Этой статьей я бы хотел разъяснить некоторые моменты и провести своеобразный ликбез.
Литий-полимерные аккумуляторы
Сразу с главного — в свободном доступе на рынке не существует литий-полимерных аккумуляторов в техническом смысле этого слова. В англоязычном мире с этим уже разобрались, а вот на постсоветском пространстве существуют некоторые издержки в терминологии, которыми пользуются маркетологи. Маленькое отступление — не то, чтобы этим не пользовались в других регионах, но там хотя бы есть возможность проверки этой информации на родном языке.
Немного истории
Любой литий-ионный аккумулятор имеет 4 основных составляющих — два электрода (анод и катод), электролит и сепаратор. Все 4 элемента развивались и развиваются дальше. Для электролита на начало исследований (1970-ые) было предложено два варианта — жидкий или твердый электролит. В то время твердый электролит обещал больше перспектив в эксплуатации — электролит не вытекает при повреждении корпуса, сам элемент более прочный. Главным недостатком было и остается высокое сопротивление твердого электролита, оно сводит на нет физические характеристики.
Не смотря на ориентацию на жидкий электролит компании не перестали искать альтернативы. Одним из вариантов стали так называемые гибридные электролиты. Фактически для них используется сепаратор с мелкими отверстиями и тем же жидки электролитом. Хотя он на ощупь кажется сухим, на самом деле количество электролита в нем не отличается от подобного в обычном аккумуляторе. Как в принципе и конструкция:
Схематическая модель литий-ионного аккумулятора с катодом LiCoO2 и графитовым анодом из Википедии на немецком языке.
Подобные аккумуляторы довольно распространены, их коммерческое распространение началось еще в начале 2000-х, но физически и химически это те же самые литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом и их в общем не очень много.
Что же представлено на рынке?
Одним из способов классификации аккумуляторов является его корпус. На сегодня существуют три популярных способа упаковки:
- Цилиндрические ячейки
- Призматические ячейки
- «Мешочек» или pouch-bag ячейки
Первый тип аккумуляторов известен своим использованием в ноутбуках и автомобилях Тесла (там используется его самый распространенный размер 18650).
Второй тип является измененной формой цилиндрических. Алюминиевый корпус, прямоугольник или квадрат в поперечном сечении. Популярен для стационарного применения и в транспорте.
Третий тип имеет мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах.
Последние в списке и есть те самые «полимерные». Они так называются по нескольким причинам. Самый наглый способ маркетологов — корпус из полимеров, потому и «полимерные».
Второй вариант — использование полимерного мелкопористого сепаратора. Фактически ничем не отличается от обычного литий-ионного аккумулятора.
Третий вариант, который я не встречал — давать название «полимерный» на основании использования полимерных элементов в качестве основ катодов, анодов и прочих элементов. Как правило попадает в множество аккумуляторов в пластиковом корпусе.
Проблемы терминологии
При разработке концепции идея была такова, что под понятием «жидкий электролит» понимались жидкий или гелеобразный раствор соли лития, в то время как под понятием «твердый электролит» (solid electrolyte) — твердое состояние вещества. Так как возникло желание продать то, что обещалось но чего нет, то сегодня даже в среде исследователей гелевый электролит вносят в перечень «твердых» электролитов, хотя его характеристики все же скорее гибридные. Потому можно встретить описание в научных работах «твердый гелевый электролит», которое некоторыми учеными считается вводящим в заблуждение.
Будущее полимерных электролитов
Разработки ведутся и в перспективе возможно появление аккумуляторов с настоящим полимерным электролитом. Однако по состоянию на 2015 год лабораторные образцы полимерных электролитов на основе органической химии не показывали ощутимого прогресса, потому на дату публикации статьи в обозримом будущем не предвидится массового ухода от жидкого электролита.
Проблемы с наименованием типов аккумуляторов
- Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2 — самые емкие модели имеют графитовый анод.
- Литий-марганцево-оксидные с катодом LiMn2
- Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные или NMC с катодом LiNiMnCoO2
- Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePO4 (LFP)
- Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA) с катодом LiNiCoAlO2
- Литий-титанат-оксидные (LTO) с анодом Li4Ti5O12
Сразу можно заметить неравномерность наименований. Некоторые названы в честь катода, некоторые — в честь анода. И если в первом случае еще можно попытаться угадать с высокой степенью вероятности, что анод будет графитовый, то в случае названия по аноду остается только гадать. Также на сегодня ведутся разработки и в принципе можно найти на рынке аккумулятор с катодом LiFePO
Причина существования такого большого числа катодов и анодов аккумуляторов в различных требованиях к аккумуляторам. Где-то нужна бóльшая безопасность, а где-то емкость или мощность. Получить представление о запасаемой энергии можно исходя из того, что каждый тип катода и анода имеет разный потенциал, как видно из изображений ниже (в качестве потенциала в 0 В выбирается потенциал металлического лития, больше разница напряжений — больше мощность, энергетическая плотность зависит от количества атомов лития):
Общая схема с потенциалами от университета г. Киль. Источник
Материал из статьи 2013 года авторов Jiantie Xu, Shixue Dou и др. Источник
Еще одна картинка от Purdue School of Engineering and Technology. Источник
Общее представление о причинах может давать следующее грубое изображение связи потенциалов элементов и возможности металлизация лития при очень низком разряде или термической нестабильности при перезаряде:
Изображения взято из курса лекций
Самые небезопасные в эксплуатации из представленных на рынке — литий-кобальтовые с графитовый анодом, самые безопасные — с катодом LiFePO4 и анодом Li4Ti5O12. Естественно, наличие BMS (Battery Management System) уменьшает риски, но пренебрегать ими не стоит, тот же слишком сильный разряд эта система предотвратить не сможет, что критично для аккумуляторов с графитовым анодом.
Распространенные ошибки
Общие ошибки
Самая главная и часто встречаемая ошибка — противопоставление «обычному литий-ионному аккумулятору». Как видно выше, такого понятия, как «обычный» просто нет. И разница в напряжениях может быть самой разной для вроде бы одинаковых катодов и одинаковой для разных наборов катодов и анодов.
Еще одна крупная ошибка — противопоставление LiPo-аккумулятора литий-ионному. Здесь несколько вариантов сравнения. Первое — это общее, связанное с заблуждением о существовании на рынке аккумуляторов с полимерным электролитом. Второе, имеющее более узкое применение, которое обычно озвучивается в следующем виде «литий-полимерный аккумулятор [речь о корпусе] лучше/хуже LFP/LTO/NCA (подставить нужное)».
Здесь идет смешение типа корпуса и начинки.
Например, по этой ссылке можно прочитать о LFP аккумуляторе в формате литий-полимерного (призматический корпус в данном случае).
Аккумулятор А долговечнее аккумулятора Б
Это еще одно своеобразное перекручивание фактов для аргументации при продаже. Такой метод применяется для разных типов аккумуляторов, но чаще всего сравнивается LFP вариант аккумулятора и литий-кобальтовый или NMC с графитовым катодом. В статьях в интернете, как рекламных так и просто популярных, можно найти соотношение полных эквивалентных циклов в 2000 к 500 в пользу LFP и как результат — рассказ о значительном превосходстве первого.
Здесь есть несколько неточностей. Во-первых, бóльшее число статей по литий-кобальтовым датировано 2005-2006 годами, в то время как для LFP — с 2012-2013. Данные по циклам основаны на этих статьях. Тем не менее разработки на останавливались и были одинаково активными для всех типов аккумуляторов и разрыв не настолько большой в один и тот же временной интервал. Во-вторых, не уточняется объем энергии, который передаст за свою жизнь аккумулятор, а ведь при равных размерах LFP имеет меньшую емкость.
Источников с непосредственным сравнением нет, поскольку сам процесс тестирования длительный и дорогостоящий, осложненный договорами про не раскрывание названий участников, но сравнивая по ряду данных можно сделать вывод об аналогичных характеристиках на сегодня для всех литий-ионных аккумуляторов в плане срока эксплуатации во всех возможных сценариях, в т.ч. и простого хранения. Эти данные приведены, например, в источниках 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Прочие источники
BU-206: Lithium-polymer: Substance or Hype?
Kazuo Murata, Shuichi Izuchi, Youetsu Yoshihisa «An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries»
A. Manuel Stephan, K.S. Nahm «Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer»
D. Golodnitskya, E. Straussc, E. Peleda and S. Greenbaum «Review — On Order and Disorder in Polymer Electrolytes»
Моя предыдущая статья про литий-ионные аккумуляторы — Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов
Автор Aluarius На чтение 8 мин. Просмотров 656 Опубликовано
Литий- полимерная батарея – это аккумуляторная батарея, которая впервые приобрела популярность благодаря их внедрению в начале 1990-х годов крупными электронными компаниями. По сути, они представляют собой группу очень жестких отсеков для выработки электроэнергии, состоящих из трех частей: положительного электрода; отрицательный электрод; и электролит, или жидкое химическое соединение между ними. Большинство литий-ионных батарей, в отличие от более традиционных, также имеют электронный контроллер , который регулирует мощность и потоки разряда, чтобы ваша батарея не перегревалась и не взрывалась.
Литий-полимерный аккумулятор — описание, происхождение технологии
Те, кто изучал полимеры, задавались вопросом: “Li-Pol аккумулятор – что это”. Наиболее существенным различием между литий-ионными и литий-полимерными батареями является химический электролит между их положительными и отрицательными электродами. В Li-Po аккумулятор не заливают жидкость. Вместо этого, технология Li-Po использует одну из трех форм: сухое твердое вещество, которое было в значительной степени выведено из эксплуатации в течение прототипных лет литий-полимерных батарей; пористое химическое соединение; или гелеобразный электролит. Наиболее популярным среди них является последний тип аккумулятора, который вы найдете в новых ноутбуках и электромобилях. Загвоздка в том, что многие компании на самом деле не продают вам настоящий Li-Poly аккумулятор, вместо этого это литий-ионная полимерная батарея или Li-ion в более гибком корпусе.
Характеристики Li-pol аккумуляторов
Разберем такие параметры как зарядка, правильные критерии выбора, плюсы и минусы, срок службы литий-полимерного акумулятора.
Емкость
Высокая плотность энергии. Как говорится в свойстве, высокая плотность энергии означает высокую мощность без больших и громоздких. Это причина, почему она все еще существует в мире прогресса, поскольку это требуется ноутбукам и смартфонам. Поскольку в настоящее время разрабатываются устройства, которые могут быть меньше, но требуют и работают с большой мощностью и обеспечивают более высокое качество, литий-ионный аккумулятор идеально подходит для этого. Это дает аккумулятору высокую мощность при сохранении относительно небольшого размера. Компактный размер делает Li-Polymer аккумулятор хорошим выбором в мобильной индустрии.
Рабочее напряжение
Первый и главный фактор – низкий саморазряд. Производительность аккумуляторных батарей определяется скоростью их саморазряда. После отключения от источника питания литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда по сравнению с другими перезаряжаемыми элементами, такими как Ni-Cad и NiMH. Это в основном 5% в первые 4 часа, затем падает до 1 или 2% в месяц. Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокий цикл зарядки-разрядки, где некоторые средние классы имеют 1000 циклов, которые имеют 5000 циклов, прежде чем потерять от 20 до 30% своей максимальной зарядной емкости.
Рабочая температура
Важно отличать температуру эксплуатации от той, при которой аккумулятор можно просто заряжать. Разница достигает 30-40 градусов. Оптимальная температура эксплуатации – 60 градусов, зарядки – до 90.
Количество циклов заряд-разряд
Литий-ионные аккумуляторы имеют более длительный срок службы и продолжают обеспечивать лучшую производительность в течение длительного периода времени. Поскольку циклы зарядки-разрядки литий-ионных батарей высоки, они способны показывать лучшую производительность после 5000 циклов, в то время как некоторые другие батареи теряют 30% своей емкости после 1000 циклов. Эти батареи можно регулярно заряжать, не влияя на их мощность. Литий-полимерный аккумулятор имеет главное отличие от ионного – долгосрочность.
Срок службы батареи
Литий-ионные аккумуляторы имеют срок службы в 10 раз больше, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и обеспечивают 2000% номинальной емкости после 2000 циклов (ровно столько, на сколько рассчитан сам электроэлемент). Поскольку эти батареи не требуют активного обслуживания, одноразовая покупка гарантирует долговечность.
Отличие Li-pol от Li-ion аккумуляторов
И литий-ионные, и литий-полимерные аккумуляторы имеют свои плюсы и минусы. Как правило, преимуществами литий-ионных батарей являются их высокая удельная мощность, отсутствие так называемого эффекта памяти (когда батареи со временем становятся сложнее заряжать) и их значительно более низкая стоимость, чем у литий-полимерного. По словам Wired , «Литий-ионные аккумуляторы невероятно эффективны. Они упаковывают невероятное количество энергии в крошечную упаковку ». Сравнение аккумуляторов будет рассмотрено более подробно ниже.
Но, как кто-то мог заметить, с недавней историей о запрете на полеты определенной марки мобильных телефонов, литий-ионные аккумуляторы по своей природе нестабильны, страдают от “старения” и потенциально опасны. Если барьер, разделяющий положительный и отрицательный электрод, когда-либо нарушается, химическая реакция может вызвать возгорание (пожар).
Поскольку литий-ионные аккумуляторы становятся все более популярными в бытовой электронике, предприятия пытаются снизить затраты, что и объясняет различия. Хотя качественные батареи абсолютно безопасны, вы всегда должны быть осторожны при покупке безымянных брендов. Даже батареи с одинаковыми показателями будут отличаться.
С другой стороны, литий-полимерные батареи, как правило, прочные и гибкие , особенно когда речь идет о размерах и форме их конструкции. Они также легки, имеют чрезвычайно низкий профиль и имеют меньшую вероятность страдания от утечки электролита . Но литий-полимерные батареи тоже не идеальны : их производство значительно дороже, и они не имеют такой же плотности энергии (количества энергии, которое может быть сохранено) и срока службы литий-ионных.
Себестоимость
Литий-ионный аккумулятор дорог в изготовлении, что буквально увеличивает его стоимость. Производство на 35% дороже никель-кадмиевых элементов. Поскольку спрос увеличивается, стоимость для потребителей увеличивается, что, кажется, является главной проблемой. Эта батарея требует сложной схемы бортового компьютера для управления и обеспечения того, чтобы напряжение и ток находились в безопасных пределах. Эта схема также является причиной, которая делает его более дорогим, чем другие аккумуляторы.
Надежность и безопасность
Требуется защита. Литий-ионный аккумулятор не такой прочный, как некоторые другие типы аккумуляторов. Они требуют защиты от перезарядки и разрядки слишком далеко, поскольку они встроены в печатную плату. Поскольку большая часть оборудования и приложений предпочитает использовать эти батареи, люди используют их, не зная их безопасных рабочих пределов и схем.
Температурный режим работы
Оптимальная рабочая температура – около +20 °С. Лучшая температура для хранения Li-Ion аккумуляторов – от 0 до 10 °С, с частичным зарядом. Рекомендуемая температура зарядки литий-ионных батарей – от +5 до +20 °C.
Литий-полимерный аккумулятор: плюсы и минусы
Литий-ионные аккумуляторы легче по сравнению с другими перезаряжаемыми аккумуляторами. Что делает их более эффективными для использования в портативных электронных устройствах.
