Аккумулятор литий ионный характеристики: Типы и виды литий-ионных (литиевых) аккумуляторов (Li-ion) – Литиевые батарейки: характеристики, виды, зарядка — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

основные характеристики, преимущества и особенности эксплуатации

Тяжело представить себе жизнь современного общества без различных гаджетов и электронных приборов. Смартфоны, планшеты, ноутбуки — все это является незаменимым атрибутом комфорта в 21 веке. Но далеко не каждый пользователь знает, что подобные устройcтва работают на литиевых батареях и нуждаются в правильном обслуживании.

История возникновения

Первые упоминания о разработках литиевых аккумуляторных батарей датируются началом прошлого века. Первые полноценные модели вошли в эксплуатацию в 70-ых годах 20 века и включали в себя анод из лития. За счет отличных рабочих показателей и большого срока службы они быстро стали пользоваться большой популярностью и заняли лидерскую нишу на рынке батарей.

Являясь хорошим восстановителем, литий позволил производителям достичь максимального напряжения и удельной энергии батарей. При этом процесс усовершенствования технологии занял ещё около 20 лет, и только недавно литиевые аккумуляторы вошли в широкий обиход и стали применяться в самых различных сферах человеческой деятельности.

В этот период специалисты усердно трудились над повышением безопасности устройств, искали новые материалы и технологичные открытия, которые сделали бы их более продуктивными.

Вторичные литиевые модели, имеющие апротонные электролиты, а также модели с твёрдым катодом работают по тому же принципу, что и классическая разновидность. Минусовой электрод обеспечивает анодное растворение вещества, а в кристаллическую решетку элемента с плюсовым зарядом подаётся литий. При осуществлении зарядки процессы идут в обратном порядке.

Для разработки материалов под плюсовой электрод понадобилось немного времени. Основная задача, которая преследовалась производителем, заключалась в протекании обратимых процессов. Речь идет об идее анодной экстракции и катодном внедрении. На официальном языке такие этапы носят названия деинтеркалирования и интеркалирования. При проведении опытов исследователи внедряли самое различное сырье.

В идеале нужно было достичь отсутствия изменений при циклировании процессов. Особое внимание уделялось таким материалам:

TiS2 (дисульфид титана).
Nb (Se)n (селенид ниобия).
Сульфиды и диселениды ванадия;
Сульфиды меди и железа.

Достичь максимальных удельных показателей катода удалось с помощью оксидов металлов. Для этого исследователи проводили массу экспериментов с разными оксидами, пытаясь определить оптимальную обратимую работу. Задача заключалась в том, чтобы изменения объема катода не превышали 20 процентов.

Устройство аккумулятора

Практически любой современный li lon аккумулятор имеет особую конструкцию, которая отличается абсолютной непроницаемостью и герметичностью. Причём подобное требование к производству батареек продиктовано недопустимостью вытекания электролита, который находится внутри, ведь именно он обеспечивает стабильную работу устройства.

Помимо этого, в литий-ионных батарейках в роли отрицательного электрода выступает алюминий, в то время как в качестве положительного электрода работает медь. При этом аноды и катоды могут быть изготовлены практически в любой форме, хотя на практике чаще всего они встречаются в форме цилиндра или продолговатого прямоугольника, обёрнутого в фольгу. Аккумулятор имеет простое устройство:

Конструкция таких аккумуляторов может изготавливаться в двух основных вариантах: цилиндрическом и призматическом. В цилиндрическом исполнении сепараторный пакет и электроды устройства сворачиваются в рулон, а затем помещаются в специальный корпус, который может делаться из стали или алюминия. Корпус соединяется с отрицательным электродом, а через изолятор выводится положительный полюс батарейки прямо на крышку устройства. Что касается призматического варианта аккумулятора, то он производится путём складывания друг на друга плоских прямоугольных пластинок.

На медной фольге находится анодный материал, а на алюминиевой — катодный материал. Они разделяются при помощи пористого сепаратора, пропитанного электролитом.
Электроды, помещённые в аккумуляторный пакет, устанавливаются в прочный и герметичный корпус, в то время как катоды и аноды плотно присоединяются к специальным клеммам, предназначенным для снятия тока и обеспечения надёжного контакта с частями электроцепи (токосъёмник).

Сразу же под крышкой аппарата размещаются дополнительные устройства. Например, одно — для регулирования увеличения сопротивления, а второе — для разрыва электросвязи между катодом и клеммой. Помимо этого, в аккумулятор может быть встроен специальный предохранитель, который позволяет сбрасывать сильное давление в случае нарушения условий эксплуатации прибора.
Чтобы увеличить уровень безопасности в процессе использования устройства, батарейка li ion может быть оснащена внешней электронной системой защиты. Благодаря этому элементу исключается вероятность перегрева устройства, замыкания или чрезмерной перезарядки батарейки.

Чаще всего АКБ производятся в призматическом исполнении, поскольку такие устройства больше всего подходят для современных гаджетов наподобие мобильных телефонов, планшетов или ноутбуков.

Виды и область применения

Сегодня выпускается несколько видов Li-Ion батарей, отличающихся активными веществам. Объединяет эти батареи герметичный необслуживаемый корпус. Наибольшее распространение получили 6 видов АКБ:

Литий-кобальтовый — катод в этом типе источника питания изготовлен из оксида кобальта, а анод — из графита. Активно используется в мобильных электронных устройствах.
Литий-марганцевый — марганец обеспечивает более низкое сопротивление в сравнении с кобальтом. Эти батареи используются в портативных электроинструментах и медицинском оборудовании.
Литий-марганец-кобальт-никель-оксидный — катод изготовлен из смеси марганца, кобальта и никеля, что позволяет устранить недостатки каждого металла и усилить их положительные свойства. Применяется в ИБП для компьютеров, электромобилях, солнечных электростанциях, системах аварийного освещения и т. д.

Литий-железо-фосфатный — обладает высоким сроком эксплуатации, устойчив к неправильному использованию, способен выдавать ток большой силы. Применяется в специализированных устройствах, нуждающихся в высоких токах нагрузки.
Литий-кобальт-алюминий-никель-оксидный — имеет высокий показатель энергетической плотности и долговечности, но стоимость такого источника питания довольно высокая. Применяется в промышленности и медицине.
Литий-титанатный — практически по всем параметрам превосходит классические Li — Ion батареи, но высокая стоимость сдерживает широкое распространение. Применяется в электромобилях и системах уличного освещения на солнечных элементах.

Недостатки в конструкции

Вместе с этим, новые батарейки получили несколько критических недостатков, которые, впрочем, не сказались на их популярности и распространённости. Так, от перегрева они, как правило, воспламенялись или даже взрывались. Многие компании были вынуждены отзывать целые партии своих устройств из-за таких проблем. Для того чтобы противостоять этому, производителям пришлось вшивать прямо в аккумуляторы контроллеры заряда, которые управляли его уровнем и следили за температурой. При этом, по достижении пороговых значений, они могли просто отключить аппарат, чтобы дать ему остыть.

Другой неприятной особенностью стал эффект памяти. Его действие заключалось в том, что, по мере эксплуатации, батарея претерпевает множественные последовательные циклы неполного заряда и разряда. В результате, при активном использовании устройства, возникали проблемы с недостаточным временем работы.

Это связано с тем, что неполные заряды оставляют на катоде некоторое количество невысвобожденных частиц. Они имеют свойство накапливаться, при этом не влияя на показатели напряжения.

Чтобы преодолевать такие негативные последствия, производители давали несколько советов:

Избегать заряжать аккумулятор вблизи нагревательных приборов. Тепло усугубляет эффект накапливания, так как при более высоких температурах скорость реакции увеличивается.
Не давать батарее разряжаться полностью. Так на катодах, имеющих малую площадь сечения, не будет остаточных ионов, способных влиять на истинные показатели уровня заряда.

Близкая к комнатной температура считается наиболее приемлемой для литий-ионных батарей. Перегрев или переохлаждение вредят им практически одинаково. Например, пользователи гаджетов с алюминиевых корпусом некоторое время назад сетовали на то, что они сильно разряжаются на морозе. Степень ускорения этого процесса могла превышать величину в 50%. Для того чтобы это исправить, новые модели пытались выпускать с минимальными добавлениями в корпус металлов. В это время популярность приобрели поликарбонатные и стеклянные панели, которые обладали более низкой теплопроводимостью по сравнению с металлом.

Дальнейшее развитие

При работе с анодом появлялись многочисленные проблемы, т. к. при зарядке и осаждении лития создавалась поверхность с высокой активностью. При этом химический элемент оставался на поверхности катода, превращаясь в дендриты. В конечном итоге появлялась пассивная пленка, обволакивающая частицы лития и нарушающая взаимодействие с основным элементом. Вскоре этому процессу даже дали название — инкапсулирование.

За счет такой реакции, после определённого количества циклов, электроды теряли рабочие характеристики и теряли оптимальный температурный баланс внутри батареи. При этом в определённый промежуток времени элемент приобретал температуру плавления лития, и реакция становилась неконтролируемой.

Из-за этого, в начале 90-ых годов прошлого столетия, большинство выпускаемых моделей были возвращены обратно производителю. Речь идет о самых первых источниках питания, которыми оснащались мобильные девайсы. В те времена частота случаев взрыва телефона во время разговора была очень высокой. Упоминаются факты об обжигании лица человека и более серьезных последствиях. Кроме повышенной пожароопасности такие элементы вызывали короткое замыкание.

Учитывая сложившуюся ситуацию, исследователи стали искать более оптимальные решения и пытались найти выход из ситуации. Изначально они начали развивать метод обработки поверхности катода, пытаясь избежать образования дендритов введением в электролит всевозможных добавок. Учеными достигались большие успехи, но полностью решить проблему не удалось — до сегодняшнего дня.

Современное производство

В настоящее время электрод с отрицательными показателями создаётся не из чистого лития, а из различных сплавов. Лучшие показатели демонстрирует сплав алюминия и лития. В процессе разряда подобный электрод вытравливает литий, а при зарядке все происходит обратным образом. При осуществлении цикла «заряд-разряд» меняется концентрация лития в сплаве. Естественно, таким образом происходит небольшая потеря активности элемента, а потенциал электродов из сплавов снизился на 0.2−0.4 вольта.

То же самое касается рабочего напряжения и взаимодействия электролита и сплава. Однако такое действие оказало и положительный эффект, т. к. снизился и саморазряд.

Тем не менее, сплав из алюминия и лития не стал пользоваться большой популярностью и быстро вышел из обихода. Объяснялось это обильным изменением удельного объема сплавов, а при глубокой разрядке электрод становился хрупким и осыпался. Учитывая сложившуюся ситуацию, производители решили отказаться от этого направления, в пользу изучения остальных материалов, в частности, сплавов.

В результате продолжительных исследований удалось убедиться в том, что наиболее продуктивные характеристики свойственны сплавам лития с тяжелыми металлами. В качестве примера можно взять слав Вуда, показавший отличное сохранение удельного объема. Тем не менее, его не стали активно использовать — по причине недостаточных удельных характеристик для полноценной работы батареи.

Недавно производители литиевых батарей убедились в том, что металлический элемент не обладает необходимой стабильностью, поэтому они стали развиваться в другом направлении. После принятия решения отказаться от использования компонентов батареи в чистом виде инженеры начали задействовать ионы лития. Таким образом на рынок вышли литий-ионные разработки.

Плотность этих устройств значительно ниже, чем у литиевых, но в плане технической безопасности и комфорта использования у них вообще нет равных.

Тонкости эксплуатации и принцип работы

Не секрет, что продолжительность службы литиевых аккумуляторных батарей напрямую зависит от обслуживания и соблюдения правил эксплуатации. Любое отклонение от них может повлечь за собой неприятные последствия и привести к выходу источника питания из строя.

В качестве примера можно взять модели, которые разрабатываются для мобильных смартфонов, планшетов и прочих портативных устройств. Как правило, от недобросовестных пользователей эти аккумуляторы защищаются специальными контроллерами.

Первое ключевое правило эксплуатации заключается в том, что литиевые аккумуляторы должны функционировать под напряжением 2,7−4,2 вольта. Нижний показатель определяет минимальный уровень заряда, а верхний — максимальный. Любое отклонение от установленных показателей может повлечь за собой снижение емкости батареи.

Современные модели оснащаются графитовыми электродами. Эти элементы имеют минимальный показатель — 3 вольта. Если говорить о 2,7 В, это подходит для электродов из кокса. Эффективность отдачи электрической энергии при снижении напряжения получила название «емкость».

Для продления срока службы устройства достаточно слегка сузить диапазон напряжения. В большинстве случаев он составляет 3,3−4,1 В. Опытные специалисты утверждают, что лучшая продолжительность эксплуатации таких источников питания замечтается при уровне заряда 45%. Заряжать такую батарею рекомендуется при 15−25% заряда, а снимать с зарядного устройства после достижения 100-процентных показателей.

Глубокий разряд и заряд батареи предотвращается специальным контроллером. В его качестве используется небольшая плата с микросхемой. Сегодня этот элемент присутствует практически на всех аккумуляторных батареях во всевозможных девайсах:

Мобильных телефонах.
Планшетах.

Без сомнений, эффективность работы литиевых аккумуляторов и срок их службы тесно связаны с контроллером. Пользователю важно не принимать участия в этом процессе, иначе последствия могут быть необратимыми.

Стандартные параметры

Все разновидности литиево-ионных АКБ имеют типичные характеристики, независящие от их состава и сферы использования. Они состоят в следующем:

Общее время подзарядки устройства составляет от 2 до 4 часов.
Количество циклов: разрядка/зарядка при достижении 20 процентов ёмкости батарейки колеблется от 500 до 1000.
Напряжение минимальное варьируется от 2,2 до 2,5 В.
Напряжение максимальное составляет от 4,25 до 4,35 В.
При обычной комнатной температуре самостоятельный заряд устройства составляет около 7% в год.
Температурный режим, в диапазоне которого батарея может исправно функционировать, колеблется в пределах от 20 до + 60 градусов.

Лучше всего заранее ознакомиться с техническими параметрами АКБ. Это поможет избежать ошибок в процессе использования литиево-ионной батареи и увеличит срок её эксплуатации.

Этапы эксплуатации аккумулятора

Как и у каждого электронного устройства, источники питания имеют свой жизненный путь. Чтобы они служили как можно дольше без необходимости замены, нужно следовать правилам корректной эксплуатации на каждом из этапов. Их несколько:

Первичный цикл заряда-разряда.
Повседневная эксплуатация.
Хранение.
Утилизация.

При поступлении к пользователю аккумулятор стоит подвергнуть нескольким последовательным полным разрядам и зарядам. Так можно настроить контроллер внутри на оптимальные параметры и существенно продлить срок использования. Для этого нужно, не подзаряжая, полностью опустить уровень заряда к значению, близкому к нулю, а после его зарядить. Повторять такой процесс лучше не более трёх-четырёх раз. В последующих случаях батарее будет наноситься только вред.

При повседневной работе лучше не допускать снижения уровня ниже пятнадцати — двадцати процентов. Заряжая, не стоит оставлять устройство подключённым к сети на ночь. Тогда батарея находится под постоянным дежурным напряжением, что снижает время её жизненного цикла.

Использование некачественных зарядок тоже может сильно сократить срок жизни аккума. При их изготовлении применяются некачественные электротехнические материалы, что приводит к несоответствию указанных характеристик с реальными.

Например, если напряжение, выдаваемое зарядником, будет превышать норму хотя бы на 5%, неизбежна постепенная потеря ёмкости. То же касается и силы тока, который поступает на модули. Проверить эти параметры можно любым мультиметром. Для этого зарядное устройство вставляется в розетку, а к плюсовому и минусовому пинам на его конце прикладываются щупы измерительного прибора.

Измерительный прибор должен быть выставлен в режим до 20 вольт переключателем на корпусе. Если результат в пределах нормы, тогда тревожиться не стоит. В других ситуациях — например, когда при заявленных 5 вольт выдаётся 5,1−5,2, такое устройство лучше не использовать. От него у батареи неминуемо произойдёт деградация ёмкости.

Правильно определять полярность пинов на разъёме зарядника не требуется: даже если она будет перепутана, на экране просто высветится значение со знаком минус. Больше проблем может доставить именно их поиск. Для того чтобы безошибочно определить два пина, отвечающие за питание, нужно переключиться в режим «звонилки», то есть измерения сопротивления с сигналом при коротком замыкании. Нужно пройтись по всем пинам последовательно: пара, при которой мультиметр издаёт писк, и есть искомые контакты.

Хранение элементов

Если планируется оставить устройство на некоторое время, следует правильно его хранить. Для этого нужно периодически его подзаряжать. Таким образом, компенсируется тот саморазряд, который произошёл за время простоя. Оптимальным промежутком между такими операциями будет около 450−550 часов. Но правильнее всего следить за падением напряжения.

Необязательно постоянно проверять показатель, достаточно делать это раз в неделю. Принцип таков:

Соблюдая полярность, нужно приложить щупы к позитивному и негативному контактам. Мультиметр должен быть в режиме измерения напряжения до 20 вольт.
При результате в 4 и меньше вольт на экране, нужно подзарядить элемент.
Когда напряжение поднимается до 4,2−4,3 вольт, прекратить подачу питания.

За процессом нужно внимательно следить. Перезаряд для батареи на хранении опасен. Он может провоцировать осаждение ионов невалентного металлического лития. При этом растёт выделение кислорода, который заставляет корпус расширяться. Так и появляются «вспухшие» аккумуляторы.

Срок службы

Качественная литиевая батарея способна проработать до 500 циклов «заряд-разряд». Такой показатель характеризует большинство современных аккумуляторов, которыми оснащаются электронные приборы. Что касается времени работы на одном заряде, то его определяет масса факторов, в том числе и интенсивность использования устройства. Если пользователь постоянно смотрит фильмы в высоком разрешении, играет в игры со сложной графикой или проводит много времени в интернете, аккумулятор может лишиться своего рабочего ресурса всего за один год. Однако у среднестатистических потребителей срок службы без необходимости замены достигает ¾ лет.

Важным атрибутом долгой и эффективной работы батареи является правильная зарядка. Чтобы избежать потери рабочего ресурса, важно использовать исключительно штатное зарядное устройство, отказываясь от дешевых китайских аналогов. Как правило, в качестве такого прибора выступает зарядка с напряжением 5 вольт. Что касается штатных моделей, они обеспечивают 0,5−1 *С (этот показатель указывает на номинальную ёмкость батареи).

Процесс зарядки условно разделяется на несколько этапов:

Первый этап занимаемо около одного часа. На нем необходимо держать ток на постоянном уровне до тех пор, пока показатели напряжения не достигнут 4,2 вольта. В конечном итоге степень заряженности составит 70 процентов.
Продолжительность второго этапа тоже равна одному часу. За этот промежуток времени контроллер выдает стабильные 4,2 вольта, а интенсивность тока снижается. Как только она опустится до 0,2 *С, можно начинать последний этап.
На третьем этапе ток снижают при напряжении 4,2 вольта. По сути, он полностью повторяет предыдущий этап, но отличается стргоим соблюдением продолжительности в один час. В конечном итоге остается отключить зарядное устройство от сети.

Особенности хранения

Не секрет, что практически все литиевые аккумуляторы подвергаются постоянной деградации. Этот необратимый процесс начинается непосредственно со снятия батареи с конвейера. За год усердной работы емкость АКБ может снизиться вплоть до десяти процентов, если учесть несоблюдение базовых правил эксплуатации и хранения.

Интенсивность деградации определяется многими факторами, включая степень заряженности и температуру ОС.

Если допускать повышение температурного режима до 40−50 градусов Цельсия, то деградация будет невероятно быстрой. Наиболее оптимальный рабочий режим — 0−10 градусов. Однако найти такие показатели в домашней обстановке проблематично. Поэтому лучше всего хранить оборудование при комнатной температуре и средней заряженности.

Также важно избегать попадания прямых солнечных лучей на батарею, а раз в шесть месяцев проводить глубокую разрядку и зарядку аккумулятора.

Учитывая специфику конструкции, не стоит самостоятельно разбирать аккумулятор и пытаться восстановить его. Только при наличии соответствующих навыков и опыта можно выполнить такую работу. Однако важно помнить о технике безопасности и не забывать использовать перчатки и защитные очки.

Правильный уход за литиевыми аккумуляторами — залог их долгой и надежной работы.

Утилизация отработанных батарей

Такие источники питания ни в коем случае нельзя выбрасывать просто в мусорку. Они имеют свойство выделять токсичные соединения в почву, тем самым загрязняя её кобальтом, медью и литием.

Кроме того, в производстве задействованы некоторые химические элементы, которые в природе не возобновляются. Потому вторичная переработка таких аккумуляторов — способ не исключать их из природного фона.

На сегодняшний день, к сожалению, не существует эффективных способов переработки и вторичного использования этих элементов. Современные технологии для этого процесса настолько энергозатратны, что легче просто утилизировать отработанные модули.

Это делается в несколько этапов:

Вскрытие в сухом и прохладном помещении.
Удаление всей массы литийсодержащего электролита из корпуса.
Разделение и растворение пластин.
Переплавка цветных металлов, извлечённых из модуля.

После этого пластик, из которого состоит корпус, измельчается в специальных установках. Его можно использовать как недорогое вяжущее для производства асфальта вместо смолистого битума.

Правильной утилизации способствует практика установки специальных урн в салонах сотовой связи, куда можно выбросить отработанный аккумулятор. В дальнейшем все они сдаются на специальные предприятия.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов | Практическая электроника

Выбор элементов аккумуляторов ноутбуков по техническим характеристикам.

Диапазон напряжений

Первое на нужно обратить внимание это на тип химии элементов, так как от него очень многое зависит. Чаще всего устанавливаются Li-ion аккумуляторы с напряжением 3,6 В, такие аккумуляторы можно заряжать до напряжения 4,2 В и разряжать до 3,0 В. Очень важно обратить внимание на диапазон работы аккумуляторов, нельзя чтобы новые элементы были рассчитаны на более узкий диапазон чем используется в аккумуляторной батареи. Выход напряжения на элементы выше допуска будет вести к его перегреву и возможно даже взрыву, а выход напряжения ниже допустимого приведет к резкой потере емкости.
Элементы с более широким диапазоном напряжений можно применять, правда они могут быть необоснованно дороги.

Токи заряда и разряда

Следующее что стоит отметить это токи заряда/разряда, тут обычно проблем не возникает, для ноутбуков не требуется применение сильноточных аккумуляторов, это не электроинструмент потребляющий десятки Ампер. Величина токов в аккумуляторах ноутбуков исчисляется Амперами, скорее всего проблемы не будет, но уточнить токовую способность стоит.

Емкость аккумуляторов

С емкостью аккумуляторов проще, лучше чтобы она была сопоставима с емкостью оригинальных элементов. Занижение емкости приведет к снижению времени автономной работы ноутбука, а вот завышение емкости без перепрошивки контроллера увеличит время работы незначительно.
Например, я заменил элементы с 2900мАч на 3350мАч, и это должно было привести к 15,5% повышению емкости. А контроллер аккумуляторной батареи ноутбука был запрограммирован на то что в нем были установлены элементы на 2800мАч и их заменили на элементы с емкостью 3000мАч.

Уточню, что сборка из 6-ти литиевых аккумуляторов напряжением 3,6 В. И чтобы перевести есмокость из Ватт часов для батареи, в ампер часы для элементы, первую надо поделить на 6 (батарей) и ещё на 3,6 В (напряжение на элементе).

Если хочется сэкономить, а время автономной работы не важно, то можно поставить элементы на меньшую емкость или уменьшить количество аккумуляторов включенных в параллель (например, вместо двух поставить один). Только уточните токовую нагрузку аккумуляторов, так как аккумуляторы на меньшую емкость обычно имеют меньшую токовую способность.

Размеры

И конечно, на что следует обратить внимание так на габариты аккумуляторов. Самый распространенный типоразмер, применяемый в съемных аккумуляторах ноутбуков – цилиндрические 18650, где первые две цифры обозначают диаметр аккумулятора 18 мм, и 65 мм – длинна. Хотя из-за особенностей конструкции электродов, наличия или отсутствия платы защиты длина может быть больше и такие аккумуляторы могут не влезть в старый корпус.
Стоит уточнить, что в батареях ноутбука используются элементы без плат защит: защиту от выхода напряжения из рабочего диапазона, перегрева, превышения тока осуществляет контроллер батареи. Если в наличии есть только элементы с платами защиты, то нужно удалить эти платы так они могут помешать работе контроллера, да и более длинные элементы вряд ли удастся впихнуть в старый корпус.

Натрий-ионный аккумулятор. Реальные перспективы супер-батареи

Один из самых перспективных кандидатов на замену литий-ионным аккумуляторам — натрий-ионный. Вопрос перехода на новые типы аккумуляторов назрел давно. Для прогресса в различных областях, особенно в автомобилестроении, нужны дешевые и емкие аккумуляторы, а литий дорожает год от года, к тому же он химически очень активен и пожароопасен.

Результаты исследований показывают, что натриевые аккумуляторы могут заменить литий-ионные, используемые сегодня в электронных устройствах и некоторых типах электромобилей. При этом электроды должны быть сделаны из железа, а не из никеля или кобальта. Такие материалы, как натрий и железо широко распространены в природе, и их использование приведет к снижению стоимости, при этом плотность энергии останется такой же, как и у литиевых аккумуляторов.

В ноябре 2017 года французская компания Electrochemical Energy Storage (RS2E) анонсировала новую улучшенную батарею формата 18650, имеющую напряжение 3,5 В, ёмкость 90 Вт*ч/кг, количество циклов заряд-разряд более 2000 без существенной потери ёмкости, что соответствует примерно 10 годам эксплуатации.

В 2019 году гигантская Na-ионная батарея мощностью 100 кВт-ч была открыта для испытаний китайскими учеными в Исследовательском центре физики дельты реки Янцзы. Гигантская батарея состоит из более чем 600 соединенных Na-ионных аккумуляторных элементов и обеспечивает питание здания, в котором расположен центр.

Камень преткновения

Пределом мечтаний сейчас стала мысль поменять литий на натрий, в техническом процессе производства аккумулятора. Увы, но все как оказывается, упирается в размеры атомов элементов. Атом натрия не встроится туда куда атом лития легко становится, атом лития намного меньше атома натрия.Электрод просто не сможет накапливать ионы натрия. Литиевый аккумулятор состоит из двух электродов, один на основе углерода (графит), а другой из оксида кобальта (в идеале, но может быть и иной оксид).

Ионы лития несут заряд от одного электрода к другому. Когда идет зарядка аккумулятора, ионы лития высвобождаются из электрода на основе оксида металла и направляются в сторону электрода на основе углерода. Пока идет заряд, между слоями углерода накапливаются ионы лития. При разряде литий-ионного аккумулятора, все происходит с точностью наоборот. Не трудно понять, что размер и встраиваемость ионов это и есть камень преткновения в разработке. Чем проще ион достигает своей цели, тем большую мощность может развить батарея, если же процесс встаривания вялотекущий, то получить ток на нагрузке нужного уровня будет крайне сложно.

Na-ion аккумулятор все еще находится в стадии разработки, и исследователи работают над увеличением его срока службы, сокращением времени зарядки и производством аккумуляторов, способных выдавать большую мощность. В настоящее время ученые сосредоточились на совершенствовании конструкций натрий-ионных аккумуляторов, прежде всего на подборе оптимальной конструкции электрода и поиске экологически чистых материалов. После завершения этой работы, можно будет говорить о начале коммерциализации новой технологии.

Мечта про идеальную чудо-батарею

Абсолютной чудо-батареи пока не существует, и она остается «слабым звеном» в обозримом будущем. Поскольку батарея основана на электрохимическом процессе, необходимо учитывать ограничения плотности мощности и короткого срока службы. Мы должны приспособиться к этому ограничению и спроектировать изделие, соответствующее заданным параметрам. Люди хотят получить неисчерпаемый запас энергии в небольшой упаковке, которая будет дешевой, безопасной и чистой. Необходим радикальный поворот, чтобы удовлетворить неутолимую жажду портативных и мобильных устройств.

За последние полтора столетия аккумулятор улучшился умеренно по сравнению с другими достижениями прогресса. Аккумулятор по прежнему хранит относительно мало энергии, громоздок, тяжел и имеет короткий срок службы. Наблюдается тенденция, что чем меньше батарея, тем больше возрастает цена за ватт. Скорость, с которой мобильность совершенствуется, во многом зависит от батареи. Этот источник энергии настолько важен, что инженеры проектируют портативные устройства вокруг батареи, а не наоборот. С каждым постепенным улучшением батареи открываются перспективы для создания новых конструкций и расширения их применения.

Исследования новых типов аккумуляторов идут уверенными темпами. Среднегодовой прирост мощности обычно составляет около 6%. Для сравнения, микроэлектроника добилась гораздо лучших результатов. Гордон Мур сделал свое знаменитое наблюдение в 1965 году, когда он предсказал, что рост числа транзисторов на интегральную схему будет удваиваться каждые два года. Благодаря неустанным технологическим достижениям Intel, закон Мура был сохранен и претворяется в жизнь и в 21 веке. Такие успехи, если бы это было возможно для аккумуляторов, уменьшили бы сверхмощный автомобильный аккумулятор до размера монеты.

Проблема состоит в размере ионов натрия, которые на 25% больше, чем у лития. Из-за этого ионы медленно перемещаются и с трудом встраиваются в кристаллическую структуру электродов. До сих пор эта проблема казалась нерешаемой, ведь уменьшить размеры ионов натрия нельзя, но ученые нашли способ обойти данный барьер.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы лидируют…

Литий-ионные аккумуляторы отличаются от прочих многими желательными характеристиками, такими как высокая эффективность, длительный срок службы, высокая плотность энергии и высокая удельная мощность. Плотность энергии Li-ion, по крайней мере, в два раза выше, чем у NiCad, и его номинальный ток нагрузки достаточно высок. На самом деле Li-ion ведет себя подобно NiCad с точки зрения характеристик разряда. Li-ion также имеет относительно низкий уровень саморазряда.

Характеристики Li-ion, наряду с их способностью к быстрому разряду, сделали их почти идеальными для применения в мобильной электронике.

Альтернатива литию и надежды на «соседа»

Потребление лития с каждым годом растет, появляется все больше разных устройств на батарейках, гаджеты, телефоны, смартфоны. Большинство из них — это аккумуляторы созданные на основе литий-ионных структур.

К сожалению, литий является ограниченным ресурсом и ему будет сложно удовлетворить растущий мировой спрос на относительно дешевые батареи. Поэтому исследователи сейчас ищут альтернативы литий-ионному аккумулятору.

И хотя лития в природе еще достаточно много, на наш век хватит, о будущем нужно думать уже сегодня и придумывать такое, чтобы действенно заменяло литий в аккумуляторах. Возможно, на очередном этапе будет создан аккумулятор с лучшими показателями и гораздо дешевле.

Многообещающей альтернативой является замена лития металлическим натрием, чтобы сделать Na-ионные батареи. Натрий в больших количествах содержится в морской воде и может быть легко извлечен из нее.

Специалисты обратили внимание на «соседа» по таблице Менделеева, на щелочной метал натрий, который можно и найти практически всюду, да и по цене он гораздо дешевле лития. Таким образом, можно создать аккумулятор, в котором уже ионы натрия (Na+) встраиваются в слои материала. В качестве матрицы использовали материал на основе молекул 4,4’-стильбендикарбоксалата. Опытный электрод из такого материала имеет достаточную емкость и позволяет добиваться хороших показателей в мощности.

Натриевые перспективы

Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion) — это тип электрического аккумулятора, который имеет практически идентичные литий-ионному аккумулятору энергетические характеристики, но стоимость применяемых в нём материалов значительно ниже (натрий примерно в 100 раз дешевле лития). Поэтому в ближайшие годы ожидается широкое распространение таких аккумуляторов взамен литиевых, в том числе в электромобилях. Большим преимуществом натрий-ионных батарей является безвредность разряда до нуля, что делает более безопасной их перевозку и хранение.

Решение проблемы замены лития на натрий в акумуляторах заключается в увеличение расстояния между отдельными слоями атомов углерода, образующих кристаллическую структуру графита.

Аккумуляторы Na-ion работают по тому же принципу, что и Li-ion: натрий так же хорошо теряет электроны и отлично подходит для создания анода. Однако у батарей Na-ion есть серьезный недостаток — очень долгое время заряда и разряда, то есть такие батареи принимают и отдают слишком слабый ток, мощности которого не хватает, например, для вращения автомобильного электродвигателя.

Отличающая химическая активность и более крупные размеры атомов натрия потребуют изменения конструкции батареи. Чтобы соответствовать по плотности энергии литий-ионным аккумуляторам, анод натриевого аккумулятора должен удерживать большее количество ионов.

Группа исследователей Токийского университета науки под руководством Шиничи Комаба (Shinichi Komaba) создала специальный материал, смешав оксид железа, оксид натрия и оксид марганца. Затем полученный порошок был помещен в капсулу и нагревался на протяжении 12 часов при температуре 900 °С. Формула нового материала, который был использован для создания анода аккумулятора, имеет вид Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2, при этом катод был изготовлен из натрия.

Емкость полученного аккумулятора составила 190 мА•ч на один грамм при среднем напряжении 2,75 В. Если катод выполнить из углерода или диоксида титана, напряжение можно увеличить до 3 В. Это примерно соответствует напряжению, которое можно получить от двух батареек типа АА.

Вариант аккумулятора, в котором ионы натрия (Na+) встраиваются в слои материала электрода.

Новый аккумулятор имеет электроды, собранные из множества слоев, причем между слоями большой зазор, по которому, как по автобану, быстро передвигаются крупные ионы натрия. Это позволяет быстро вводить электроны в решетку электродов (т.е. быстро заряжать аккумулятор), а также быстро извлекать их оттуда (разряжать). Производительность нового аккумулятора высока: плотность тока в 1000 раз выше (10 А/г против 10 мА/г), чем у большинства других натрий-ионных аккумуляторов.

Такой аккумулятор имеет большую емкость при максимальных токах: (72 мА·ч/г). При промежуточных значениях плотности тока (1 А/г), новый аккумулятор показывает впечатляющую емкость до 160 мА·ч/г, что сравнимо с лучшими литий-ионными аккумуляторами. Долговечность Na-ion тоже на высоте: высокое количество циклов заряд/разряд при сохранении 70% емкости. Проще говоря, для электромобиля с запасом хода в 200 км на одной заправке срок службы батареи составит 5-10 лет без заметного ухудшения характеристик.

Еще одним преимуществом является то, что Na-ионные батареи не нуждаются в кобальте, который все еще необходим в литий-ионных батареях. Большая часть кобальта, используемого сегодня для производства литий-ионных батарей, добывается в Демократической Республике Конго, где восстания, неорганизованная добыча полезных ископаемых и детский труд создают неопределенность и моральные сомнения в отношении торговли кобальтом.

С положительной стороны также учитывается, что Na-ионные аккумуляторы могут производиться на тех же заводах, которые сегодня производят литий-ионные аккумуляторы.

Дисульфид молибдена ведёт себя в натрий-ионных аккумуляторах: многослойная и пористая структура обеспечивает эффективные диффузные каналы для ионов натрия во время быстрого накопления и отдачи заряда ячейками. Кроме того, отпадает необходимость в использовании полимерного связующего вещества и медной фольги, которые являются частью традиционных электродов. При этом электроды нового типа дают стабильную зарядную ёмкость в 230 мА•ч/г.

Одна из проблем заключается в том, что может быть сложно изготовить небольшие Na-ионные батареи. Но большие батареи также имеют ценность — например, когда речь идет о хранении ветровой или солнечной энергии.

Na-ионным – «зеленую» дорогу

В условиях быстрого роста спроса на электроэнергию, вырабатываемую из возобновляемых источников, интерес к Na-ионным батареям вырос из-за их низкой стоимости и необходимости увеличивать разнообразие технологий хранения аккумуляторов в целях обеспечения энергетической безопасности. Для небольших масштабов (<60 кВт-ч) децентрализованных накопителей энергии технологии Na-ion батареи являются идеальными кандидатами.

Это предложение улучшит производительность Na-ion батарей с точки зрения энергии и плотности мощности путем создания замкнутого подхода к проектированию, характеристикам, моделированию и получения материалов.

Исследования продолжаются

Разработан также новый твердый электролит для натрий-ионных аккумуляторов на основе бороводородов. С его помощью швейцарские ученые создали полностью твердый и стабильный аккумулятор с напряжением три вольта, сообщается в исследовании швейцарских ученых, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science.

Натрий-ионные аккумуляторы состоят из анода и катода, разделенного электролитом, через который перемещаются ионы металла (лития или натрия). Во время разрядки ионы металла перемещаются к катоду, а электроны к аноду. Во время зарядки процессы идут в обратном направлении. Проблема таких аккумуляторов заключается в том, что металл может осаждаться на электрод неравномерно и образовывать дендриты — кристаллические отростки древовидной формы. Эти дендриты могут разрушать сепаратор, разделяющий анод и катода, из-за чего может произойти короткое замыкание, которое, в свою очередь, может вызвать возгорание или даже взрыв аккумулятора.

Учёные из Стэнфордского университета сообщили, что использование литий-натриевых батарей вместо литий-ионных может существенно снизить стоимость электрокара. Отмечается, что натриевые аккумуляторы могут стоить на 80% дешевле, чем аналоги, имеющие в основе литий

Ученые разрабатывают разные пути решения этой проблемы, в том числе аккумуляторы с твердым электролитом, который препятствует образованию дендритов. Исследователи под руководством Арндта Ремхофа (Arndt Remhof) из Швейцарского федерального исследовательского института материаловедения и технологий решили совместить низкую стоимость сырья для натрий-ионных аккумуляторов и безопасность твердотельных электролитов. Для этого они разработали новый электролит с высокой проводимостью натриевых ионов, состоящий из клозобората Na2(B12h22)0.5(B10h20)0.5.

На его основе был собран аккумулятор с натриевым анодом и катодом из NaCrO2. Для этого они спрессовали порошок электролита и порошок для катода, в который предварительно также добавили небольшую долю Na2(B12h22)0.5(B10h20)0.5. К полученному материалу они добавили натриевую фольгу и собрали аккумуляторную ячейку. Исследователи протестировали ее электрохимические свойства, и выяснили, что ее напряжение составляет три вольта, емкость около 85 миллиампер-часов на грамм. При этом аккумулятор сохраняет около 80 процентов емкости после 250 циклов зарядки-разрядки в режиме пятичасового разряда (C/5).

В 2015 году американские физики создали более стабильный катод для натрий-ионных аккумуляторов на основе эльдфеллита, а недавно другая группа американских ученых разработала другой катод для аккумуляторов такого типа, который позволит достичь емкости, сравнимой с литий-ионными аккумуляторами при гораздо меньшей стоимости производства. Также недавно исследователи предложили новый метод борьбы с образованием дендритов в литий-ионных аккумуляторах — добавлять в их электролит наноалмазы.

В настоящее время все поиски сосредоточены на том, чтоб найти материал, который бы был лучше чем графит с позиции встраивания атомов натрия во время зарядки аккумулятора. Даже сейчас уже можно создать натрий-ионный аккумулятор и он будет таким же мощным, но вот размеры его будут куда большими. Кому нужен аккумулятор большой? Главное, чтоб он был и мощный и маленький как минимум.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Литиевые аккумуляторы – характеристика и применение

Литиевые аккумуляторы являются экологически безопасными, энергоемкими, могут долго работать без перезарядки, находятся в рабочем состоянии при низких температурах. Так как они достаточно энергоемки, и это выгодно их отличает от других таких же устройств, то их производство постоянно увеличивается. Они выпускаются цилиндрической и призматической формы.

Их применяют в ноутбуках, сотовых телефонах и других портативных устройствах. Их рабочее напряжение составляет около четырех вольт. Работают в интервале температур от -20 до +60°С. Уже существуют такие аккумуляторы литиевые, которые могут работать при температуре -40°С. Также идут работы по расширению плюсового интервала температур. Их саморазряд в первый месяц работы составляет 4-6%, далее эта цифра уменьшается, и за год они теряют до двадцати процентов емкости. Эти характеристики значительно лучше, чем у никель-кадмиевого варианта. Они могут прослужить от 500 до 1000 циклов, но их число зависит от значения предельного зарядного напряжения.

Литиевые аккумуляторы АА формата применяются для любой техники, у которой есть специальное гнездо для батареек формата АА. Существуют литий-полимерные и литий–ионные аккумуляторы. Первые более безопасны, имеют небольшие габариты и могут быть любой формы, так как не имеют в своем составе жидкого электролита. Корпус для них выполняется из металлизированного полимера. И сейчас большинство представителей этих аккумуляторов в продаже именно этого направления с гелиевым электролитом. Недостатком является чувствительность к перезарядке, так как с ростом тока разряда снижается рабочее напряжение. Хранить это устройство нужно при комнатной температуре, с полной зарядкой и раз в год нужно выполнять подзарядку. Потому что, если этого не делать, то может возникнуть переразряд. Потеря емкости при хранении происходит по причине реакции электролита с электродами. За несколько месяцев хранения напряжение батареи может значительно уменьшиться, в результате зарядное устройство не сможет его зарядить.

Зарядка

Заряжаются литиевые аккумуляторы сначала при постоянном токе до напряжения 4,2 В, и далее при постоянном напряжении. Они имеют низкую устойчивость к переразряду. При этом внутри корпуса повышается температура. И он может разгерметизироваться. Поэтому их зарядку нужно вести до того уровня, который рекомендован руководством по эксплуатации. Очень вредно увеличивать напряжение при зарядке, таким образом можно существенно снизить ресурс устройства.

Правила работы

Литиевые аккумуляторы имеют срок службы 2-3 года. И это не зависит от того, как интенсивно их эксплуатировали. Они не должны долго где-то храниться, а предназначаются для постоянной работы.

У них есть специальная защита от переразряда и глубокого разряда, поэтому они могут находиться в зарядном устройстве и во включенной технике любое время.

Если аккумулятору предстоит храниться в течение 1 месяца, то он должен быть полностью заряжен. Температура хранения должна составлять от +5°С до +20°С. Если его хранить в разряженном состоянии, то через два месяца он полностью выйдет из строя.

Устройству лучше не находиться при температуре ниже -10°С, так как это сильно сократит время работы аппарата, работающего от него. При температуре ниже +5°С он не сможет зарядиться полностью. А при температуре выше +40 ° аккумулятор очень быстро разряжается.