Литий-полимерный аккумулятор: отличие от ионного, срок службы, устройство. Li-pol или Li-ion: какой лучше. Литий ионный автомобильный аккумулятор


Литий полимерный аккумулятор: плюсы и минусы, выбор

Полимерный аккумулятор – модернизированная разновидность литиевых источников питания. В качестве наполнителя для литиево-полимерной батареи используется специальный гель, обладающий определенными особенностями.

Для того чтобы решить, стоит ли пользоваться li pol усовершенствованными аккумуляторами, нужно изучить определенную информацию, учесть преимуществ и недостатки.

Литиево-ионные и литиево-полимерные аккумуляторные батареи

Работоспособность оборудования, портативного устройства или установки во многом зависит от того, насколько правильно подобран источник питания. Так, для комплектации портативных зарядников используется литий ионный или литий ионный полимерный аккумулятор. Для того чтобы сделать правильный выбор, нужно знать, различие в чем. Обязателен учет плюсов и минусов источников питания.

Интересное видео про литиево-полимерные акб.

Литиево-ионные аккумуляторы

Демонстрация первых ионных аккумуляторов произошла еще в прошлом столетии. Тогда разработчики представили модели, электроды в которых были подготовлены из металлического лития. Они отличались низким уровнем безопасности, непродолжительной эксплуатацией. Поэтому металлический литий и заменили ионами li.

Модернизированная литиево-ионная акб имеет такие преимущества:

  • Повышенная емкость, плотность электролита.
  • Возможность эксплуатации при более высоком напряжении.
  • Простота обслуживания из-за отсутствия эффекта памяти.
  • Минимальный саморазряд.

Продолжительность эксплуатации ионной батареи зависит и от того, учтены ли недостатки:

  • Необходим постоянный контроль уровня напряжения, тока и температуры. Для этого требуется специальный контроллер. Именно этим и отличаются ионные акб от полимерных.
  • Постепенное уменьшение емкости.
  • В состав должна быть введена проверенная защитная схема, контроллер с необходимыми компонентами. Такие работы требуют определенных материалов, инструмента. Процедура изготовления защитной схемы занимает определенное время. Все это приводит к увеличению стоимости li ion po батареи в 1,5–2 раза.

Литиево-полимерные аккумуляторные батареи

К разработке литий полимерной качественной аккумуляторной батареи приступили из-за того, что уровень безопасности ионных источников питания был невысок. В результате, производители получили акб, которые обладают особыми преимуществами в отличие от li.

Вместо стандартного электролитического состава применяется полимерный сухой электролит, представленный в виде пленки. Он не проводит ток, не препятствует обмену заряженными частицами. В отличие от ионного источника питания в устройство полимерного аккумулятора не введен и пористый сепаратор.

Благодаря тому, что используется такая конструкция, уровень безопасности li pol бытовых аккумуляторов более высокий. Ведь вероятность воспламенения сведена к нулю.

Полимерный электролит хорошо поддается обработке. Поэтому производители легко создают li ion polymer аккумулятор требуемой формы, оптимальной конфигурации. Поэтому такие источники питания используют в телефонах, ноутбуках, портативной технике, видеокамерах.

К сожалению, литий ионные полимерные батареи выделяются невысокой электропроводностью. Ее уровень повышается лишь при нагревании. Но подобный эффект допустим не всегда. К примеру, нагрев батареи не допускается, если отсутствует система охлаждения.

Уровень сопротивления li ion polymer аккумуляторов высокий, поэтому требуемую величину тока получить достаточно сложно. Из-за этого современные аппараты такими источниками питания комплектоваться не могут.

Но вышеперечисленные проблемы присущи только тем li ion poly источникам питания, в которых электролит представлен в сухом виде.

Модернизированные литиево-полимерные АКБ

Проблема, связанная с недостатком электропроводности, была решена за счет введения определенных компонентов в электролит. Теперь выпускают полимерные аккумуляторы, электролит в которых представлен в виде геля. Такие источники питания называются литиевыми ионными полимерными аккумуляторами. Ими оснащают наилучшие мобильные телефоны, зарядные и портативные устройства.

Аккумуляторные полимерные батареи встречаются повсеместно, какая бы техника ни была представлена.

Принципиальные отличия

Что же выбрать: li ion или аккумулятор li polymer? Обе конструкции обладают схожими характеристиками, параметрами. Отличие заключается в наличии твердого электролита в li ion pol аккумуляторах.

Модернизированный ли ионный полимерный аккумулятор не комплектуется пористым сепаратором. Он выделяется увеличенной емкостью, продолжительным периодом эксплуатации, повышенной электропроводностью.

Решая, какой аккумулятор лучше для телефона, производители учитывают конструктивные особенности, а также типов pol и li разницу. При этом чаще всего они используют ion li polymer акб, которые обладают всеми преимуществами.

Особенности использования литиевых АКБ

Использование li ion и li ion pol осуществляется по схожему принципу. Для предотвращения проблем нужно:

  • Поддерживать в течение всего периода эксплуатации напряжение в 4,2–2,7 В. Данные показатели соответствуют максимальному и минимальному заряду.
  • Учет введенных производителями ограничений напряжения. Для тщательного контроля допускается использование проверенных схем.
  • Срок эксплуатации заряжаемых до 45–46% pol или li аккумуляторов наиболее продолжителен.
  • Введение в состав ли ионных полимерных аккумуляторов контроллеров способствует поддержанию приемлемого уровня напряжения.

Правила зарядки литиево-полимерных аккумуляторных батарей

Для увеличения времени работы акб без дополнительной подзарядки нужно учитывать правила эксплуатации зарядки.

  1. Недопустим полный разряд. Полимерные аккумуляторы не обладают эффектом памяти. Поэтому использование зарядного устройства допустимо и при небольшой разрядке. Для продления срока использования li ion po аккумулятор нужно заряжать чаще. При этом применять нужно «родное» зарядное устройство.
  2. Постоянно использовать батарею, которая полостью заряжена, вредно. Поэтому с определенной периодичностью источник питания необходимо разряжать до нуля. Обусловлено нестабильностью зарядки, использованием различных схем и устройств. При периодической разрядке исключается вероятность образования нижних, верхних порогов.
  3. Неэксплуатируемые li ion po источники питания хранятся при температуре 15–20 градусов. Уровень заряда должен составлять 40%. Полностью заряженный источник питания хранить не стоит. Ведь это чревато потерей емкости, ухудшением показателей.
  4. Для зарядки литий ионных полимерных аккумуляторов применяются оригинальные зарядники. Некоторые мобильные телефоны оснащены встроенными зарядными устройствами. Отдельно же поставляется внешний адаптер, способствующий стабилизации напряжения. Часть техники такими устройствами не укомплектована. Поэтому для зарядки акб изымается.
  5. Полимерные аккумуляторы запрещено перегревать. Даже превышение на 1–2 градуса пагубно сказывается на состоянии источника питания. Негативное влияние оказывают и низкие температуры. Поэтому пользоваться аккумулятором нужно только в допустимом режиме.
  6. Запрещена эксплуатация источников питания в непосредственной близости от обогревателей. На аккумулятор не должны попадать прямые лучи солнца. Ведь все это способствует сокращению периода использования.
  7. Небезопасно применение зарядных устройств, которые не прошли сертификацию. Так как заряжать аккумуляторную батарею? Лучший выход – применение проверенных и сертифицированных зарядных устройств, которые рекомендованы производителями.
  8. Все используемые разъемы должны совпадать по размерам. Только так исключается вероятность замыкания аккумуляторной батареи.
  9. Температура источника питания должна постоянно отслеживаться. Это особо важно, если в наличии нет системы охлаждения.
  10. Механические нагрузки запрещены. Это может спровоцировать образование микротрещин, других повреждений.

Видео про восстановление литиево-полимерных акб.

Перед использованием универсального зарядника необходимо:

  • Сопоставить технические параметры.
  • Проверить показатели емкости. При использовании зарядных устройств с ограничениями, сложно будет зарядить источник питания.
  • Удостовериться в работоспособности зарядника. Ведь китайские изделия могут иметь дефекты.

При необходимости можно проверить, старый аккумулятор как будет заряжаться.

Хранение и утилизация полимерных аккумуляторных батарей

Период эксплуатации ли ионных полимерных аккумуляторов зависит от соблюдений правил хранения.

  1. Первичные источники питания не требуют особых условий хранения. Достаточно выполнять рекомендации изготовителей.
  2. Извлеченную из устройства аккумуляторную батарею располагают на сухую поверхность. При этом необходимо свести к минимуму вероятность попадания солнечных лучей на поверхность источника питания.
  3. Вероятность замерзания увеличивается, если акб находится в разряженном виде. Поэтому для хранения подбираются помещения с требуемыми условиями.
  4. Хранить полимерные аккумуляторы нужно с небольшим зарядом (40–50%).
  5. Эксплуатировать и хранить литиево-полимерные батареи, у которых напряжение постоянно понижается, не стоит. Такие устройства подлежат утилизации.
  6. После длительного хранения источник энергии необходимо осматривать. Поврежденные или вздутые акб стоит заменить.

Электрохимическая система полимерных акб безвредна. Ведь при подготовке учитывались экологические нормы, требования. Но утилизацию вышедших из строя устройств проводят обязательно. Такие действия способствуют сохранению окружающей среды. Вышедшие из строя источники передаются в соответствующие организации в предписанном порядке.

Модернизированные литиево-полимерные аккумуляторные батареи постепенно вытесняют традиционные источники питания. И обусловлено это немалыми возможностями, техническими характеристиками и повышенным уровнем безопасности.

Видео про литиево-полимерные аккумуляторные батареи

Рекомендуем статьи на похожие темы

akbzona.ru

как правильно заряжать, чтобы не испортить

Очень часто в мерах предосторожности многие люди задаются вопросом: «Как функционируют li-ion аккумуляторы, как правильно заряжать такие устройства?». Жизнь в современном мире практически невозможно представить без различных электронных приспособлений и техники — от простых фонариков, ставших незаменимыми практически для каждого человека смартфонов до массивных автомобилей и грузовиков. Каждое из этих устройств работает благодаря зарядным устройствам различных типов.

Самый распространенный вид аккумуляторов — литий-ионные, получившие популярность благодаря компактности и высокому уровню энергосбережения. Стоит отметить прекрасное соотношение цены и качества: аккумуляторы недешевы, но имеют более длительный срок службы. А поскольку такие зарядные устройства распространены особенно широко, то необходимо иметь понятие о том, как нужно заряжать литий, также стоит разобраться в схемах их конструкции. Разберемся во всем по порядку.

История создания и прототипы нынешних зарядных устройств

Впервые литиевые батареи начали производить в самом начале прошлого столетия — в далеком 1912 году. Тогда же были и созданы их первые схемы. Однако в бытовых приспособлениях они нашли свое место лишь спустя 60 лет. Стоит подчеркнуть, что это были именно батареи. Первые же попытки создания литиевых аккумуляторов оканчивались провалами в связи с появлением затруднений в осуществлении их безопасной эксплуатации.

Первые аккумуляторы данного типа действительно представляли существенную опасность, если не угрозу, человеческим жизням. Это вполне объяснимо по следующей причине: из всех существующих металлов литий признан наилегчайшим с максимальным электрохимическим потенциалом и обеспечением максимальной энергетической плотности.

Удивительно емкие зарядные устройства, работающие на литии, обеспечивают высокое напряжение, в то же время циклическая работа приборов, работающих на литии, способствует выходу тепловой кондиции за пределы. В таких случаях происходит возгорание исходящих газовых веществ, из-за чего, например, в 1991 году многие японцы пострадали от ожогов по вине воспламенения.

Безопасная альтернатива

Выяснив опасность чистого лития, исследователи решили обратить внимание на ионные аналоги. Разумеется, энергетическая плотность ионных аккумуляторов относительно уступала своим чисто литиевым аналогам, так же, как и никель-кадмиевым приспособлений с повышенным током заряда. Однако благодаря своей безвредности они получили определенное преимущество.

На этом преимущества ion-аккумуляторов не заканчиваются. Аккумуляторы, работающие на ионах лития, обладают пониженным саморазрядом и повышенным напряжением единичного элемента, что делает конструкцию заметно проще. А сравнительно небольшое количество расходов на использование и сервис избавляют от необходимости регулярных разрядных циклов для емкостного восстановления.

Однако здесь, пожалуй, и заканчиваются все достоинства аккумуляторов, работающих на ионах лития. В связи с этим стоит перейти к описанию недостатков аккумуляторов данного типа.

Слабые стороны ионных аналогов

Требуемая для ion-аккумуляторов встроенная протекционная система влечет за собой дополнительные расходы. Помимо этого, даже в случае нахождения в бездействий литий-ионные зарядные устройства обладают старением. Однако разработчики не разглашают сведений об этой проблеме по естественной причине.

Пытаясь найти решение для всех вышеперечисленных проблем, после долгих раздумий запустили в производство полимерные аккумуляторы.

Полимерные аналоги

Li-pol аккумулятор получил такое название не случайно. Дело в том, что здесь применяется сухой жесткий полимер, по своей форме напоминающий пластиковую пленку и пропускающий электрический ток.

Такой тип конструкции очень удобен в связи с тем, что делает производственный процесс проще и по сути несет меньше вреда за счет отсутствия риска воспламенения. При этом возможно создавать тонкие миллиметровые устройства какой угодно формы, которые можно внедрить практически во что угодно.

Слабые стороны

Однако pol-аккумуляторы имеют и слабую сторону. Негативный аспект, который бросается в глаза, — недостаточная электропроводимость при условии содержания в помещениях с комнатной температурой. Когда температура нагрева превосходит 60°С, происходит увеличение электропроводимости до нужной степени. Однако о массовой эксплуатации здесь не может идти и речи.

Как можно самостоятельно создать приспособление для зарядки

Многие люди считают, что создание аккумуляторов своими руками — это дело рук исключительно профессионалов. Отчасти они правы, поскольку не каждому возомнившему себя новым Николой Тесла человеку под силу это сделать, не нанеся при этом ущерба никому, включая себя.

Однако сконструировать такое подобие аккумулятора можно и своими руками следуя специальной схеме. Возможно, кто-то скажет, что только рабочие соответствующих профессий обладают этой нужной вещицей. На самом деле их можно легко найти — нужен всего лишь интернет для этого.

Правила зарядки аккумулятора с ионами лития

Сейчас же стоит, наконец, перейти к вопросу, задаваемому в начале статьи: какими правилами эксплуатации нужно руководствоваться, чтобы знать, как зарядить li-ion аккумулятор? Иными словами, как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, чтобы не совершить никаких ошибок и не навредить ни зарядному устройству, ни своему электронному помощнику, ни, что самое главное, самому себе?

Первое правило: Нет смысла в переразрядке

Для начала нужно помнить, что нет необходимости в тотальной разрядке аккумулятора в связи с отсутствием в них «эффекта запоминания».

Второе правило: Тотальная разрядка нужна раз в квартал

Необходимость в тотальной разрядке все-таки существует, но исключительно раз в 3 месяца. Это следует делать потому, что ошибка, совершаемая многими людьми, а именно — нестабильная зарядка с отсутствием регулярного цикла, может дать сбой зарядов контроллера. Одного раза тотальной разрядки будет вполне достаточно для продолжительной работы приспособления — ни больше, ни меньше этого.

Третье правило: Не нужен — не надо заряжать

В тех случаях, когда устройство не нужно для использования, его желательно зарядить на 30% либо же ровно до половины и отложить туда, где температура равна 15°С. Это поможет сохранить батарею надолго с отсутствием значимого урона.

Четвертое правило: Нужно заряжать оригинальными приспособлениями

Ни для кого не является секретом тот факт, что, например, у мобильных телефонов и планшетов зарядное устройство находится внутри. Однако аккумуляторы как фотоаппаратов, так и видеокамер требуют изъятия и зарядки во внешнем приспособлении, потому как сторонняя «зарядка» способна пагубно повлиять на их состояние и, как следствие, дальнейшую работу.

Пятое правило: Не перегревать ионные аккумуляторы

Аккумуляторы портятся под влиянием высоких температур. Холод, разумеется, также негативно влияет на них, однако это гораздо менее существенно. Данные аспекты нельзя оставлять без внимания при использовании батарей с ионами лития. Их ни в коем случае нельзя оставлять под прямыми лучами солнца и неподалеку от тепловых источников. Температурный диапазон, при котором можно хранить аккумулятор, находится между -40 и +50°С.

Шестое правило: Не использовать «лягушку» в качестве зарядного устройства

Многим известно, что применение несертифицированных приспособлений для зарядки рискованно и небезопасно. Это предупреждение касается и производимых в Китае «лягушек»: риск применения таких приспособлений заключается в их способности вспыхивать и возгораться во время процесса зарядки.

Поэтому если уж и применять «лягушку» в качестве зарядного устройства, то исключительно при крайней необходимости и с предельной осторожностью. В противном случае это может плохо окончиться — например, уничтожением аккумулятора смартфона или даже пожаром.

И, наконец, последний вопрос: каким током заряжать литий-ионные устройства? При данном процессе применяется способ «постоянного тока», что ограничивает аккумуляторное напряжение. Говоря о том, как нужно правильно заряжать li-pol аккумуляторы, необходимо понимать, что их желательно отсоединить от зарядного устройства при 80 процентах заряда — тотальные разрядка и первая зарядка не приведут к примечательной результативности. А чтобы устройство служило дольше, важно знать, как правильно заряжать аккумулятор еще нового телефона.

batteryk.com

Срок службы литий ионных аккумуляторов и способы его увеличения

Наверняка многим известны преимущества литиевых источников питания: не требующая обслуживания компактная батарея с пониженным саморазрядом и высокой энергоемкостью нашла широкое применение в ноутбуках, телефонах, смартфонах и прочих умных устройствах. Однако, как и прочие источники, литий-ионные батареи обладают своим рядом недостатков и все же нуждаются в особых условиях хранения. В этой статье пойдет речь о том, каков срок службы литий ионных аккумуляторов и как увеличить период их работоспособности.

Правила для долгой жизни Li-Ion батареи

Рассмотрим, как продлить срок службы аккумулятора телефона и любой другой цифровой техники, работающей на источнике этого типа.

Избегать тотальной разрядки

Используемые ранее в электронных девайсах батареи обладали «эффектом памяти», из-за которого было необходимо разряжать аккумуляторы до нуля, а после — заряжать полностью, чтобы они не разряжались слишком стремительно. Однако современных литий-ионных и литий-полимерных батарей это не касается.

Если устройство разряжается полностью лишь изредка, это не понесет за собой особых последствий. Однако постоянная глубокая разрядка для такого вида аккумуляторов губительна, поэтому не рекомендуется разряжать литий-ионные источники питания ниже, чем на 45%.

Зарядные циклы

На срок работоспособности телефонной батареи также влияют зарядные циклы, то есть количество зарядов на определенный процент.

Утверждают, что литий-ионные аккумуляторы в среднем могут «прожить» до 500 циклов, однако это при учете тотальной разрядки: чем выше процент оставшегося заряда перед началом процесса заряда, тем дольше будет работать девайс. Подробнее о том, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы →

Избегать перегрева

Жара и мороз негативно влияют на литиевые источники питания, при этом жара губит их даже сильнее, чем мороз. Поэтому лучше всего держать их при температуре +15°С в темном месте.

Применение и долговечность

Литий-ионные аккумуляторы считаются самыми лучшими и, соответственно, самыми дорогими из всех существующих. Они, как уже было сказано ранее, широко используются в качестве аккумулятора ноутбука, смартфонов и многих других незаменимых в жизни гаджетов. Изъяны в аккумуляторной батарее такого типа найти действительно сложно, но они имеются.

Главным образом в качестве существенных недостатков выступают чувствительность в полному заряду и разряду в ноль, а также взрывоопасность в случае повреждения корпуса.

О сроке работоспособности приспособления ходят споры, в основном считается, что на данный момент срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет от семи до десяти лет. Этот результат куда лучше, чем у ранних прототипов, ведь ранее срок службы Li-Ion аккумуляторов составлял ничтожных три года максимум.

Некоторые люди, полагая, что такой срок чрезмерно мал, идут на различного рода хитрости для продления жизни своего драгоценного девайса и увеличивают период работоспособности своих ноутбуков, смартфонов, телефонов и прочих гаджетов, продлевая длительность жизни самим литий-ионным приспособлениям.

Должное хранение и «рецепт» долгоживущих Li-Ion батарей

Если говорить не о продлении жизни устройства, когда максимальные десять лет уже истекли, а о надлежащем хранении приспособления, нужно помнить несколько значимых правил:

  • Li-Ion АКБ нужно хранить в температурном диапазоне от +5 до +25°С, поскольку приспособления такого типа не переносят слишком низких и слишком высоких температур — это чревато остановкой работы и быстрым саморазрядом.
  • Необходимо держать устройства вдали от открытого пламени.
  • Батарея не подлежит разборке.
  • Физические удары и сильная вибрация способны погубить важную деталь девайса, поэтому подвергать его таким испытаниям нельзя.
  • Это же касается и попадания влаги.

О жизни аккумуляторов ноутбуков

А как быть обладателям ноутбуков? Какими способами они могут сохранить важную деталь своего «помощника»?

Для них также существует ряд правил, чтобы приспособление исправно служило в течение долгого времени:

  • Работу нужно производить от сети, отсоединяя питание.
  • Неработающая запчасть стареет, поэтому ей необходимы тотальные разрядка и зарядка хотя бы раз в пять дней.
  • Лучше не отсоединять питание при заряде ниже 80% и не разряжать девайс до планки ниже 20%.
  • Важно хранить ноутбук подальше от солнца и не заслонять процессор с вентиляцией.

Наверно, каждый второй сравнивает аккумулятор ноутбука с обычным расходным материалом, из разряда «что-то не так с батареей — бегу покупать новую». Аккумуляторы способны менять свои свойства. Они могут потерять свои первичные качества под воздействием массы факторов — от высокой температуры хранения и использования до преклонного возраста самой АКБ.

На деле батарея может испортиться намного раньше положенного срока. Правда, везде бывают исключения: ноутбуки Apple MacBook оснащаются литиевыми аккумуляторами, рассчитанными на более чем 1000 циклов разряд/заряд, и работают без перебоя от 2 до 5 лет. Сравните: обычные Li-Ion АКБ для ноутбуков выдерживают лишь 300 циклов и служат максимум 2-3 года. А потом перед их владельцами стоит выбор — или заняться восстановлением аккумулятора ноутбука, или отправить его на утилизацию.

Как продлить срок службы Li-Ion батареи

На самом деле, продлить жизнь запчасти и, соответственно, ноутбуку, смартфону и прочим устройствам не представляет особой сложности. К примеру, в этом плане повезло обладателям смарфонов на Андроиде. Для них, пожалуй, будет легче всего провести подобную процедуру. Мало того, есть несколько таких способов.

Во-первых, обладатели Андроида могут произвести калибровку девайса. Проще всего эту процедуру можно запустить с помощью приложения «Battery Calibration» — донельзя легкого в использовании благодаря пошаговому руководству. Хотя сами разработчики приложения утверждают, что без root прав процедура не осуществима, к тому же, считается, что к калибровке как таковой «Battery Calibration» не имеет никакого отношения.

Но и тут нет смысла унывать, провести калибровку аккумулятора на Андроиде можно и без скачивания каких-либо приложений.

Нужно лишь следовать достаточно простому алгоритму:

  • Включить девайс и затем подключить к нему питание на восемь часов как минимум.
  • По прошествии времени отключить гаджет от блока питания.
  • Выключить его и дать зарядиться в течение еще одного часа.
  • Повторить второй пункт.
  • Включить устройство заново на две минуты.
  • Повторить третий пункт.
  • Убрать подачу питания и запустить девайс.

Android обладает возможностями экономии энергии, которых с каждым разом становится все больше. Резким толчком в сторону прогресса в этой области послужил появившийся в Marshmallow инновационный алгоритм засыпания Doze Mode. Он начинает свою работу спустя полчаса-час нахождения устройства в состоянии покоя (при условии, что оно отключено от зарядного устройства и лежит неподвижно). Приложения на смартфоне отправляются в глубокий сон на 1, 2 и 4 часа.

Однако версия для Android Nougat 7.0 работает куда лучше: устройство «засыпает» раньше, и совершенно не важно, находится оно в движении (например, в кармане идущего человека) или нет. Также Doze Mode невозможно отключить, он постоянно будет включаться при случае.

Проще говоря, можно сделать элементарный вывод о том, что более новая версия Android увеличивает длительность работоспособности девайса, поэтому не стоит колебаться по поводу обновления операционной системы, если это возможно.

Во многом продолжительность жизни и качество работы литий-ионного аккумулятора зависит от вашего к нему бережного отношения и соблюдения условий хранения, правильной зарядки и эксплуатации. АКБ в состоянии глубокого разряда можно даже воскресить, но проработает после такого восстановления литий-ионный аккумулятор недолго.

batteryk.com

Литий-полимерный аккумулятор: отличие от ионного, срок службы, устройство. Li-pol или Li-ion: какой лучше

Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения никель-кадмиевых аккумуляторов NiCd более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же литий-ионных батареях важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока катод и анод соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чем главное отличие от ионной батареи?

Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.

Срок службы литий-полимерного аккумулятора

В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.

Недостатки

Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать – Li-pol или Li-ion, - не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

Оптимальный метод зарядки

Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос – как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.

Меры предосторожности

В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания – разумеется, при условии поддержания их герметичности.

Какой аккумулятор лучше – Li-pol или Li-ion?

Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.

Заключение

Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.

stateiki.com

Литий-ионный аккумулятор: строение, эксплуатация, хранение

Литий-ионный аккумулятор представляет собой вторичный химический источник тока и на современном этапе является самым распространенным видом АКБ. Его устанавливают во всех ноутбуках, планшетах, мобильных телефонах и прочей технике. Номинальное напряжение такого элемента питания составляет 3,7-3,8 В, максимальное — до 4,4 В, а минимальное — от 2,5 до 3,0 В.

Из истории создания

Li-ion аккумуляторы впервые появились в начале 90-х годов. Ведущим их производителем изначально стала компания Sony. В состав такой батареи входят два электрода. Катод помещен на фольгу из алюминия, а анод расположен на фольге из меди. Между электродами помещены разделители (сепараторы), содержащие жидкий или гелеобразный электролит. Ионы лития c зарядом «+» являются носителями тока, ионами, способными проникать в другие химические элементы, давая, тем самым, ход электрохимической реакции, обеспечивающей питание того или иного устройства.

Литиевые аккумуляторные батареи прошлого поколения «славились» повышенной взрывоопасностью по причине использования в них анода металлического лития и возникновения газообразных химических соединений внутри АКБ. При множественных циклах «заряда-разряда» могло произойти замыкание, а затем и взрыв литиевого аккумулятора. Взрывы случались и по причине того, что ионы лития вступали в опасную реакцию с другими веществами, входившими в состав батареек.

Когда химическое вещество для анода окончательно заменили графитом, это удалось полностью исправить. Кстати, все современные устройства для зарядки, посредством которых батарейки получают электропитание, предохраняют их от перегревания и «перебора» тока. В литий-феррум-фосфатных АКБ этот серьезный недостаток полностью устранен. Однако для разработки безопасных аккумуляторных устройств понадобилось около 20 лет.

Во избежание самовозгорания литиевой батареи при ее зарядке производители стали встраивать в корпус контроллер заряда аккумуляторов. Контроллер регулирует температуру внутри АКБ, глубину разрядки и количество потребляемого тока. Но не все литиевые аккумуляторы снабжены контроллером. Часто производитель не устанавливает его — в целях экономии и увеличения емкости. Именно по этой причине некоторые батареи вздуваются и взрываются до сих пор.

Однако, в отличие от своих предшественников в виде никель-кадмиевых и никель-металлогидридных элементов питания, ионные аккумуляторы имеют гораздо лучшие характеристики. Низкий уровень саморазряда в таких батареях обеспечивает их более длительный срок годности, а высокая емкость позволяет им работать гораздо дольше. К тому же ни одному литиевому элементу не требуется дополнительное обслуживание, а при окончательном выходе из строя лучше его не восстанавливать, а заменить.

Как правильно эксплуатировать и хранить литий-ионный аккумулятор

Важно следить за тем, чтобы в батарее всегда находилось хотя бы минимальное количество заряда. Любую ионную батарейку нельзя доводить до полного разряда. Если она не используется и будет полностью разряжена, это приведет к короткому сроку ее службы. На сохранность АКБ сильно действует температурный фактор. Не заряжайте и не храните литиевые аккумуляторы при чрезмерно высоких и низких температурах, так как показатель их емкости быстро начнет падать.

Li-ion чувствительны к перемене напряжения. Если U в зарядном устройстве повысить даже незначительно (например, всего на 4%), АКБ будет терять емкость с каждым циклом «заряда-разряда».

Лучшие условия хранения Li-ion: заряд должен составлять, как минимум, 40% от емкости ионного элемента, а температура — от 0 до +10°С.

Несмотря на все положительные характеристики, приобретать Li-ion впрок не имеет смысла: батарея за 2 года теряет около 4% своей емкости. Во время покупки обязательно нужно обратить внимание на дату изготовления. Если с момента производства прошло больше времени, такой аккумулятор покупать не рекомендуется.

Обычный срок хранения АКБ — 2 года, но сейчас фирмы-производители изобрели способ, позволяющий хранить их более длительное время. В батарею добавляется специальный консервант, позволяющий хранить ее больше двух лет. При наличии консерванта в электролите перед первым использованием АКБ следует полностью разрядить, проведя ей своеобразную тренировку в виде двух или трех циклов «заряд-разряд». При таком расконсервировании электролит в аккумуляторе постепенно распадается, и батарея выходит на свой обычный уровень емкости.

Если с литиевыми элементами этого не делать, АКБ приобретет «эффект памяти», а далее, поскольку консервант до сих пор находится внутри, при подаче заряда и увеличении аккумуляторного тока он начнет быстро распадаться, и может произойти вздутие аккумулятора.

Если с ионными АКБ обращаться внимательно и аккуратно, соблюдая все условия хранения, при правильной эксплуатации они будут служить долго, а уровень емкости в таких аккумуляторах длительное время останется на высоком уровне.

Литий-полимерный аккумулятор как альтернатива Li-ion

Полимерные аккумуляторы — это усовершенствованный вариант литий-ионных. Технический прогресс не стоит на месте, и сейчас они уже рассматриваются как серьезная альтернатива предыдущим АКБ на литиевой основе. Целью создания батарей на основе полимерных материалов стало, прежде всего, возможное устранение недостатков Li-ion в виде высокой стоимости и повышенного риска самовозгорания.

Главное отличие полимерного аккумулятора от Li-ion заключается в том, что в качестве электролита при его изготовлении используются не жидкость или гель, а твердые полимеры. Смена электролита является большим достижением, потому что такие батареи более безопасны, и теперь можно гораздо меньше думать о потенциальном взрыве при их эксплуатации.

Твердые материалы и раньше выполняли серьезную роль в плане проводимости тока — например, с помощью пленки из пластика, а их использование внутри Li-pol аккумулятора вместо пористого разделителя двух его полюсов, пропитанного жидкостью, стало значительным шагом вперед.

Li-pol аккумулятор также имеет улучшенные характеристики в плане удобной формы, так как полимеры дают возможность получать разные размеры и виды таких батарей. Минимальная толщина, которой обладают полимерные аккумуляторы, может составлять всего 1 мм.

Наряду с отличиями, есть и сходства между Li-ion и Li-pol. Большей частью, это означает, что не все недостатки устранены, и возможности дальнейшей работы производителей еще не исчерпаны до конца. Например, между ними нет особой разницы в сроках службы и проблеме «старения» в случае, если они не используются.

Полимерные аккумуляторы, как и Li-ion, применяются в сотовых телефонах, радиоуправляемой технике, портативных электрических инструментах, например, в электродрелях и шуруповертах.

Некоторые производители полимерных АКБ утверждают, что у них отсутствует эффект памяти, а также они якобы могут работать в более широком температурном спектре: от -20 до +40-60°С, что делает возможным их применение, эксплуатируя в условиях жаркого тропического климата. Поскольку опасность самопроизвольного возгорания устранена еще не до конца, полимерные аккумуляторы, как правило, снабжены встроенной электросхемой, предупреждающей перезаряд и перегрев.

Как восстановить Li-ion аккумулятор

Несмотря на то, что срок службы многих современных АКБ достаточно долгий, приходит время, когда заряд любого химического источника тока истощается. Емкость падает, и АКБ уже не может работать долго и исправно. Особенно, если разряженный источник питания долго хранился без подзарядки. Существует несколько распространенных способов вернуть его к жизни. Восстановленная батарея будет работать недолго, но это поможет выиграть время до ее замены.

В Интернете описываются самые неожиданные и порой абсолютно нелогичные методы восстановления Li-Ion АКБ. Например, есть статьи о том, что можно эффективно раскачивать батарею, если заряжать и разряжать ее несколько раз подряд. Безусловно, это миф, и применять такой «способ» не стоит. Также на одном из популярных форумов описывается реальный жизненный пример о том, как один человек раскачивал батарею, положив ее в холодильник. Она вздулась до огромных размеров и лопнула после того, как была изъята из морозилки — естественно, от перепада температуры.

На серьезный вопрос о том, как действительно раскачать заново батарею сотового, можно дать простой и ясный ответ: взять любую аккумуляторную зарядку с напряжением 5-12 В и резистор сопротивлением от 330 Ом до 1 килоОм. Схема подключения предельно проста: «минус» источника питания подсоединяется к «минусу» аккумулятора, а «плюс» — к «плюсу, через резистор. Теперь нужно включить зарядное устройство в сеть и регулярно проверять рост напряжения с помощью мультиметра в течение 10-15 минут. Напряжение постепенно растет, и при достижении его числа приблизительно в 3,31 В телефон «находит» батарею и принимает ее.

Раскачка Li-ion, отключенного контроллером, с быстрым приведением АКБ в рабочее состояние тоже возможны. В данном случае, при замерах текущего напряжения его показатель будет равен около 2,5 В. Аккумулятор «жив» и может еще поработать некоторое время, хотя, на первый взгляд, он выглядит почти разряженным. Восстанавливаем его так: для этого понадобятся «народный зарядник» Imax B6 и мультиметр. У АКБ отпаивается защитная схема, она подключается к Imax. А как проверить напряжение — уже понятно: оно всегда контролируется мультиметром.

Раскачиваем АКБ максимально осторожно. Программа заряда ставится на Li-Po, режим зарядки выбирается в зависимости от вида АКБ: для Li-ion — 3,6 В, либо 3,7 В для Li-pol. Важно: в процессе восстановления выставить параметр Autо — без него запуск не начнется по причине низкого заряда АКБ. Значение тока выбирается с помощью кнопок «+» и «–». 1 А — это самый безопасный и оптимальный ток для раскачки.

Когда напряжение достигнет 3,2-3,3 В, АКБ начнет свою полноценную работу.

Можно ли починить вздутую батарею

На эту тему в Интернете есть большое количество популярных статей и даже видео типа «Восстанавливаю вздувшиеся батареи простым способом». Далее следует описание или съемка процесса разборки АКБ, протыкание ее иголкой или шилом с целью «выпустить газы», чтобы затем вставить аккумулятор обратно в телефон.

К сожалению, незадачливые авторы подобных видео и публикаций не объясняют людям, почему аккумулятор вздулся, а смело приступают к весьма сомнительным действиям, которые могут быть небезопасными как для человека, так и для устройства, в которое помещается такая батарея.

«Тренировать интеллект» и заниматься подобным восстановлением настоятельно не рекомендуется. Следует понимать, что любой литий-ионный аккумулятор — это, прежде всего, источник химических реакций, которые могут быть и токсичными, и взрывоопасными.

Вздутие АКБ может произойти как вследствие нарушения химических процессов внутри нее по причине заводского брака, так и по вине владельца гаджета, если эксплуатация была неправильной.

Если, к примеру, дешевый аккумулятор вздулся по причине дефекта при его изготовлении, следует задуматься, проверенным был производитель, и в следующий раз лучше приобрести батарею по более высокой цене, но с гарантией качества.

Также батареи вздуваются при попадании влаги внутрь, что, чаще всего, происходит по неосторожности владельца телефона или планшета. Если при зарядке телефона использовать неподходящее устройство, АКБ рано или поздно вздуется по причине высокого уровня тока, из-за которого нарушается скорость химических процессов внутри нее. Если телефон рассчитан на ток в 1А, зарядку с подачей тока в 2А использовать уже нельзя. Как альтернативу можно взять устройство с меньшим, но никак не с большим показателем тока — в случае, если «родная» зарядка утеряна, либо вышла из строя.

Использование АКБ в жарких климатических условиях тоже может стать причиной ее вздутия. Нельзя оставлять полностью заряженный телефон на жаре, а если батарея по каким-либо причинам вздулась, ее следует не разбирать и протыкать, а утилизировать и заменить на новую.

batteryk.com

Литий-ионные аккумуляторы.

Поиск Лекций

1. Батареи с жидким электролитом:

- Малосурьмянистые автомобильные аккумуляторы (Sb/Sb).

Малосурьмянистый аккумулятор – это обычная свинцовая батарея без каких-либо добавок в составе пластин.

Заинтересуют потребителя, настроенного на приобретение «бюджетной» батареи. Однако при интенсивной эксплуатации автомобиля этот вариант не слишком удобен, так как придется производить обслуживание батарей из-за существенных потерь электролита.

Как правило, это уже предыдущее поколение аккумуляторов.

Сейчас же в основном, применяются гибридные и кальциевые аккумуляторы.

- Гибридные автомобильные аккумуляторы (Sb/Ca).

Гибридный аккумулятор имеет пластины разного состава. Плюсовая пластина – обычная малосурьмянистая, минусовая – свинцово-кальциевая или с добавлением серебра. Эти батареи наиболее универсальны и являются самым многочисленным классом АКБ.

Батареи данного типа немного дороже малосурьмянистых, но повышение цены оправдано улучшенными характеристиками, да и обслуживать их практически не нужно. Кроме того, они хорошо переносят глубокие разряды и заряжаются более «охотно», чем аккумуляторы с низким содержанием сурьмы.

-Кальциевые автомобильные аккумуляторы (Ca/Ca).

Кальциевый аккумулятор (Ca/Ca) – это батарея, в которой пластины как отрицательного, так и положительного зарядов – кальциевые.

Для них характерны малый саморазряд и высокие стартерные токи. Однако закон физики «если где-то что-то улучшилось, значит, в другом месте ухудшилось ровно на столько же», не обошел стороной химические источники тока. Кальциевые аккумуляторы полностью необслуживаемые, в этом их сила и слабость одновременно. Дело в том, что они плохо переносят глубокие разряды, но еще более страшен для них перезаряд. Поэтому отличной работой они смогут «похвастать» только на автомобилях с исправным электрооборудованием.

2. Гелевые аккумуляторы (Gel).

В таких батареях кислотный электролит находится в гелеобразном состоянии благодаря добавлению в него соединений кремния. Гелевый электролит позволяет добиться полной герметичности батареи, так как все газовыделение происходит внутри сильно развитой системы пор в массе геля. Это решает проблему необслуживаемости АКБ.

Однако аккумуляторы с загущенным электролитом имеют несколько худшие нагрузочные характеристики по сравнению с классическими АКБ: большие токи с них снять сложнее из-за более высокого внутреннего сопротивления. Батареи с жидким электролитом лучше работают при высоких токах нагрузки при коротких режимах. Кроме того, гелевые батареи критичны к температуре окружающей среды и стабильности зарядного напряжения. Для их подзаряда нужно использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже +/- 1% для предотвращения обильного газовыделения.

Батареи типа GEL наиболее устойчивы к глубоким разрядам и не нуждаются в обслуживании в течение всего срока службы при нормальных условиях эксплуатации. Но при их нарушении происходит быстрое старение батареи.

В качестве автомобильных аккумуляторов большого распространения гелевые батареи не получили по причине очень высоких требований к бортовому электрооборудованию и из-за резкого падения пускового тока на холоде. Но широко применяются в качестве резервных источников питания в сфере телекоммуникаций.

3. AGM аккумуляторы (Absorbent Glass Mat).

AGM-технология вновь вернулась к жидкой кислоте, но теперь электролит удерживается в порах сепаратора из ультратонких стеклянных волокон, размещенных между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой каппилярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции газов. Принцип рециркуляции такой же, как у гелевых АКБ: блуждая по порам сепаратора, газы успевают «вернуться» в электролит, не покидая корпус аккумулятора. Таким образом, AGM батареи также не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

Конструкция AGM батарей позволяет не только герметизировать корпус, но и сохранить работоспособность батареи даже в случае повреждений наружной оболочки. Они нечувствительны к колебаниям температуры, долговечны и виброустойчивы.

Но главное преимущество таких батарей — в стойкости к глубоким разрядам. Происходит это за счет повышенной плотности сборки блока пластин и удержания активной массы. Электролит «связан», и разряд аккумулятора не сопровождается его выпариванием с последующим окислением пластин, как это случается с традиционными АКБ.

Но, как и гелевые, AGM батареи чувствительны к превышению зарядного напряжения, только причиной здесь является существенно меньшее количество электролита в них. Поэтому единственным условием для длительной эксплуатации такого рода аккумуляторов в автомобиле является правильный выбор зарядного устройства и контроль за работой генератора.

4. Щелочные аккумуляторы(NiCd).

Как известно, в качестве электролита в аккумуляторах может использоваться не только кислота, но и щелочь. Существует множество разновидностей щелочных АКБ, но мы рассмотрим только те, что нашли применение в автомобилях.

Автомобильные щелочные аккумуляторы бывают двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. В никель-кадмиевой батарее положительные пластины покрыты гидроксооксидом никеля NiO(OH) (он же гидрат окиси никеля III или метагидроксид никеля), отрицательные пластины — смесью кадмия и железа. В никель-железной батарее положительные пластины покрыты тем же составом, что и в никель-кадмиевой батарее — гидроксооксидом никеля. Отличие лишь в отрицательном электроде — в никель-железном аккумуляторе он сделан из чистого железа. Электролитом в обоих типах аккумуляторов является раствор едкого калия КОН.

Пластины-электроды в щелочных батареях упаковываются в «конверты» из тончайшей перфорированной металлической пластины. В эти же конверты запрессовывается активное вещество. Это позволяет сильно повысить виброустойчивость батарей.

У щелочных АКБ есть интересная особенность: в никель-кадмиевых аккумуляторах положительных пластин на одну больше, чем отрицательных, и находятся они по краям, соединяясь с корпусом. В никель-железных аккумуляторах все наоборот — отрицательных пластин больше, чем положительных.

Еще одной особенностью щелочных батарей является то, что в них при протекании химических реакций не расходуется электролит. По этой причине его требуется меньше, чем в кислотных, где приходится наливать электролит с запасом по причине его «выкипания».

У щелочных аккумуляторных батарей есть ряд преимуществ по сравнению с кислотными:

  • Хорошая переносимость переразрядов. При этом батарея может храниться в разряженном состоянии без потери своих характеристик, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
  • Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд. При этом есть мнение, что их лучше перезарядить, чем недозарядить.
  • Щелочные аккумуляторы гораздо лучше работают в условиях низкой температуры. Это позволяет почти безотказно обеспечивать запуск двигателей в зимнее время.
  • Саморазряд щелочных батарей ниже классических кислотных.
  • Из щелочных АКБ не выделяются вредные испарения, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
  • Щелочные аккумуляторы умеют накапливать больше энергии на единицу массы. Это дает возможность дольше выдавать электрический ток (при тяговом режиме эксплуатации).

Однако у щелочных аккумуляторных батарей есть и недостатки, если сравнивать с кислотными:

  • Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять большее количество «банок» для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты щелочного аккумулятора будут больше.
  • Щелочные батареи намного дороже кислотных.

Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных. Из-за своих габаритов большинство выпускаемых стартерных щелочных АКБ — для грузовиков.

Перспектива широкого использования щелочных батарей на легковых автомобилях пока туманна.

5. Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion).

Литий-ионные аккумуляторные батареи (и ее подвиды) считаются наиболее перспективными в качестве дополнительного источника электрического тока.

В настоящее время такие аккумуляторы, наряду с AGM и гелевыми, очень популярны среди любителей и профессионалов автозвука, которые выступают на соревнованиях по SPL.

Т.е. по неограниченному звуковому давлению. Где требуется прокормить мощные усилители, которые потребляют десятки, а то и сотни Ампер. Причём бытует мнение, что такие АКБ способны более «быстро» отдавать электрический ток не же ли их собратья.

Каждый опытный установщик знает, что решение проблем с просадками напряжения в мощных системах начинается с замены штатного аккумулятора или добавления в систему дополнительного аккумулятора.

Хорошее питание – это залог построения хорошей и надёжной аудиосистемы. Ведь, как это встречается сплошь и рядом, дорогие аудиосистемы проектируются без должного внимания к системе питания усилителей звука. Это приводит к тому, что вложенные средства не оправдывают себя, так как усилители звука “задушены” нехваткой питания и не могут работать с максимальной эффективностью.

В химических элементах этого типа носителями электрического тока являются ионы лития. К сожалению, нельзя однозначно описать материалы электродов, т.к. технология постоянно меняется, совершенствуется. Можно лишь сказать, что первое время в качестве отрицательных электродов использовался металлический литий, но подобные аккумуляторы оказались взрывоопасными. В дальнейшем стал использоваться графит. В качестве материала положительных электродов раньше использовались оксиды лития с добавлением либо кобальта, либо марганца. Однако сейчас они всё больше замещаются литий-ферро-фосфатными, т.к. новый материал оказался менее токсичным, более дешевым и экологичным (можно безопасно утилизировать).

Важнейшими достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются:

  • Высокая удельная емкость (емкость на единицу массы).
  • Выдаваемое напряжение выше, чем у «обычных» — один элемент питания способен выдавать около 4 вольт. Напомним, что напряжение элемента классической АКБ — 2 вольта.
  • Низкий саморазряд.

Однако все имеющиеся достоинства перевешивают недостатки, из-за которых не получается уже сегодня массово использовать литий-ионные батареи в качестве замены классических свинцово-кислотных.

Некоторые недостатки литий-ионных батарей:

  • Чувствительность к температуре воздуха. При отрицательных температурах способность отдавать энергию очень резко снижается. И это одна из главных проблем, над решением которой и бьются разработчики.
  • Число зарядов-разрядов пока слишком мало (в среднем, около 500).
  • Литий-ионные аккумуляторы «стареют». При хранении происходит постепенное уменьшение емкости. В течение 2 лет — около 20% ёмкости. Просьба не путать с саморазрядом или эффектом памяти. Но хорошо, что работа над решением этой проблемы все-таки ведется.
  • Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к глубоким разрядам.
  • Недостаточная мощность для использования в качестве стартерной батареи. Силы тока, выдаваемой литий-ионным элементом, хватает для питания электронных приборов, но недостаточно для пуска двигателя.

Среди самых современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. В химии литий из металлов самый активный. Он обладает огромным ресурсом хранения энергии. 1 кг лития способен хранить 3860 ампер-часов. Хорошо известный цинк сильно отстаёт. У него этот показатель равен 820 ампер-часов. Элементы на основе лития могут вырабатывать напряжение до 3,7V. Но лабораторные образцы способны вырабатывать напряжение около 4.5V. В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не применяется. Сейчас распространены 3 типа литиевых аккумуляторов: Литий-ионные (Li-ion). Номинальное напряжение (Uном.) - 3,6V; Литий-полимерные (Li-Po, Li-polymer или «липо»). Uном. - 3,7V; Литий-железо фосфатные (Li-Fe или LFP). Uном. - 3,3V. Все эти типы литиевых аккумуляторов различаются материалом катода или электролита. В Li-ion используется катод из кобальтата лития LiCoO2, в Li-Po применён электролит из гелеобразного полимера, а в Li-Fe используется катод из литий-ферро-фосфата LiFePO4. Любой литиевый аккумулятор (или устройство в котором он работает) оснащён небольшой электронной схемой - контроллером заряда/разряда. Так как аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к перезаряду и глубокому разряду, это необходимо. Если "расковырять" любой литиевый аккумулятор от сотового телефона, то в нём можно обнаружить небольшую электронную схему - это и есть защитный контроллер (Protection IC). Если встроенного контроллера (или супервизора заряда) в литиевой батареи нет, то такой аккумулятор называют незащищённым. В таком случае контроллер встроен в прибор, который питается от такой батареи, а зарядка возможна только от прибора или от специального зарядного устройства. Если он такой мощный скажите вы -то почему так редко применяются в автомобилях. Потому что ему нужен уход! Не такой как другим и относительно небольшой срок службы. То есть основным и самым пугающим недостатком аккумуляторов на основе лития, я бы назвал их пожароопасность при превышении рабочего напряжения, перегреве, неправильном заряде и безграмотной эксплуатации. Особенно много нареканий относительно литий-полимерных (Li-Polymer) аккумуляторов. Однако, литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы не имеют такой негативной особенности - они пожаробезопасны. Также литиевые аккумуляторы очень боятся холода – быстро теряют свою ёмкость и перестают заряжаться. Это относится к Li-ion и Li-Po аккумуляторам. Литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы более устойчивы к морозу. Собственно, это одно из положительных качеств Li-Fe аккумуляторов. Недостатком литиевых аккумуляторов является и то, что они требуют наличия специального контроллера заряда – электронной схемы. А в случае составной аккумуляторной батареи и балансира. При глубоком разряде литиевые аккумуляторы теряют свои первоначальные свойства. Особенно глубокого разряда боятся Li-ion и Li-Po аккумуляторы. Даже после восстановления такой аккумулятор будет иметь меньшую ёмкость. Если литиевый аккумулятор не будет "работать" долгое время, то сначала напряжение на нём снизится до порогового уровня (как правило 3,2-3,3V). Электронная схема полностью отключит ячейку аккумулятора, а затем начнётся глубокий разряд. Если напряжение на ячейке снизится до 2,5V, то это может привести к выходу её из строя. Поэтому стоит время от времени подзаряжать аккумуляторы.

Для применения в автозвуке подходят Литий-железо фосфатные (Li-Fe) результаты на этих батарейках - превосходят все ожидания!!! будущее за литием!!!

В производстве литий-ионных аккумуляторов используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-фосфат (LiFePO4). Применение данного материала позволяет достичь высокой плотности энергии аккумулятора, энерго-эффективности, широкого рабочего диапазона температур, длительного срока эксплуатации, экологичности и безопасности. Аккумуляторы предназначены для всех видов электротранспорта и промышленных источников бесперебойного питания.

Зарядка аккумулятора. В процессе зарядки аккумулятора катионы лития, которые обладают наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (-3,045 В относительно стандартного водородного электрода) и наименьшим размером иона, перемещаются и эффективно обратимо интеркалируют в материал анода. Разрядка аккумулятора. Благодаря наноструктуре материала катода в процессе разрядки аккумулятора ионы лития способны обратимо эффективно интеркалировать в кристаллическую решетку данного диэлектрика на глубину до 50 нм. Такая структура катода обеспечивает высокую эффективность аккумулятора и более 3000 циклов зарядки-разрядки (DOD 80%).

В таблице приведены характеристики наиболее распространенных электрохимических схем аккумуляторов:

Когда инженерам удастся решить эти недостатки, литий-ионные аккумуляторы станут отличной заменой классической кислотной АКБ.

Идет непрерывная работа над усовершенствованием существующих типов аккумуляторных батарей. В исследовательских центрах ищут способы увеличения энергоемкости источников питания, что позволит уменьшить размеры аккумуляторов. Для северных районов очень пригодится изобретение морозоустойчивой батареи (и тогда не было бы проблемы отказа завода двигателя в сильные морозы).

Очень важна работа и в направлении обеспечения экологичности, т.к. нынешние технологии производства аккумуляторных батарей не могут обойтись без использования ядовитых и просто опасных веществ (взять хотя бы свинец или серную кислоту).

Вряд ли у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей есть будущее. AGM батареи — это промежуточный этап в эволюции. Аккумулятор будущего не будет иметь в своем составе жидкость (чтобы ничего не вылилось при повреждении), будет иметь произвольную форму (чтобы была возможность использовать все возможные пустоты автомобиля), а также множество других параметров, которые позволят автовладельцам наслаждаться поездкой, а не нервничать по поводу того, что аккумуляторная батарея может отказать в самый неподходящий момент.

Из приведенной таблицы видно, что наиболее перспективными являются литий-ионные аккумуляторы. Во всем мире исследования и разработки в области литий-ионных технологий сейчас стремительно развиваются, появляются новые типы литий-ионных аккумуляторов. В ближайшее десятилетие следует ожидать вытеснение с рынка устаревших электрохимических схем литий-ионными аккумуляторами, особенно, если удастся снизить их стоимость. Преимущества лития состоят в том, что он обладает самым маленьким электрохимическим эквивалентом (отношением массы к заряду иона) и одновременно наивысшим отрицательным потенциалом по сравнению с любыми другими металлами (-3,045 В относительно стандартного водородного электрода). Кроме того, литий обладает свойством интеркалировать в другие материалы, то есть проникать в кристаллическую решетку с образованием обратимой химической связи (например, в оксиды металлов). Первые литиевые аккумуляторы использовали анод из металлического лития и катод из оксидов различных металлов. К сожалению, эта схема проявила себя как весьма ненадежная – аккумуляторы регулярно вспыхивали или взрывались. Обеспечить большое количество циклов заряд/разряд для анода из металлического лития оказалось проблематично: при заряде аккумулятора металлический литий, восстанавливающийся на аноде, может образовывать дендриты (игольчатые кристаллы), пронизывающие слой электролита и создающие риск короткого замыкания. В попытках решить проблему циклируемости анода из металлического лития при температурах окружающей среды группа исследователей из Оксфорда предложила заменить металлический литий на матрицу из углеродных материалов (графита или кокса), способную обратимо интеркалировать катионы лития до состава LiC6 при минимальном (не более 10%) изменении объема. Эта идея оказалась очень плодотворной. Такой тип аккумуляторов получил название литий-ионных. Первый литиево-ионный аккумулятор разработала корпорация Sony в 1991 году. В течение долгого времени стандартной схемой литий-ионного аккумулятора считали катод из кобальтата лития (LiCoO2) и графитового анода.

Аккумуляторы производятся в виде цилиндрических или призматических ячеек:

Для обеспечения безопасности эксплуатации в ЛИА используется трёхслойный сепаратор, средний слой которого, состоящий из полиэтилена, при температуре 135°С расплавляется, и ионный обмен между электродами прекращается. Под крышкой находится также прерыватель электрической цепи, срабатывающий при увеличении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. На крышке аккумулятора имеется аварийный клапан, который срабатывает при давлении ещё более высоком, чем во внутреннем устройстве прерывания тока. Изначально литий-ионные аккумуляторы не выдерживали большого количества циклов заряда/разряда из-за деградации электродных материалов в электролите при протекании тока. К счастью, эту проблему удалось решить путем разработки добавок к электролиту, которые формируют на электродах ион-проводящий защитный слой – SEI (Solid-Electrolyte Interface). Однако, во всех случаях не допускается глубина заряда/разряда в 100%. Считается общепринятым использовать не более 75%-80% емкости (5% недозаряда и 15%-20% недоразряда) для увеличения времени жизни аккумулятора. Применение кобальтата лития в качестве катодного материала вызывало многие нарекания, связанные с дороговизной и токсичностью соединений кобальта. Также кобальтат может отдать при зарядке не более половины интеркалированного лития, после чего начинается восстановление кобальта, который образует дендриты, аналогично тому, как это происходило на аноде из металлического лития. Дополнительную опасность этому процессу придает то, что при восстановлении кобальта выделяется кислород. Данная электрохимическая схема категорически требует специальной защиты от перезарядки, а также контроля температуры ячеек. Недостатки литий-ионных аккумуляторов на кобальтате лития вынудили разработчиков искать более совершенные схемы литий-ионных аккумуляторов:

Как видно из таблицы, идеального решения найти не удалось. Феррофосфат лития (оливин) казался бы интересным материалом, тем более, что он представляет собой дешевый природный минерал, однако, он – диэлектрик. В 2003 году профессор Йет Мин Чанг из Массачусетсского технологического института (MIT) начал экспериментировать с уменьшением размеров отдельных частиц LiFePO4 до ста нанометров (глубина интеркаляции лития в кристаллическую структуру LiFePO4 составляет 50 нм). Благодаря возросшей в тысячи раз площади активной поверхности и улучшению электропроводности за счет наночастиц углерода батареи с катодом из наноструктурированного LiFePO4 превосходили обычные кобальтовые по токам разряда, кристаллическая структура электродов со временем практически не изнашивалась, поэтому количество рабочих циклов батареи возросло до 5000. Испытания литий-феррофосфатных аккумуляторов показали их высокую надежность и безопасность – они не боятся перезаряда и способны работать в очень широком интервале температур. Материалы, из которых они изготавливаются, дешевы и экологически чисты. Благодаря ограниченной проводимости катодного материала эти аккумуляторы не взрываются при внутреннем коротком замыкании, даже будучи насквозь пробиты гвоздем через все электроды. Литий-ионные источники энергии (батареи) с большим напряжением реализуются в виде последовательной цепочки аккумуляторов, сколько-нибудь мощные – могут иметь последовательно-параллельное их соединение. Безопасность эксплуатации таких батарей обязательно обеспечивается внешней электронной защитой от перезаряда и переразряда отдельных аккумуляторов. Она включает контроллеры, измеряющие напряжение каждого из них или блока из параллельно соединенных, и ключи для размыкания электрической цепи при достижении предельных величин напряжения. Для контроля температуры батареи используются термисторы. Устройство внешней защиты размещают обычно на плате, устанавливаемой прямо на аккумуляторе. Системы электронной защиты батарей у разных производителей могут существенно различаться, а доступ к этой части изделия часто защищен. BMS (Battery Management System) является необходимой частью любых аккумуляторных батарей. Часто оно включает в себя систему охлаждения/подогрева.

Результаты тестирования литиевой батареи LiFePO4 40Ач и АГМ 44Ач. По графику отлично видно как разряжается АГМ и LPF.

Ток нагрузки 40 ампер.

Основными зарубежными производителями литий-ионных аккумуляторов являются: A123 Systems, Altair Nanotechnologies, Samsung SDI, Ener1 Battery Company, Dow Kokam, Saft Batteries, BYD, Valence Technology.

Несколько российских заводов производят литий-ионные аккумуляторы: ООО "Лиотех",НПО ССК, АК Ригель, НИИХИТ-2, ОАО «НИАИ «Источник», ОАО Энергия.

У наших давильщиков заслуженной популярностью пользуется продукция ООО "Лиотех"

«Плюсы» и «минусы».

poisk-ru.ru

Литий-ионным аккумуляторам исполнилось 25 лет. Почему за четверть века их активные материалы так мало изменились

В этом году исполнилось 25 лет с момента выхода в продажу первых литий-ионных аккумуляторов, которые изготовила корпорация Sony в 1991 году. За четверть века их ёмкость практически удвоилась с 110 Втч/кг до 200 Втч/кг, но, несмотря на такой колоссальный прогресс и на многочисленные исследования электрохимических механизмов, сегодня химические процессы и материалы внутри литий-ионных аккумуляторов практически те же, что и 25 лет назад. В этой статье будет рассказано, как шло становление и развитие данной технологии, а также с какими трудностями сталкиваются сегодня разработчики новых материалов.

Источник

1. Развитие технологии: 1980-2000

Ещё в 70х годах учёными было установлено, что существуют материалы под названием халькогениды (например, MoS2), которые способны вступать в обратимую реакцию с ионами лития, встраивая их в свою слоистую кристаллическую структуру. Тут же был предложен первый прототип литий-ионного аккумулятора, состоящий из халькогенидов на катоде и металлического лития на аноде. Теоретически, во время разрядки, ионы лития, "высвобождаемые" анодом, должны встраиваться в слоистую структуру MoS2, а при зарядке оседать обратно на аноде, возвращаясь в исходное состояние.

Но первые попытки создания таких аккумуляторов были неудачны, так как при зарядке ионы лития никак не хотели обратно превращаться в ровную пластину металлического лития, а оседали на аноде как попало, приводя к росту дендритов (цепочек металлического лития), короткому замыканию, и взрыву аккумуляторов. За этим следовал этап детального изучения реакции интеркаляции (встраивания лития в кристаллы с особой структурой), что позволило заменить металлический литий на углерод: сначала на кокс, а потом и на графит, который используется до сих пор и тоже имеет слоистую структуру, способную встраивать ионы лития.

Литий-ионный аккумулятор с анодом из металлического лития (а) и анодом из слоистого материала (b). Источник: nature.com

Начав использовать углеродные материалы на аноде, учёные поняли, что природа сделала человечеству большой подарок. На графите, при самой первой зарядке, образуется защитный слой из разложившегося электролита, названный SEI (Solid Electrolyte Interface). Точный механизм его формирования и состав еще не до конца изучены, но известно, что без этого уникального пассивирующего слоя электролит продолжал бы разлагаться на аноде, электрод бы разрушался, и аккумулятор приходил бы в негодность. Так появился первый работающий анод на основе углеродных материалов, который был выпущен в продажу в составе литий-ионных аккумуляторов в 90-х годах.

Одновременно с анодом видоизменялся и катод: выяснилось, что слоистой структурой, способной встраивать ионы лития, обладают не только халькогениды, но и некоторые оксиды переходных металлов, например LiMO2 ( M = Ni, Co, Mn), которые не только более стабильны химически, но и позволяют создавать ячейки с более высоким напряжением. И именно LiCoO2 был использован в катоде первого коммерческого прототипа аккумуляторов.

Источник: www.iycr2014.org

2. Новые реакции и мода на наноматериалы: 2000-2010

В 2000х в науке начался бум наноматериалов. Естественно, прогресс в нанотехнологиях не обошёл стороной и литий-ионные аккумуляторы. И именно благодаря им учёные сделали совершенно, казалось бы, непригодный для данной технологии материал, LiFePO4, одним из лидеров по использованию в катодах электромобильных аккумуляторов.

А дело всё в том, что обычные, объёмные частицы железофосфата очень плохо проводят ионы, да и электронная проводимость у них очень низкая. Но засчёт наноструктурирования литию не надо продвигаться на большие расстояния чтобы встроиться в нанокристалл, поэтому интеркаляция проходит гораздо быстрее, а покрытие нанокристаллов тонкой углеродной плёнкой улучшает их проводимость. В результате в продажу вышел не только менее опасный материал, который не выделяет кислород при высокой температуре (как оксиды), но и материал имеющий способность работать на более высоких токах. Именно поэтому такой катодный материал предпочитают производители автомобилей, несмотря на чуть меньшую ёмкость чем у LiCoO2.

В то же время учёные искали новые материалы, взаимодействующие с литием. И, как выяснилось, интеркаляция, или встраивание лития в кристалл- не единственный вариант реакции на электродах в литий-ионных аккумуляторах. Так, например, некоторые элементы, а именно Si, Sn, Sb, и т.д., формируют "сплав" с литием, если использовать их в аноде. Ёмкость такого электрода в 10 раз превышает ёмкость графита, но есть одно "но": такой электрод во время формирования сплава сильно увеличивается в объёме, что приводит к его быстрому растрескиванию и приходу в негодность. И для того, чтобы уменьшить механическое напряжение электрода при таком увеличении объёма, элемент (например, кремний) предлагают использовать в виде наночастиц, заключённых в углеродную матрицу, которая "амортизирует" изменения объёма.

Источник: chargedevs.com

Но изменения объёма- не единственная проблема материалов, образующих сплавы, и препятствующая их широкому применению. Как было сказано выше, на графите образуется "подарок природы"- SEI. А на материалах, образующих сплав, электролит разлагается непрерывно и повышает сопротивление электрода. Но тем не менее, периодически мы видим в новостях, что в некоторых аккумуляторах используется "кремниевый анод". Да, кремний в нём действительно используется, но в очень маленьких количествах и смешанный с графитом, чтобы "побочные эффекты" не слишком были заметны. Естественно, когда количество кремния в аноде составляет всего несколько процентов, а остальное- графит, значительного увеличения ёмкости не получится.

И если тема анодов, образующих сплавы, сейчас развивается, то некоторые исследования, начатые в прошлом десятилетии, очень быстро заходили в тупик. Это касается, например, так называемых реакций конверсии. В этой реакции некоторые соединения металлов (оксиды, нитриды, сульфиды и т.д.) взаимодействуют с литием, превращаясь в металл, смешанный с соединениями лития:

MaXb ==> aM + bLinX M: металл X: O, N, C, S...

И, как можно себе представить, с материалом во время такой реакции происходят такие изменения, которые даже кремнию не снились. Например, оксид кобальта превращается в наночастицы металлического кобальта, заключённые в матрицу из оксидов лития:

Источник: J. Phys. Chem C 117, 14518 (2013)

Естественно, такая реакция плохо обратима, к тому же между зарядкой и разрядкой большая разница напряжений, что делает такие материалы бесполезными в применении.

Интересно заметить, что когда эта реакция была открыта, в научных журналах стали публиковаться сотни статей на эту тему. Но тут хочестся процитировать профессора Тараскона из Коллеж де Франс, который сказал, что "реакции конверсии были настоящим полем экспериментов для исследования материалов с наноархитектурой, что давало учёным возможность делать красивые картинки с помощью просвечивающего электронного микроскопа и публиковаться в известных журналах, несмотря на абсолютную практическую бесполезность этих материалов".

В общем, если подвести итог, то, несмотря на то, что в последнее десятилетие были синтезированы сотни новых материалов для электродов, в аккумуляторах до сих под используются практически те же материалы, что и 25 лет назад. Почему же так получилось?

3. Настоящее время: главные трудности в разработке новых аккумуляторов.

Как можно заметить, в вышеописанном экскурсе в историю литий-ионных аккумуляторов ни слова не было сказано об ещё одном, важнейшем элементе: электролите. И на это есть причина: электролит за 25 лет практически не изменился и работающих альтернатив предложено не было. Сегодня, как и в 90-е годы, в виде электролита используются соли лития (в основном LiPF6) в органическом растворе карбонатов (этилен карбонат (EC) + диметил карбонат (DMC)). А ведь именно из-за электролита прогресс в увеличении ёмкости аккумуляторов в последние годы замедлился.

Приведу конкретный пример: на сегодняшний день существуют материалы для электродов, которые могли бы значительно увеличить ёмкости литий-ионных аккумуляторов. К ним относится, например, LiNi0.5Mn1.5О4, который позволил бы сделать аккумулятор с напряжением ячейки в 5 Вольт. Но увы, в таких диапазонах напряжения электролит на основе карбонатов становится нестабильным. Или ещё один пример: как было сказано выше, сегодня, чтобы использовать значительные количества кремния (или других металлов, образующих сплавы с литием) в аноде, надо решить одну из главных проблем: образование пассивирующего слоя (SEI), который бы препятствовал непрерывному разложению электролита и разрушению электрода, а для этого надо разработать принципиально новый состав электролита. Но почему же так сложно найти альтернативу существующему составу, ведь солей лития полно, да и органических растворителей достаточно?!

А трудность заключаетя в том, что электролит должен одновременно обладать следующими характеристиками:

  • Он должен быть химически стабилен во время работы аккумулятора, а точнее, он должен быть стойким по отношению к окисляющему катоду и восстанавливающему аноду. Это значит, что попытки увеличить энергоёмкость аккумулятора, то есть, использование ещё более окисляющих катодов и восстанавливающих анодов, не должны приводить к разложению электролита.
  • Электролит также должен обладать хорошей ионной проводимостью и низкой вязкостью для транспортировки ионов лития в широком диапазоне температур. Именно для этого в вязкий этилен карбонат добавляют DMC начиная с 1994 года.
  • Соли лития должны хорошо растворяться в органическом растворителе.
  • Электролит должен формировать эффективный пассивирующий слой. У этилен карбоната это прекрасно получается, в то время как другие растворители, например пропилен карбонат, который был изначально опробован Sony, разрушает структуру анода, так как встраивается в него параллельно с литием.

Естественно, создать электролит, обладающий сразу всеми данными характеристиками очень сложно, но учёные не теряют надежды. Во-первых, ведутся активные поиски новых растворителей, которые бы работали в более широком диапазоне напряжений, чем карбонаты, что позволило бы использовать новые материалы и увеличить энергоёмкость аккумуляторов. В разработке находятся несколько видов органических растворителей: эстеры, сульфоны, сульфоксиды и т.д. Но увы, увеличивая устойчивость электролитов к окислению, уменьшается их устойчивость к восстановлению, и в результате напряжение ячейки никак не меняется. К тому же, не все растворители формируют на аноде защитный пассивирующий слой. Именно поэтому зачастую в электролит подмешивают специальные добавки, например, винилен карбонат, которые искусственно способствуют формированию этого слоя.

Параллельно с улучшением уже существующих технологий, учёные работают и над принципиально новыми решениями. И решения эти можно свести к попытке избавиться от жидкого растворителя на основе карбонатов. К таким технологиям относятся, к примеру, ионные жидкости. Ионные жидкости-это, по сути, расплавленные соли, у которых очень низкая температура плавления, и некоторые из них даже при комнатной температуре остаются жидкими. А всё из-за того, что у этих солей особенная, стерически затрудненная структура, которая усложнят кристаллизацию.

Источник: www.eurare.eu

Казалось бы, отличная идея- полностью исключить растворитель, который легко воспламеняется и вступает в паразитические реакции с литием. Но на деле, исключение растворителя создаёт на данный момент больше проблем, чем решает. Во-первых, в обычных электролитах часть растворителя "приносит себя в жертву" для построения защитного слоя на поверхности электродов. А компоненты ионных жидкостей с этой задачей пока не справляются (анионы, кстати, тоже могут вступать в паразитические реакции с электродами, как и растворители). Во-вторых, очень сложно подобрать ионную жидкость с правильным анионом, так как они влияют не только на температуру плавления соли, но и на электрохимическую стабильность. И увы, самые стабильные анионы формируют соли, которые плавятся при высоких температурах, и, соответственно, наоборот.

Ещё один способ избавиться от растворителя на основе карбонатов- использование твёрдых полимеров (например, полиэфиров), проводящих литий, которые, во-первых, минимизировали бы риск утечки электролита наружу, а также препятствовали бы росту дендритов при использовании металлического лития на аноде. Но главная сложность, стоящая перед создателями полимерных электролитов- их очень низкая ионная проводимость, так как ионам лития сложно передвигаться в такой вязкой среде. Это, конечно, сильно ограничивает мощность аккумуляторов. А понижения вязкости влечёт за собой прорастание дендритов.

Источник: www.polito.it

Также исследователи изучают твёрдые неорганические вещества, проводящие литий с помощью дефектов в кристалле, и пытаются применить их в виде электролитов для литий-ионных аккумуляторов. Такая система на первый взгляд идеальна: химическая и электрохимическая стабильность, устойчивость с повышению температуры и механическая прочность. Но у этих материалов, опять же, очень низкая ионная проводимость, и использовать их целесеобразно только в виде тонких плёнок. К тому же, работают такие материалы лучше всего при высокой температуре. И последнее, с твёрдым электролитом очень сложно создать механический контакт между электолитом и электродами (в этой области жидким электролитам нет равных).

4. Заключение.

С момента выхода в продажу литий-ионных аккумуляторов, попытки увеличить их ёмкость не прекращаются. Но в последние годы увеличение ёмкости замедлилось, несмотря на сотни новых предложенных материалов для электродов. А дело всё в том, что большинство этих новых материалов "лежат на полке" и ждут, пока не появится новый, подходящий им электролит. А разработка новых электролитов- на мой взгляд гораздо более сложная задача, чем разработка новых электродов, так как нужно учитывать не только электрохимические свойства самого электролита, но и все его взаимодействия с электродами. В общем, читая новости типа "разработан новый супер-электрод..." надо проверять, как такой электрод взаимодействует с электролитом, и есть ли для такого электрода подходящий электролит в принципе.

Источники:

Electrochem. Soc. Interface Fall 2016 volume 25, issue 3, 79-83 Chem. Rev., 2014, 114 (23), pp 11503–11618

geektimes.ru


Смотрите также