Плюсы:
- Низкие эксплуатационные расходы. Низкие эксплуатационные расходы являются одним из основных преимуществ литий-ионных аккумуляторов. Он не требует регулярного технического обслуживания для лучшей производительности, в отличие от других аккумуляторных батарей, которые требуют регулярной разрядки для поддержания оптимальной производительности. Другие аккумуляторные батареи требуют периодической разрядки, чтобы убедиться, что они не получили эффект памяти.
- Без заливки. Большинство аккумуляторов или элементов необходимо заряжать при первой зарядке. Заправка – это метод полной зарядки и полной разрядки аккумулятора перед его использованием. Таким образом, литий-ионная батарея экономит значительное время и не требует зарядки и разрядки, прежде чем ее можно будет реально использовать.
- Наличие разных типов. На рынке доступны различные типы литий-ионных батарей, некоторые с цилиндрической, а некоторые с призматической формой. Это дает преимущество выбора конкретного типа батареи для конкретного устройства, что означает, что правильная технология может быть использована для конкретного необходимого приложения. Не только для небольших устройств и приложений, но также предлагает гораздо более высокие уровни тока для электромобилей и электроинструментов.
Литий-ионные аккумуляторы сохраняют заряд в течение более длительного периода времени из-за своего свойства высоких циклов зарядки-разрядки, снижающих потребление энергии и стоимость.
Минусы
- Старение. Основным недостатком литий-ионной батареи является ее старение, и оно зависит от количества циклов зарядки-разрядки, которые прошла батарея. Эта батарея, естественно, разлагается, как только она приобретается, независимо от того, используют ее потребители или нет. Поскольку литий-ионная технология растет и развивается,но замена батареи является обязательной после определенного периода времени. Это делает большую проблему, если батарея встроена в оборудование.
- Транспорт. Существуют ограничения по весу литий-ионных аккумуляторов при транспортировке. Во многих авиалиниях существует ограничение на количество литий-ионных батарей, перевозимых в багаже, положение безопасности может время от времени меняться. Любые литий-ионные батареи, перевозимые отдельно, должны быть защищены от коротких замыканий защитными крышками и т. д.
Неправильное использование оборудования может привести к перегреву, что, в свою очередь, может вызвать внутреннее короткое замыкание и воспламенить горючий электролит, что приведет к взрывам и пожарам. Это увеличивает риск внутренних травм и ущерба для пользователей и отраслей промышленности, так как большинство продуктов являются портативными, а также используются на более крупных заводах.
Особенности эксплуатации литий- полимерных батарей
Литий-ионная батарея является предпочтительной и самой передовой для использования в текущей ситуации, поскольку она существует уже много лет. Это может быть недостатком, поскольку технология быстро меняется и развивается, что может быть проблемой для батареи, чтобы оправдать ожидания. Как мы знаем, некоторые инциденты все еще ставят под сомнение его выполнимость и эффективность, например, у Samsung Note 7 были проблемы наряду с проблемами безопасности.
Основным недостатком литий-ионных аккумуляторов является перегрев и подверженность пожару. Было много случаев взрыва при перегреве или перезарядке из-за накопления газов и повышения внутреннего давления в результате разложения электролита.
С каждым годом технология совершенствуется и улучшается, а значит, в скором времени станет в один ряд с литий-ионными батареями и другими аналогами.
Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.
Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.
Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
Li-po и технологии
Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.
Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.
Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.
Li-po vs Li-ion
Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.
Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
Другие химические элементы
Составляющие стоимости Li-ion батареи.
Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.
Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.
Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.
Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.
В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.
Строение Li-po батареи
Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).
Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.
Процесс производства батареи
Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.
Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.
Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.
В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.
Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/
Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.
* * *
В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты – поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.
Так много типов!
Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.
Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.
Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов – многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.
Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.
Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.
Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения – это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы , или LiFePO4, используют немного изменённую химию, благодаря чему они могут выносить больше циклов заряда/разряда за счёт немного меньшей энергетической ёмкости. Лучше всего они работают в диапазоне от 3,0 В до 3,65 В, а не в типичном для стандартной химии литий-ионов диапазоне 3,0-4,2. Благодаря этому и очень плоской кривой разряда делает их идеальными для замены 12 В свинцовых батарей во многих случаях, а вместо оригинальных шести элементов используются четыре. Обычно они более стабильными, меньше подвержены саморазряду и потере ёмкости со временем.
Уважайте границы
Ошибка может привести к неприятным результатам
По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-за чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла – аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.
Важно не заряжать литиевые элементы слишком быстро. Также на эффективность работы аккумуляторов сильно влияет окружающая температура. Литиевые аккумуляторы не любят температур ниже нуля, особенно при полном заряде. Их нельзя заряжать при отрицательной температуре. Поскольку металлический литий может отложиться на минусовом электроде, что может повредить элемент или вызвать короткое замыкание. В принципе, их можно заряжать при температуре до -5°C, однако это нужно делать очень медленно. Кроме того, аккумуляторы могут повредиться, если заряжать их при температурах выше 45°C.
При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.
Работа с аккумуляторами
В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO4 и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения – будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.
Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип
Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество – от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.
Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.
Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача – балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.
Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки – отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.
Итог
Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное – использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.
На сегодняшний день практически у каждого в кармане находится телефон (смартфон, камерофон, планшет), способный переплюнуть по производительности ваш домашний десктоп, который вы уже несколько лет не обновляли. В каждом гаджете у вас стоит литий-полимерная батарея. Теперь вопрос: кто из читателей вспомнит точно, когда произошёл безвозвратный переход от «звонилок» к мультифункциональным устройствам?
Сложно… Надо напрягать память, вспоминать год покупки первого «умного» телефона. Для меня это примерно 2008-2010 год. На тот момент ёмкость литиевой батареи для обычного телефона составляла порядка 700 мАч, сейчас ёмкость батарей телефонов достигает 4 тысяч мАч.
Увеличение ёмкости в 6 раз, при том, что, грубо говоря, размер батареи увеличился всего в 2 раза.
Как мы уже рассказывали в нашей статье, литий-ионные решения для ИБП стремительно завоёвывают рынок, обладают рядом неоспоримых преимуществ и достаточно безопасны в эксплуатации (тем более в условиях серверной).
Друзья, сегодня попытаемся разобраться и сравнить решения на железо-литий-фосфатных батареях (LFP) и литий-марганцевых (LMO), изучить их достоинства и недостатки, сравнить между собой по ряду удельных показателей. Напомню, что оба вида батарей относятся к литий-ионным, литий-полимерным аккумуляторам, но отличаются химическим составом. Если вас заинтересовало продолжение, прошу под кат.
Перспективы литиевых технологий в области накопления энергии
Текущая ситуация в РФ на 2017 год представляла следующее.
кликабельно
С использованием источника: «Концепция развития систем хранения электроэнергии в РФ», Минэнерго РФ, 21 августа 2017 года.
Как видим, литий-ионная технология на тот момент находилась в лидерах приближения к промышленной технологии производства (подразумевалась в первую очередь LFP технология).
Далее посмотрим на тенденции в США, точнее, рассмотрим свежую версию документа:
Справка: АББМ – энергетические массивы для источников бесперебойного питания, которые используются в электроэнергетике для:
- Резервирования электроэнергии для особо важных потребителей при перебоях в электроснабжении собственных нужд (СН) 0,4 кВ на подстанции (ПС).
- Как «буферный» накопитель для альтернативных источников.
- Компенсации дефицита мощности в режиме пикового потребления для разгрузки объектов генерации и передачи электричества.
- Накопления энергии в течении суток во время её низкой стоимости (ночное время суток).
кликабельно
Как видим, Li-Ion технологии по состоянию на 2016 год прочно удерживали лидирующее положение и показывали стремительный кратный рост и по мощности (МВт), и по энергии (МВт*ч).
