Литий ионный аккумулятор: из чего делают, устройство, основные виды

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.

Что такое литий ионный аккумулятор

Первые литиевые аккумуляторы появились 50 лет назад. Такие изделия представляли собой обычную батарейку, в которой для повышения уровня отдачи электроэнергии был установлен литиевый анод. Такие изделия имели очень высокие эксплуатационные характеристики, но одним из самых серьёзных недостатков являлась высокая вероятность воспламенения лития при перегреве катода. Учитывая эту особенность, учёные со временем заменили чистый элемент ионами металла, вследствие чего значительно увеличилась безопасность.

Современные li-ion аккумуляторы очень надёжны и способны выдерживать большое количество циклов заряда — разряда. Они имеют минимальный эффект памяти и относительно небольшой вес. Благодаря таким свойствам, литиевая батарея нашла широкое применение во многих устройствах. Изделие может применяться в качестве АКБ, в виде батареек для бытовой техники, а также как высокоэффективный тяговый источник электроэнергии.

На сегодняшний день такие устройства обладают несколькими недостатками:

высокая стоимостью;
не любят глубокие разряды;
могут умереть при низких температурах;
теряют емкость при перегреве.

Все (+) и (-) литий-ионных аккумуляторов

В 70-ом году прошлого века о Li-ion АКБ стали известны. Чтобы повысить уровень электроэнергии, в такую батарею устанавливался анод лития. Благодаря ему эксплуатация изделия увеличивалась, но возникала другая проблема: при перегревании катода могло произойти воспламенение аккумулятора.

Спустя определенный период времени этот дефект был заменен ионами металла, существенно снизив опасность возгорания батареи.

Литий-ионные аккумуляторы и ныне пользуются немалой популярностью у покупателей. Они испытаны временем, число зарядов/разрядов по циклу у них многочисленно.

Обладая слабым «эффектом памяти» и легким весом, аккумуляторы li-Ion обретают свою нужность во многих портативных и автономных устройствах. К примеру, li-ion-ные батарейки для техники быту, источники для тяги электроэнергии с высокой эффективностью.

Присутствуют у литий-ионных батареек и свои изъяны, которые в принципе могут легко компенсироваться умением накапливать энергию, благодаря высокой плотности.

Перечислим некоторые из них:

относительно дорогие;
продолжительные разряды губительны для них;
работают хуже в жару;
при температурах со знаком «минус»могут сойти на нет («погибнуть»);
при нарушении герметичности становятся взрывоопасными;
теряют емкость как при перегреве, так и при использовании на морозе.

Как зарядить литиевые батарейки?

По сути батарейки зарядить нельзя особенно если на них есть надпись do not recharge. Если ваш элемент аккумуляторного типа, то подзаряд идет по следующей схеме.

Заряд происходит в 2 этапа.

Постоянным тока с параметрами 0.2-0.5 С. Буква «C» означает емкость. Так как в батарею встроена защитная плата напряжение на холостом ходу не должно быть более 7 вольт. Когда уровень напряжения поднимется до отметки в 4.2 V это означает что элемент питания подзарядился на 80%.
Подзарядка выполняется постоянным U. Показатель уровня тока должен быть снижающимся. ЗУ должно поддерживать напряжение на уровне 4,1-4.2 V. Так же оно регулирует ток, который постепенно падает. Когда он упадет до 0,05-0,01 C процесс зарядки можно завершить. На этом этапе аккумулятор полностью добирает емкость до 100%.

Желательно использовать зарядник с показателями напряжения.

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

Производство литий-ионных аккумуляторов в России

Производством, разработкой и исследованием литиевых аккумуляторов в России занимаются международные корпорации. Одна из них «НПО ССК (SSK group) создана на предприятиях «Радуга», расположенным в г, Сасово Рязанской области, на Украине и в Индии. Здесь освоена технология изготовления батарей емкостью до 1000 А-ч и напряжением до 300 В. Они могут работать в диапазоне температур -40 +90 , выдерживать до 3000 циклов разряда.

Есть Научный центр «Автономные источники тока». Располагается он в Сколково. Продукция рассчитана для систем накопления большой мощности (СНЭ), выпускается на крупногабаритный транспорт.

Крупнейшее в мире производство li-ion аккумуляторов в России построено в Новосибирске, как российско-китайское производство. Завод «Лиотех» производит изделия емкостью 200-700 А-ч, работающие при температурах от -45 до +65 градусов. Промышленное производство в 1 млн. штук в год призвано обеспечить 5 000 автобусов.

Характеристики продукции «Лиотех»

Развиваются производства, по ассортименту и количеству продукции уступающие зарубежным компаниям:

АК «Ригель»;
ОАО»Энергия»;
НИИХИТ-2.

Россия может производить литиевые батареи с довольно низкой себестоимостью – металл получают в Новосибирске, остальные компоненты также отечественные.

Видео

Предлагаем познакомиться с производством литиевых аккумуляторов в России на крупнейшем предприятии «Лиотех»

Принцип работы литий ионного аккумулятора

Этот тип АКБ имеет 2 типа электродов:

Катод, расположенный на алюминиевой фольге.
Анод, расположенный на медной фольге.

Принцип работы li ion аккумулятора следующий: во время подачи напряжения на электроды, ионы лития переходят в угольный катод, что способствует происхождению химической реакции.

Если вместо напряжения подать нагрузку, то принцип действия будет тот же самый, только он осуществляется в обратном порядке.Нужно заметить, что при заряде катод восстанавливается не полностью, поэтому внешние аккумуляторы начинают понемногу терять свою емкость. Примером может служить мобильный телефон, который в первые дни эксплуатации работал по 12 часов в активном режиме, а уже через год эта величина значительно уменьшилась.

Производство литий ионных аккумуляторов на примере завода батарей

На российских промышленных заводах каждый день производят 3 миллиона этих устройств. Краткий процесс изготовления батарей состоит из четырех шагов:

Изготовление электродов.
Их соединение в батарею, комплектовка защитной пленкой.
Упаковка в наружную оболочку, пропитка электролитом.
Контроль качества, тестирование, заряд.

Устройство аккумулятора

Порядок изготовления:

Медная фольга выступает в роли анода, предварительно на нее наносится тонкий слой графита. Алюминиевая фольга с прослойкой лития служит в роли катода. Основные составляющие батарейки: корпус, в котором они размещаются, катод, анод, бумажный разделитель, помещенный между катодом и анодом, чтобы они не соприкасались. Катод – первое, что помещают в батарею, он состоит из диоксида марганца и графита. Рабочие загружают мешки этих материалов массой 1800 тонн на платформы.

Гидравлический механизм вытряхивает из мешков все песчинки катода до последнего в емкости. Затем материал проходит через трубы и попадает в зону смешивания. Компьютерная программа управляет клапанами, чтобы засыпать нужное количество порошка будущего катода. Графит при перемешивании в аппарате создает много пыли, так как он весит легче воздуха. Образовавшаяся катодная смесь (графит диоксид марганца) идет по конвейеру в зону катодного пресса. Здесь формировочная машина вдавливает порошок в круглые, пустые паллеты.
Корпусы из никелированной стали, сделанные на другом заводе, поступают с другой стороны. Они движутся в ряд по конвейерам, пока не встретятся с катодными паллетами. Механическое устройство заталкивает по три паллета в каждый корпус. После установки катодов эти трубочки попадают на магнитный конвейер и перемещаются на линию Д. Затем нужно бумажный цилиндр поместить внутрь катода, в противном случае при использовании готовой батарейки возникнет замыкание. Бумага будет разделять анод и катод. На дно батареи тоже стелется кусочек бумаги, визуально получается бумажный стакан. Бумага служит физическим барьером между положительно и отрицательно заряженными ионами, чтобы они не контактировали друг с другом при включении в какой-либо прибор.
Перед заполнением анода предварительно в бумажный стакан нужно внести несколько капель гидроксида лития или калия. Он является электролитом, то есть проводит в аккумуляторе электричество. Подождать 15 минут, чтобы хорошенько вещество впиталось в бумагу. После заполнения анодом батарейки идут на изготовление токоснимателя. Токосниматель представляет собой гвоздь, приваренный к стальной шляпке батарейки. Когда батарея присоединяется к проводнику (устройство представляет собой «гвоздь»), литий ионный аккумулятор накапливает в аноде электроны и отправляет их через это же устройство обратно в положительную часть батарейки. Электроны, протекающие через ножку гвоздя, позволяют батарее бесперебойно работать.

Токосниматель находится на дне батарейки

Латунная проволока с жестяным покрытием отправляется в осадочную машину. Лезвие, находящееся внутри нее, нарезает проволоку на кусочки по 3 см. Затем холодноосадочный автомат делает в конце каждого кусочка шляпку. Готовые гвозди высыпаются на другом конце трубы. А затем попадают на конвейер, он же сбрасывает их в роторный вибратор. Гвозди отправляются на конвейер по сборке токоснимателей. Здесь они двигаются в ряд, чтобы воссоединиться с головками. Автоматический сварщик приваривает головки гвоздей. И магнитный конвейер засасывает готовые детали. Отправляет их на линию сборки Д.
Тестирование. Каждый аккумулятор проходит через роторный прибор, который проверяет напряжение и силу тока. Батарейки, которые не прошли проверку, сдуваются потоком воздуха. Механический распределитель помещается в коробку, идет дальше на выдержку. Им надо немного постоять, чтобы вещества осели. Точное время выдержки регламентируется заводом-изготовителем. Стальной пресс печатает шляпки для положительного конца батареи, которые затем приварят к батарейке. Шляпки делаются из магнитной стали весов 1800 тонн килограммов. Сталь попадает в пресс.
Этикетка. Наклейки изолируют проводящую поверхность батарейки, чтобы никакое прикосновение не могло ее сократить.
Заводская лаборатория проверяет аккумуляторы на протекание, ускоряя старение за счет печки в другой части завода. Все батареи проходят три вида условий контроля: высокая температура, влажность и проверка температурным циклом, при которой температура с высокой меняется на низкую до минус 29 градусов. Проверка выполняется ежедневно.

Типы Li-ionаккумуляторов

В зависимости от используемого материала катода литиевые элементы бывают:

Литий-марганцевые (LiMn2O4, LNO). Имеют меньшее внутреннее сопротивление, высокую мощность и умеренную емкость – 100–150 Вт·ч/кг. Стандартные токи заряда и разряда – до 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С и С-рейтингом разряда до 10С, а в импульсном режиме – до 50С. Ресурс – около 500 циклов. Применяются такие накопители в электроинструменте, силовых агрегатах, медицинском оборудовании.
Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO). Имеют высокую энергоемкость (150–200 Вт·ч/кг), но уступают аналогам по термической стабильности и сроку службы (500–1000 циклов). Токи заряда и разряда для таких элементов не должны превышать 1С. Накопители энергии на основе кобальта встречаются все реже, но еще используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC, NCM). Обеспечивают высокую мощность и емкость – 150–220 Вт·ч/кг, выдерживают 1000–2000 циклов. Стандартные токи заряда и разряда – 1С. Используются в медицинском и промышленном оборудовании, электровелосипедах и других видах электротранспорта.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA). Отличаются высокой удельной энергоемкостью – 200–260 Вт·ч/кг. Имеют ресурс около 500 циклов, зарядные токи 0,7С и разрядные 1С. Обеспечивают автономное питание промышленного и медицинского оборудования, электрических силовых агрегатов и других устройств, требующих высокой емкости.
Литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4). Отличаются большим ресурсом (более 2000 циклов), термической и химической стабильностью, высокой безопасностью эксплуатации и малым внутренним сопротивлением. Их удельная энергоемкость составляет 90–120 Вт·ч/кг, ток зарядки – 1С, ток разрядки – до 25С. Используются такие элементы питания в устройствах, для которых важна выносливость аккумов, способность работать на морозе и выдерживать высокие токи нагрузки.
Литий-титанатные (LiTi). Отличаются низким номинальным напряжением (2,4 В) и удельной энергоемкостью 70–80 Вт·ч/кг, но быстро заряжаются, имеют широкий температурный диапазон и ресурс 3000–7000 циклов. Номинальные токи зарядки 1С, максимум – 5С. Допустимые разрядные токи – 10С, а при импульсной подзарядке – 30С. Литий-титанатные элементы считаются самыми безопасными. Используются они в уличном освещении, ИБП, электротранспорте.

Литий ионные аккумуляторы в автомобиле tesla

Автомобили с электрическим мотором выигрывают во всех технических показателях у машин с ДВС. Кроме того, электродвигатели имеют маленькую стоимость и хорошую надежность.

У ДВС есть один значительный минус – он не может выдавать необходимый крутящийся момент в широком диапазоне скоростей.В итоге, можно сказать, что электрические двигатели являются лучшим выбором для машины на данный момент.

Большой промежуток времени аккумуляторные батареи электрических автомобилей не могли конкурировать с бензиновыми машинами. Но все кардинально поменялось, когда начали производиться автомобили компании Tesla.Именно литиевые аккумуляторы использует эта фирма.

Поскольку ионно литиевые батареи выделяют тепло, а повышенная температура уменьшает эксплуатационный срок АКБ, то для контроля над степенью заряженности используют систему управления аккумулятором (BMS).

В автомобилях Тесла применяется система охлаждения на спирте. Система контролирует движение спирта, сохраняя необходимую температуру.Кроме того, BMS позволяет защищать батарею от перезаряда. Это производится с помощью выравнивания заряда, поэтому все компоненты заряжаются равномерно.

У автомобилей компании Tesla есть еще одно достоинство – во время работы нагрузка между маленькими цилиндрическими компонентами распределяется равномерно. Если бы применялся один большой элемент, а не много маленьких, то из-за больших нагрузок он бы быстро вышел из строя. Именно поэтому компания Tesla использует в своих автомобилях литий ионные батареи.

О чем говорит маркировка батарей

Две цифры, стоящие впереди, показывают диаметр, следующая пара цифр – означает длину батареи.

Li-on буквенная система раскрывает химический состав аппарата и технологию:

1-ая буква I указывает на то, что технология представлена литий ионным способом производства.
2-ая буква C, N, M, F соответствует химическому составу.
N – никель-марганцевый элемент.
C – Кобальтовый.
F – Железофосфатный элемент.
M – Марганцевый.
Последняя буква R показывает на то, что батарею можно неоднократно перезаряжать.

По маркировке батареи можно раскрыть подробную информацию о сроке годности и стране-производителе

Дата производства указана на защитной пленке аккумулятора, но зашифрована в виде кода, который стоит в определенной последовательности цифр и букв. У каждого завода изготовителя разный шифр. Зная месторасположение кода и вид оцифровки, вы можете легко узнать дату выпуска Li-on. Приведем пример на модели 18659 LG. Дата изготовления батареи 18659, закодирована в первых четырех цифрах во второй строке шифра.

Год выпуска 18659 LG зашифрован в первой букве кода:

T – 2018
S – 2018
P – 2016
– 2015
N – 2014
M – 2013
L – 2012
K – 2011
J – 2010

День выпуска можно узнать по трем цифрам после буквы. Числа нужно считать с 1 января до 31 декабря:

01 – 031 – январь;
032 – 059 – февраль;
060 – 090 – март;
091 –120 – апрель;
121 – 151 – май;
152 – 181 – июнь;
182 – 212 – июль;
213 – 243 – август и т. д.

Аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке и глубокой разрядке. Чтобы аккумулятор не сломался раньше времени, изготовитель выпускает их вместе с контролером (он выглядит в виде микросхемы). Контролер не допускает проблем с перезарядкой и разрядкой до 0%, предохраняет батарею от самовозгорания, взрывания, плавления, регулирует температуру внутри батареи.

Некоторые производители экономят на введении в корпус контроля. Поэтому до сих пор батареи взрываются, сгорают. Также их не рекомендуется заряжать больше 3 часов. При достижении 100 % баланса энергии, нужно немедленно отсоединить блок питания от сети.

Типоразмеры литиевых АКБ

Теперь поговорим о более приземленном — о форме и размерах литиевых аккумуляторов. Иначе говоря, об их форматах. Любая АКБ, доступный на рынке, является представителем одного из стандартных форматов, благодаря чему мы имеем отличную взаимозаменяемость в случае выхода элемента из строя. Рассмотрим наиболее распространенные форматы современных литиевых аккумуляторов.

Цилиндрические элементы

Популярный формат литиевых аккумуляторов, который используется буквально повсюду. Цилиндрические АКБ установлены как в ручном или налобном фонарике, так и в электрокарах. Выше мы уже говорили о том, что в автомобиле Tesla силовой агрегат состоит из более чем 7000 элементов типа NCR. Если быть конкретнее, то речь идет о цилиндрических элементах Panasonic NCR18650B на 3,7В 3400мАч.

На корпус цилиндрических АКБ наносят маркировку, обозначающую габариты. Две первые цифры — это диаметр в миллиметрах, а остальные — длина. Таким образом, ячейка типоразмера 18650 имеет диаметр 18 мм, а длину — 65 миллиметров (нуль в конце опускается). А вот аккумуляторы 32650 вдвое шире при той же длине.

Призматические элементы

Призматические литиевые АКБ используются не так часто, как цилиндрические, особенно с учетом того, что иногда их применение неявно. К примеру, если Вы покупаете 12-вольтовый литиевый корпусный аккумулятор, являющийся по форме и размерам прямой заменой свинцово-кислотных аналогов, то внутри он почти наверняка будет представлять собой сборку соединенных призматических элементов.

Литиевые аккумуляторы призматического формата могут иметь различные типы контактов (винтовые борны, контактные площадки) и являются очень хорошим вариантом для создания аккумуляторной сборки высокой емкости или напряжения. Обычно такие элементы относятся к литий-железо-фосфатному типу.

Элементы в ламинированной фольге

Рядовой пользователь, наверное, меньше всего встречается с литиевыми АКБ, собранными в ламинированной фольге. Именно такой формат имеют литий-ионные и полимерные аккумуляторы, установленные в смартфонах. Разумеется, смартфонами сфера применения не ограничивается. Данный формат часто используется там, где необходим как раз-таки не универсальный источник питания, а проприетарный с нетипичными формой и габаритами.

Литиевые АКБ в фольге популярны также среди радиолюбителей, собирающих автономные электронные приспособления. За счет своей компактности данные батареи обеспечивают значительную автономность при малом занимаемом объеме. Минусом можно считать хрупкость элемента. Ярким примером может стать частая проблема, с которой приходится иметь дело при замене дисплея в смартфоне. На этапе разборки надо удалить приклеенную АКБ. Сделать это, не согнув ее, очень трудно. После деформации “выгнуть” назад аккумулятор без последствий не выйдет: с высокой долей вероятности он вскоре вздуется и потеряет свои характеристики.

Оставить отзыв / Задать вопрос

Характеристики литиевых аккумуляторов

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Процент оставшегося заряда, %	Количество циклов зарядки
	500
50	1500
75	2500
90	4700

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

Что такое литий ионный аккумулятор — устройство и виды