разряженных батареях наши мобильные ионы лития будут полностью связаны с положительным электродом — их химические свойства удерживают их связанными с материалом положительного электрода, в то время как в них отсутствуют электроны.Если мы дадим им электроны, закачивая электричество в систему (перезарядка), они естественным образом отделяются от положительного электрода и мигрируют обратно к отрицательному. Когда все они выстраиваются в линию с другой стороны и заряжаются хорошими высокоэнергетическими электронами, мы называем батарею «заряженной».

Это стабильное состояние нарушается, когда мы обеспечиваем путь для электронов, теперь захваченных на отрицательном электроде, для перемещения вниз по градиенту заряда к положительной стороне батареи — это забирает электроны из лития в отрицательном электроде и снова делает их Li + , заставляя их естественным образом мигрировать обратно.Мы можем использовать этот поток электронов с отрицательного на положительный для питания всего, от кардиостимуляторов до электромобилей, и все в конечном итоге сводится к возвратно-поступательному движению ионов. Между прочим, только недавно ученые выяснили, почему слишком большое количество возвратно-поступательных реакций приводит к медленной разрядке батареи.

Почему популярны литий-ионные батареи

Основная причина, по которой вы раньше слышали термин «литий-ионный аккумулятор», — это плотность энергии; установка LIB может вместить много энергии в очень маленькое пространство.Более того, «Li-on» аккумуляторы обеспечивают приличное время зарядки и большое количество циклов разрядки, прежде чем они разрядятся. Если вы используете чистый металлический литий для электродов, вы получите гораздо больше энергии, но не сможете перезаряжаться — в зависимости от вашего выбора электродов вы можете сильно повлиять на производительность батареи. Среди прочего, плотность энергии связана с количеством ионов лития (и, следовательно, электронов), которые электроды могут удерживать на единицу площади поверхности.

На этой диаграмме показано, как зона твердого раствора выстраивается рядом с заряженными и разряженными участками электрода.

В этом исследовании Массачусетского технологического института [doi: 10.1021 / nl501415b — «Наблюдение на месте случайной зоны твердого раствора в электроде LiFePO4»] специально рассматривался материал катода — литий-железо-фосфат. Эти литий-железо-фосфатные батареи многообещающи для всего, от электромобилей (вероятно) до накопителей энергии в сети (что менее вероятно), но когда он был первоначально представлен, LiFePO 4 не показывал больших перспектив в области аккумуляторных технологий. В чистом виде фосфат лития-железа демонстрирует плохие электрические свойства, но он раздроблен на наночастицы и покрыт углеродом, и, похоже, история немного изменится.Невероятный скачок в возможностях при превращении в наночастицы описывается как большой сюрприз для исследователей аккумуляторов и большая победа для нанонауки.

Основная причина ажиотажа по поводу нового нанокатода, помимо его впечатляющих, но не удивительных способностей к хранению и разрядке, заключается в том, что он разряжается при абсолютно однородном напряжении. Это означает, что в аккумуляторные батареи не нужно включать устройства для регулирования этого напряжения, что может сделать их дешевле и меньше, а также позволяет им разряжаться при полном напряжении до полной разрядки.Как мы теперь знаем, он делает это путем создания зоны, называемой зоной твердого раствора (SSZ), буферной области с низкой плотностью лития, которая, кажется, смягчает резкую границу между заряженным (LiFePO 4 ) и разряженным (FePO 4 ) части электрода во время использования. Похоже, что это лежит в основе удивительных свойств материала, и усиление этого SSZ за счет конструкции может продлить срок службы литий-ионной технологии еще дольше.

Технология, похоже, действительно подходит для этого устаревшего стандарта аккумуляторов, и, чтобы идти в ногу со временем, потребуются некоторые серьезные обновления.Они получают их благодаря огромным улучшениям дизайна, которые многообещающи. Тем не менее, все, от улучшенных конденсаторов до супер-батарей на основе хлопка, могло бы вытеснить литий как короля накопителей энергии — мы можем обнаружить, что улучшения в нашем понимании обычных батарей просто слишком поздно.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *