Что_такое_литиевый_аккумулятор

Что_такое_литиевый_аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементов

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

Читайте также:  Сколько_лет_иветти_в_сериале_клон

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Литиевые батарейки

Мир наполнен приборами, игрушками, которые мертвы, если отсутствует источник энергии – батарейка. Гальванический элемент, преобразующий химическую энергию в электрическую, знают все. Одноразовое устройство – батарейка, с возможностью цикличной зарядки – аккумуляторная батарейка. Литиевые источники энергии имеют высокую плотность заряда, работают дольше, выполняют те же задачи, что солевые, алкалиновые.

Устройство и состав литиевой батарейки

Здесь описываются гальванические элементы, работающие на необратимой реакции окисления. Отданный заряд не восстанавливается, батарейка называется одноразовой. Элемент состоит из анода, выполненного из металлического лития, катода из твердых MnO2, Fes2, Cuo, CFx, жидких SO2, SOCl2. Продолжается поиск других солей с высоким сродством к восстановлению. Окислителем выступает активный литий, отдающий электроны. Корпус аккумулятора герметичный, с выводами клемм и их маркировкой. Надпись «do not recharge»- повторно не заряжать, предупредит, что литиевая батарейка одноразовая.

Существует 2 типа батареек по конструкции:

Бобинные литиевые батарейки служат до 20 лет, применяются потребителями, не превышающими запрос в 150 мА. Срок службы элементов до 20 лет.

Спиральные конструкции имеют большую поверхность лития, импульсно дают до 4 А, при постоянном токе — 0,1-1,8 А. Но саморазряд этих устройств достигает 10 % в год от первоначальной емкости. Элементы с любым составом катода выпускают в двух типах. Литиевые батарейки могут быть круглыми, призматическими или в форме таблеток.

Крупными и признанными производителями литиевых батареек считают EVE, Minamoto, SAFT, Robiton, Varta, Tekcell. Небольшие производства есть в Китае.

Свойства литиевых батареек с разными анодными парами

В зависимости от химического состава катода в связке с металлическим литием, меняется емкость и напряжение на клеммах элемента, их саморазряд и способность работать в диапазоне температур.

  1. Li/MnO2 — батарейка литиевая маркируется как «CR». Электролитом является перхлорат лития. Номинальное напряжение 3 В, саморазряд 2,5 % за год, срок годности до 10 лет. Температура рабочей среды -20 +55 0 С. Форма – преобладает таблетка.
  2. Li/CuO, по рабочему напряжению 1,2-1,5 В идентичны щелочным, но заряд она вмещает в 3 раза больше. Рабочий температурный интервал -10 +70. Срок службы 10 лет.
  3. Li/SO2 — одни из самых распространенных видов литиевых батареек. Катод представляет пластификатор с графитом и сажей. Электролитом служит диоксид жидкий с компонентами для электропроводности. Рабочее напряжение 2,6-2,9 В. В конструкции не смогли избежать повышения давления в корпусе и сильный разогрев при КЗ, пришлось ставить предохранитель давления. Литиевые батарейки хорошо работают на морозе до -60 0 и в жару +70 0 , сохраняют заряд до 10 лет.
  4. Li/I2 — тип батарейки без электролита. Химическая реакция 2Li+I2 >2LiI происходит в твердом составе, диффузией. Полученная соль тоже твердая, выступает в роли сепаратора. Работает батарейка до 15 лет, надежны, используются в кардиостимуляторах.
  5. Li/FeS2 – лучшие литиевые батарейки, востребованы, несмотря на высокую цену. Такие элементы работают с устройствами большой мощности, имеют защиту по току, предохранитель, срабатывающий на 85-90 0 и клапан сброса давления. Чаще используются в форм-факторе АА.
  6. Li/CFx – разновидность литиевых батареек, работающих при высокой температуре, до +85 0 . За 10 лет на саморазряд уходит 20 % емкости. Используются в дефибрилляторах, кардиостимуляторах и портативной электронике.
  7. Li/SOCl2 – самая энергоемкая литиевые батарейки. Напряжение без нагрузки больше, чем 3,6 В. При работе поддерживается 3,3- 3,5 В. В качестве электролита применен тионилхлорид, агрессивный компонент. Верхний предел работоспособности +(85-130) 0 С. Нижний – минус 60, но при сильно упавшей емкости элемента. Предусмотрена защита от взрыва в виде термовыключателя, плавких предохранителей и клапана избыточного давления.

Размеры литиевых батареек

Чтобы правильно подобрать нужный источник энергии, необходимо знать его геометрические размеры и форму. Показатели стандартизированы, разберемся в типоразмерах литиевых одноразовых батареек. Используется классификация США.

Знак V (В) H (мм) D (мм) Народное название Маркировка
ААА 1,5 44,5 10,5 мизинчиковая 03 АА 1,5 50,5 14,5 пальчиковая 6 С 1,5 50,0 26,2 дюймовочка 14 D 1,5 61,5 34,2 бочка 20 РРЗ 9,0 48,5 26,5 крона 6/22

Отдельные типы литиевых батареек можно посмотреть на фото.

При выборе литиевой батарейки важна маркировка, по ней можно определить тип элемента. Для литиевой батарейки на корпусе большими буквами будет напечатано CR, на щелочной LR, на солевой R.

Читайте также:  Угловые_двери_в_комнату_фото

Всегда ли литиевые батарейки предпочтительнее щелочных? Изделия отлично работают в любых условиях. Но всегда ли экономически выгодно покупать батарейку литиевую в 5 раз дороже, если на малом токе они превосходит алкалиновые в 1,5-2 раза? Какие лучше, решается в каждом случае, применительно к решаемым задачам.

Необходимо учесть, что запас энергии на всех типах литиевых батареек больше в несколько раз. Чтобы не перепутать устройства, производители делают Li АКБ с особыми выводами.

Литиевые батарейки ААА

Мы рассмотрим одноразовую батарейку с литиевым анодом типа ААА. Компактное устройство имеет пассивный слой на аноде, предупреждающий реакцию. Даже кратковременная подача тока разрушит слой и приведет в негодность батарейку. В отличие от солевых мизинчиковых батареек, литиевые разогреются настолько, что могут взорваться. Зарядка литиевых одноразовых батареек запрещена!

Если замкнуть плюс и минус у литиевой батарейки, она тоже может загореться. Поэтому, необходимо соблюдать следующие правила:

  • провода к контактам не крепят паяльником;
  • батарейку не носят в кармане, где случайно могут быть металлические мелкие предметы;
  • перевозить элементы нужно в специальном чехле или футляре;
  • не оставлять батарейку под прямыми лучами солнца.

Стоит ли покупать литиевую батарейку ААА, которая стоит дороже алкалиновой в 5 раз. Учитывая, что работает она в 7 раз дольше, и легче на 35 %, стоит.

Срок годности литиевых батареек

При правильном хранении, литиевые батарейки АА будут безотказно работать, если их подключить в течение 10 лет. Зачастую, тог саморазряда составляет 2 % в год при хранении в комнатных условиях, t = 20 0 С.

Дату выпуска и срок годности можно найти на корпусе в виде буквенно-цифрового кода. Зашифровано по разному, только в цифрах, 5 знаков означает число, месяц и год (40615), а код 9А14 следует читать 9 января 2014 года. Срок годности вынесен отдельно. Срок годности действителен, если батарейка находится в упаковке и ею никогда не пользовались.

Литиевые или алкалиновые батарейки, какие лучше

Алкалиновые и щелочные батарейки одно и то же. Воспользуемся тестированием специалистами Росконтроля, пальчиковых ААА батареек и сравним их с литиевыми. Так как идеальных элементов на случаи импульсной и постоянной умеренной и слабой нагрузки нет, предлагается определить, где предпочтительнее использовать щелочные, а где литиевые батарейки и какие лучше.

Результаты исследований показали, что для импульсных токовых нагрузок с высокой мощностью лучше купить литиевую батарейку – прослужит столько же, что 3 щелочных, но весит она намного меньше, чем аварийный запас из нескольких другого вида.

В пультах и часах, в детских игрушках оптимально использовать алкалиновые аккумуляторы, по стоимости выгоднее. Малые токи быстро истощают заряд литиевой батарейки, и проработает она почти столько же, что и щелочная.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

Одноразовые литиевые батарейки заряжать нельзя! аккумуляторные батарейки используют со специальным зарядным устройством. Они могут выдержать до 1000 перезарядов, существенно сэкономив бюджет на покупку одноразовых элементов.

Как определить, что перед вами, аккумулятор или одноразовая батарейка? Сведения перед глазами. На аккумуляторе указывается емкость в mAh, на литиевой батарейке такой информации нет. Намекнет на аккумулятор цена, она высокая. На изделии обязательно найдется маркировка «rechargeable» — перезаряжаемая.

Если вы профессионально работаете с фотовспышкой и другой мощной аппаратурой, купите плоскую полимерную или цилиндрическую заряжаемую литиевую батарейку. Это выгоднее, чем приобретать в большом количестве одноразовые элементы.

Зарядное устройство для литиевых батареек

Не всяким устройством можно заряжать литиевые батарейки. Лучше купить специальное, которое само ведет 2 этапа зарядки, выводит на дисплей текущие показатели и во время отключит аккумулятор от питания. Как заряжать литиевую батарейку, если она полимерная? Различий нет, принцип действия у них один. Стоит такой зарядник недорого, около 20$, хорошо, если функция измерения емкости в наличии.

Любой зарядник должен преобразовать, стабилизировать сетевое напряжение, воздавая на выходе 5 В. Сила тока регулируемая 0,5 -1,0* С. С – емкость батареи в А-ч, МА-ч, в цифровом выражении. Зарядка предусмотрена по ускоренной схеме, до 80 % от емкости и по полной схеме, в 2 этапа, примерно около 3 часов. После полного набора энергии зарядник отключается.

Видео

Все разнообразие литиевых современных источников энергии и о том, как заряжать литиевую батарейку представлено на видео.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементов

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

Читайте также:  Яркие_стулья_в_интерьере_кухни

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector