Литий-ионные батареи | это… Что такое Литий-ионные батареи?

Толкование

Литий-ионные батареи

Литий-ионный аккумулятор, Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Deutschland

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, широко распространённый в современной бытовой электронной технике. В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты. Более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора называется литий-полимерным аккумулятором. Первый литий-ионный аккумулятор разработала корпорация 1991 году.

Содержание 1 Характеристики 2 Устройство 3 Преимущество 4 Недостатки 5 См. также 6 Ссылки 7 Примечания 8 Литература

Характеристики

• Энергетическая плотность: 110 … 160 Вт*ч/кг
• Внутреннее сопротивление: 150 … 250 мОм (для батареи 7,2 В)
• Число циклов заряд/разряд до потери 20% ёмкости: 500—1000
• Время быстрого заряда: 2-4 часа
• Допустимый перезаряд: очень низкий
• Саморазряд при комнатной температуре: 10% в месяц
• Напряжение в элементе: 3,6 В
• Ток нагрузки относительно ёмкости (С):

— пиковый: больше 2С

— наиболее приемлемый: до 1С

• Диапазон рабочих температур: −20 — +60 °C
• обслуживание: не регламентируется

Устройство

В начале в качестве отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля), в дальнейшем применяется графит.

В качестве положительных пластин применяют оксиды лития с кобальтом или марганцем. Литий-кобальтовые пластины служат дольше, а литий-марганцевые значительно дешевле.

При заряде литий-ионных аккумуляторов протекают следующие реакции:

на положительных пластинах: LiCoO₂ → Li_1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe^—

на отрицательных пластинах: С + xLi⁺ + xe^— → CLi_x

При разряде протекают обратные реакции.

Преимущество

• Высокая энергетическая плотность.
• Низкий саморазряд.
• Отсутствует эффект памяти.
• Простота обслуживания.

Недостатки

Li-ion аккумуляторы могут быть опасны при разрушении корпуса аккумулятора, и при неаккуратном обращении могут иметь более короткий жизненный цикл в сравнении с другими типами аккумуляторов. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Попытки заряда таких аккумуляторов могут повлечь за собой взрыв.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора^[1]. Кроме того, Li-ion аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется: уже через два года аккумулятор теряет большую часть своей ёмкости.

См. также

• Электрический аккумулятор
• Никель-кадмиевый аккумулятор

Ссылки

• Информация
• Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. iXBT
• Юрий Филипповский Мобильное питание. Часть 2. (RU). КомпьютерраLab (2009-05-26). — Подробная статья о Li-ion аккумуляторах.. Проверено 26 мая 2009.

Примечания

1. ↑ Рекомендации по использованию Li-ion батарей для ноутбуков. Проверено 26 мая 2009.

Литература

• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем сделать НИР

• Литература о Харькове
• Литература о Харьковской губернии

Полезное

Химики СПбГУ создали новый тип аккумулятора, который будет заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного

Новости

5 апреля 2021

—

Санкт-Петербургский государственный университет Википедия

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали новый тип аккумулятора, который может заряжаться в десять раз быстрее литий-ионного, а также является более безопасным — как с точки зрения вероятности возгорания, так и последствий его утилизации для окружающей среды.

Современный мир немыслим без литий-ионных аккумуляторов. Они используются в широком спектре устройств — от смартфонов до электромобилей. При этом у аккумуляторов литий-ионного типа имеется и ряд серьезных недостатков. Среди них возможное возгорание, потеря емкости на холоде, а также существенная угроза экологии при утилизации исчерпавших свой ресурс батарей.

По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, в качестве материалов, которые могли бы стать основой для новых аккумуляторов, химики рассматривают редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им свойственны высокая плотность энергии (количество энергии на единицу объема) и скорость зарядки и разрядки в результате окислительно-восстановительных реакций. Использование таких полимеров затрудняет их недостаточная электрическая проводимость — она препятствует накоплению заряда даже при использовании добавок с высокой проводимостью, например угля.

Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ синтезировали полимер на основе комплекса никель-сален (NiSalen).

Молекулы этого полимера выступают в качестве молекулярной проволоки, на которую прикреплены энергоемкие нитроксильные фрагменты. Такая молекулярная архитектура материала позволяет добиться одновременно высоких мощностных, емкостных и низкотемпературных характеристик.

«Концепция этого материала возникла у нас в 2016 году. В это время мы начали заниматься фундаментальным проектом «Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов на базе металлорганических полимеров», поддержанным грантом Российского научного фонда. Когда мы исследовали механизм переноса заряда в этом классе соединений, оказалось, что у них есть два направления развития. Первое — они могут использоваться в качестве защитных слоев в связке с традиционными материалами литий-ионных батарей. И второе — они сами могут стать активным компонентом электрозапасающих материалов», — рассказывает Олег Левин.

Разработка полимера заняла более трех лет. В первый год работы ученые проверяли концепцию нового материала: смешивали отдельные компоненты, моделирующие проводящую цепь, и редокс-активные нитроксилсодержащие полимеры. Им важно было убедиться, что все части структуры работают вместе и усиливают друг друга. После этого начался этап синтеза вещества, который стал самым сложным в создании нового материала. Дело в том, что в нем задействованы чувствительные компоненты, которые легко могут разрушиться при малейшей ошибке ученого.

Из нескольких полученных полимеров только один оказался стабильным и работоспособным. Основную цепь нового материала образуют комплексы никеля с лигандами, которые называются «сален». К ней через ковалентные связи присоединили стабильный свободный радикал, который обладает способностью к быстрому окислению и восстановлению (заряду и разряду).

«Аккумулятор, созданный с использованием нашего материала, будет заряжаться за считаные секунды — примерно в десять раз быстрее, чем литий-ионный. Мы уже выяснили это в результате экспериментов. Однако на данном этапе он отстает от них на 30–40 % по емкости. Сейчас мы работаем над увеличением этого показателя при сохранении скорости заряда-разряда», — отмечает Олег Левин.

Сегодня создан катод для нового аккумулятора — положительный электрод химического источника тока. Ему в пару необходим отрицательный электрод — анод, который не обязательно создавать с нуля — его можно подобрать из уже существующих. Вместе они образуют систему, которая в некоторых областях уже скоро может потеснить литий-ионные аккумуляторы.

«Новая батарея способна прекрасно проявить себя в ситуациях, когда необходим очень быстрый заряд, или же во время работы при низких температурах. Ее использование абсолютно безопасно — в ней нет ничего, что могло бы загореться или взорваться, в отличие от батарей на основе кобальта, которые сегодня широко распространены. Также в ней содержится в десятки раз меньше металлов, которые могут нанести экологический вред. В небольшом количестве в нашем полимере присутствует никель, но его там во много раз меньше, чем в литий-ионных аккумуляторах», — рассказывает Олег Левин.

Сейчас ученые оформляют патент на свое изобретение. Его правообладателем станет Санкт-Петербургский государственный университет. Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда № 16-13-00038.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Batteries & Supercaps

Поделиться

Отправить

Твитнуть

Отправить

Научный портал «Атомная энергия 2.0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:

– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,

– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,

– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,

– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.

Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.

Почему нужна атомная энергетика?

Железо-воздушные аккумуляторы обещают более высокую плотность энергии, чем литий-ионные аккумуляторы

Гравиметрическая и объемная плотность энергии различных систем металло-воздушных аккумуляторов по сравнению с литий-ионными аккумуляторами и обычным бензином Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

Железо-воздушные батареи обещают значительно более высокую плотность энергии, чем современные литий-ионные батареи. Кроме того, их основная составляющая — железо — является распространенным и поэтому дешевым материалом. Ученые из Forschungszentrum Jülich являются одной из движущих сил в возобновлении исследований этой концепции, которая была открыта в 19 веке.70-е годы. Совместно с американской Окриджской национальной лабораторией (ORNL) они с точностью до нанометра успешно наблюдали за тем, как во время работы на железном электроде образуются отложения. Более глубокое понимание реакций зарядки и разрядки рассматривается как ключ к дальнейшему развитию этого типа перезаряжаемых батарей до зрелости рынка. Результаты были опубликованы в известном журнале Nano Energy.

По причинам, включая непреодолимые технические трудности, исследования металло-воздушных батарей были прекращены в XIX веке.80-х давно. Однако в последние несколько лет наблюдается быстрый рост исследовательского интереса. Железо-воздушные батареи получают энергию от реакции железа с кислородом. В этом процессе железо окисляется почти так же, как в процессе ржавчины. Кислород, необходимый для реакции, можно получить из окружающего воздуха, поэтому его не нужно хранить в батарее. Эта экономия материала является причиной высокой плотности энергии, достигаемой металловоздушными батареями.

Прогнозируется, что железо-воздушные батареи будут иметь теоретическую плотность энергии более 1200 Втч/кг. Для сравнения, современные литий-ионные батареи имеют около 600 Втч/кг и даже меньше (350 Втч/кг), если принять во внимание вес корпуса элемента. Литий-воздушные аккумуляторы, технически значительно более сложные и сложные в реализации, могут иметь удельную энергию до 11 400 Втч/кг. Что касается объемной плотности энергии, железо-воздушные аккумуляторы работают еще лучше: при 9700 Втч/л это почти в пять раз больше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов (2000 Втч/л). Даже у литий-воздушных аккумуляторов «всего» 6000 Втч/л. Таким образом, железо-воздушные батареи особенно интересны для множества мобильных приложений, в которых большую роль играют требования к пространству.

«Мы сознательно концентрируемся на исследованиях типов батарей, изготовленных из материалов, которых много в земной коре и которые производятся в больших количествах», — объясняет руководитель института профессор Рюдигер-А. Эйхель. «Таким образом, нехватки предложения ожидать не следует. Эта концепция также связана с ценовым преимуществом, которое может быть непосредственно применено к аккумулятору, особенно для крупномасштабных приложений, таких как стационарные устройства для стабилизации электрической сети или электромобилей».

Изменения поверхности электрода в течение четырех циклов заряда/разряда (окислительно-восстановительного потенциала). Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

Сложные условия для анализа

Выводы, полученные исследователями из Юлиха, создают новую основу для целенаправленного улучшения свойств батареи. Используя in situ электрохимические атомно-силовые микроскопы в Центре наук о нанофазных материалах Национальной лаборатории Ок-Ридж, они смогли наблюдать, как отложения частиц гидроксида железа (Fe(OH) ₂ ) образуются на железном электроде в условиях, подобных тем, которые преобладают при зарядке и разрядке.

«Само по себе высокое значение pH 13,7 представляет собой пограничное состояние для прибора», — объясняет Хеннинг Вайнрих из Юлихского института исследований энергии и климата (IEK-9). «Мы первыми в Ок-Ридже успешно провели такой эксперимент в реальных условиях», — говорит Вайнрих, который пробыл в США три месяца специально для измерений.

Отложения увеличивают емкость

Отложения не снижают мощность батареи. Наоборот, поскольку нанопористый слой увеличивает площадь активной поверхности электрода, он способствует небольшому увеличению емкости после каждого цикла зарядки и разрядки. Благодаря исследованиям исследователи впервые получили полную картину роста этого слоя. «Ранее предполагалось, что отложение реверсируется при зарядке. Но это явно не так», — объясняет д-р Герман Темпель из Юлихского института энергетики и исследований климата (IEK-9).). Кроме того, впервые установлена ​​прямая связь между образованием слоя на поверхности электрода и протеканием электрохимических реакций.

Однако до зрелости рынка еще далеко. Хотя изолированные электроды из железа могут работать без значительных потерь мощности в течение нескольких тысяч циклов в лабораторных экспериментах, полноценные железо-воздушные батареи, в которых в качестве противоположного полюса используется воздушный электрод, до сих пор работали только от 20 до 30 циклов.

Схема метода измерения: наконечник электрохимического атомно-силового микроскопа in situ сканирует поверхность железного электрода. Отклонение лазерного луча выявляет пространственные неоднородности, которые можно сравнивать друг с другом в течение нескольких циклов. Copyright: Forschungszentrum Jülich / H. Weinrich

Результаты были получены в рамках проекта по высокотемпературным и энергетическим материалам, который финансировался Федеральным министерством образования и исследований Германии. Это стало возможным благодаря соглашению о сотрудничестве между Окриджской национальной лабораторией и Forschungszentrum Jülich. Оба учреждения тесно сотрудничают в различных научных областях с 2008 г.

Ссылка: «Знакомство с наномасштабом

Наномасштаб относится к чрезвычайно маленькому масштабу длины, обычно порядка нанометров (нм), что составляет одну миллиардную часть метра. В этом масштабе материалы и системы демонстрируют уникальные свойства и поведение, которые отличаются от наблюдаемых в более крупных масштабах. Приставка «нано-» происходит от греческого слова «нанос». что означает «карлик»; или «очень маленький». Наномасштабные явления имеют отношение ко многим областям, включая материаловедение, химию, биологию и физику.

Литий-полимер | RC Вики

в: Электрический, Аккумуляторы

Литий-ионные полимерные батареи или, чаще, литий-полимерные батареи (сокращенно «Li-Poly» или «Li-Po») представляют собой перезаряжаемые батареи, которые технологически произошли от ионно-литиевых батарей. Их малый вес, высокая выходная мощность и низкая скорость саморазряда сделали их чрезвычайно популярными в радиоуправлении, особенно в электрических самолетах.

Следует отметить, что при использовании радиоуправляемых устройств необходимо соблюдать особую осторожность. Хотя литий-полимерные батареи гораздо более нестабильны, чем никель-кадмиевые или никель-металлогидридные, их можно безопасно перезаряжать сотни раз, если следовать приведенным ниже рекомендациям:

• Зарядные устройства, предназначенные для использования с Li-Po батареями , должны использоваться . В противном случае существует риск взрыва и/или возгорания.
• Ни в коем случае нельзя допускать короткого замыкания проводов. Это приведет к немедленному повреждению Li-Po.
• В отличие от своих никель-кадмиевых собратьев, литий-полимерные аккумуляторы никогда не должны разряжаться ниже определенного уровня. Следовательно, устройства отключения по низкому напряжению (LVC) на ESC или комбинациях ESC/приемник должны быть установлены таким образом, чтобы не допустить переразряда (см. ниже).
• Батарея, попавшая в серьезную аварию, никогда не должна быть немедленно загружена в транспортное средство из-за риска возгорания.

Содержимое

• 1 Безопасная зарядка
• 2 Безопасная транспортировка
• 3 Безопасная утилизация
• 4 Расшифровка буквенно-цифрового обозначения
• 5 Напряжение аккумуляторной батареи
• 6 Литий-ионный в сравнении с литий-полимерным
• 7 Балансировка
• 8 Внешние ссылки

Безопасная зарядка[]

Большинство возгораний литиевых аккумуляторов происходит во время зарядки, поэтому имеет смысл заряжать там, где огонь не распространится.

• Не заряжайте в автомобиле, особенно в движущемся.
• Рекомендуется заправка в термостойком керамическом контейнере с неплотно закрывающейся крышкой. Пламя, дым и газ высвобождаются, если батарея «выдыхается».
• Металлические контейнеры можно использовать, но следите за тем, чтобы зарядные провода не были обрезаны или закорочены.
• Храните батареи отдельно друг от друга, чтобы огонь не мог повредить другие батареи.
• Зарядный контейнер следует хранить вдали от легковоспламеняющихся предметов.

Безопасная транспортировка[]

Было очень мало случаев внезапного взрыва батарей, когда они не использовались, не подвергались неправильному обращению или не заряжались (например, во время транспортировки и хранения). Литиевые батареи обычно перевозятся по воздуху, защищенные несколькими слоями пузырчатой ​​пленки, а небольшие версии переносятся в мобильных телефонах. Если необходимо транспортировать блок дистанционного управления, упакуйте его так, чтобы он не мог быть физически поврежден.

Некоторые пожары были вызваны тем, что собаку привлек запах литиевой батареи, и она укусила ее.

Безопасная утилизация[]

Правильно деактивированный элемент LiPo

Если внешний корпус батареи проколот, литий внутри очень летуч и будет бурно реагировать с водой. От такой упаковки можно избавиться, сначала разрядив ее автомобильной лампой, осторожно надрезав наружную оболочку каждой ячейки бритвенным лезвием или ножом X-Acto и нейтрализовав ее в течение нескольких часов в соленой воде. Поскольку химические вещества считаются экологически безопасными, упаковку можно выбросить в обычный мусор. Обратите внимание, что некоторые клетки могут отреагировать на любую попытку разряда дальнейшим вздутием живота. Такие клетки следует немедленно поместить в ванну с соленой водой. Деактивация полностью заряженного элемента в соленой воде может занять несколько дней. Если ваша ячейка вздута, будьте осторожны при открытии внешней фольги. Рекомендуется использовать иглу на палочке. Прокалывайте только наружную кожу, не проталкивайте иглу полностью через ячейку. Рекомендуется делать это с ячейкой, уже погруженной в ванну с соленой водой.

Объяснение буквенно-цифрового обозначения[]

Буквенно-цифровое обозначение, используемое в радиоуправляемых устройствах, относится к количеству элементов в батарее и способу их соединения.

• «3S» обозначает трехэлементную батарею, соединенную последовательно, что увеличивает напряжение в три раза по сравнению с напряжением одной ячейки.
• «2P» обозначает две батареи, соединенные параллельно, чтобы обеспечить удвоенную емкость по току.

Таким образом, батарея 3S2P состоит из 6 элементов и имеет в три раза большее напряжение и вдвое большую емкость, чем любая отдельная ячейка. Все ячейки в пачке должны быть одинаковыми.

Что означает 25C или 30C?

Аккумулятор 3S 11.1 LiPo емкостью 5000 мАч имеет 1C = 5 ампер. Таким образом, если батарея рассчитана на непрерывное использование при температуре 25°C, это означает, что она может выдавать 125 ампер или почти 1400 Вт.

Напряжение блока батарей[]

Номинальное напряжение одного элемента Li-Po составляет 3,7 В, а напряжение блока батарей Li-Po будет кратно 3,7 В количеству элементов, соединенных последовательно.

Аккумулятор 3S обеспечивает номинальное напряжение 11,1 В.

Литий-ионные и литий-полимерные[]

Литий-ионные элементы имеют цилиндрическую форму и жесткий металлический корпус. Литий-полимерные элементы имеют гибкий корпус типа фольги (полимерный ламинат), но содержат органический растворитель. Поскольку металлический корпус аккумуляторной батареи не требуется, батарея может быть легче и иметь особую форму, соответствующую устройству, которое она питает. Благодаря более плотной упаковке без отверстий между цилиндрическими элементами и отсутствию металлического корпуса плотность энергии Li-Poly аккумуляторов более чем на 20% выше, чем у классического Li-Ion аккумулятора, и примерно в три раза лучше, чем у NiCd и NiMH аккумуляторов. .

Напряжение литий-полимерного элемента варьируется от примерно 2,7 В (разряженный) до примерно 4,23 В (полностью заряженный). Литий-полимерные элементы должны быть защищены от перезарядки путем ограничения приложенного напряжения до уровня не более 4,235 В на элемент. Во время разряда под нагрузкой нагрузку необходимо отключить, как только напряжение упадет ниже примерно 3,0 В на элемент (используется в последовательном соединении), иначе аккумулятор потеряет емкость и больше не сможет принимать заряд.

Недавние усовершенствования конструкции позволили увеличить максимальный разрядный ток с двукратной емкости элемента до 15- или даже 20-кратной. В декабре 2007 года Toshiba объявила о новом дизайне, предлагающем гораздо более высокую скорость зарядки (около 5 минут до 9 часов).0%). Эти элементы были выпущены на рынок в марте 2008 года и, как ожидается, окажут сильное влияние на производство электроинструментов и электромобилей, а также на бытовую электронику.

Некоторые зарядные устройства могут быть настроены на зарядку литиевых и других типов аккумуляторов. Они должны быть установлены на настройку li-po, а неправильная установка типа батареи является одной из наиболее распространенных причин возгорания LiPo. Следующими наиболее распространенными причинами являются неправильная установка количества элементов в аккумуляторе и попытка зарядить физически поврежденный или переразряженный аккумулятор.

Как указывалось ранее, литий в литий-полимерном элементе опасен. Однако, руководствуясь здравым смыслом, с литий-полимерными батареями можно безопасно обращаться, они могут работать в течение многих циклов и так же безопасно утилизироваться. Литиевые батареи, используемые для обычных полетов на электромобилях, обычно служат пару лет и несколько сотен циклов.

Балансировка[]

Многие аккумуляторы, особенно большие, теперь поставляются со второй, меньшей, многопроволочной вилкой для балансировки. К нему можно подключить литиевый балансир либо во время зарядки, либо после нее, чтобы обеспечить одинаковое напряжение на всех элементах. Если батарея не сбалансирована, некоторые элементы могут быть перезаряжены, другие чрезмерно разряжены, и срок службы батареи может сократиться.

Балансировка необходима, поскольку литиевые батареи не балансируются автоматически небольшим перезарядом, как никель-кадмиевые батареи.

На рынке представлено множество различных балансировочных станков с литиевыми батареями, нет стандартной вилки и нет четкого соглашения о «наилучшем» балансировочном устройстве или методе балансировки. Не все балансиры совместимы со всеми зарядными устройствами, поэтому могут потребоваться некоторые исследования.

Некоторые балансировщики способны сбалансировать только небольшое количество ампер, которого, в зависимости от элемента LiPo, может быть недостаточно для достижения сбалансированного состояния. Некоторые новые зарядные устройства LiPo могут индивидуально заряжать каждую ячейку с помощью штекера балансира, что устраняет необходимость в отдельном балансире и гарантирует, что балансировка выполняется с достаточной мощностью.

Внешние ссылки[]

• Battery University — это интерактивный ресурс, предоставляющий практические знания об аккумуляторах инженерам, преподавателям, студентам и пользователям аккумуляторов.