В этом же документе можем прочитать следующее:
«Литий-ионные технологии представляют более чем 80% добавленной мощности и энергии системами АББМ выработанной в США на конец 2016 года. Литий-ионные батареи имеют высокоэффективный цикл (заряда, прим. автора) и быстрее отдают накопленную мощность. В добавок ко всему, они имеют высокую плотность энергии (удельная мощность, прим. автора) и большие токи отдачи, что обусловило выбор их в качестве батарей для портативной электроники и электрических транспортных средств».
Попробуем сравнить две технологии литий-ионных аккумуляторов для ИБП
Сравнивать будем призматические ячейки, построенные на химии LMO и LFP. Именно эти две технологии (с вариациями типа LMO-NMC) сейчас являются основными промышленными образцами для различного электротранспорта, электромобилей. Лирическое отступление по поводу батарей в электромобилях можно прочитать тутСпросите, причём тут электротранспорт? Поясню: активное распространение электротранспорта на Li-Ion технологиях уже давно перешагнуло стадию опытных образцов. А как мы знаем, все новейшие технологии приходят к нам из дорогих, новейших сфер жизни. Например, масса автотехнологий пришла к нам из Формулы-1, множество новейших технологий вошло в нашу жизнь из космической сферы, и так далее… Поэтому, на наш взгляд, сейчас происходит проникновение литий-ионных технологий в промышленные решения.
Рассмотрим таблицу сравнения основных производителей, химии батарей и собственно автомобильных компаний, активно выпускающих электромобили (гибриды).
Выберем исключительно призматические ячейки, которые подходят под форм-фактор использования в ИБП. Как видим, литий-титанат (LTO-NMC) является аутсайдером по удельной запасённой энергии. Остаются три производителя призматических ячеек, пригодных для использования в промышленных решениях, в частности, в батареях для ИБП.
Приведу цитату и перевод из документа «Оценка жизненного цикла и длительности эксплуатации литиевых электродов для батарей электротранспорта — ячейки для LEAF, Tesla и автобусов VOLVO» (Оригинал «Life cycle assessment of long life lithium electrode for electric vehicle batteries- cell for LEAF, Tesla and Volvo bus» от 11 декабря 2017 года от Mats Zackrisson. Здесь исследуются большей частью химические процессы в батареях автотранспорта, влияние вибраций и климатических условий эксплуатации, вред для окружающей среды. Однако имеется одна любопытная фраза на предмет сравнения двух технологий литий-ионных батарей.
В вольном моем переводе выглядит так:
NMC технология показывает меньшее воздействие на окружающую среду в расчёте на километр пробега транспорта, чем LFP технология с металлическим анодом батарейной ячейки, но здесь сложно уменьшить или ликвидировать ошибки. Основной смысл выглядит как: более высокая плотность энергии NMC даёт меньший вес и таким образом меньшее электропотребление.
1) Призматическая ячейка LMO технологии, производитель CPEC, USA, стоимость 400$. Внешний вид ячейки LMO
2) Призматическая ячейка LFP технологии, производитель AA Portable Power Corp, стоимость 160$. Внешний вид ячейки LFP
3) Для сравнения добавим авиационную батарею резервного питания, построенную на технологии LFP и ту самую которая участвовала в нашумевшем скандале возгорания Боинга в 2013 году, производитель True Blue Power.Внешний вид батареи TB44
4) Для объективности добавим стандартную батарею ИБП Lead-acid /Portalac/PXL12090, 12В.
Внешний вид классической батареи для ИБП
Cведём исходные данные в таблицу.
кликабельно
Как видим, действительно, наибольшей энергетической эффективностью обладают LMO ячейки, классический свинец проигрывает по удельной энергии минимум в два раза.
Всем ясно, что система BMS для массива Li-Ion батарей добавит массы этому решению, то есть, снизит удельную энергию примерно на 20 процентов (разница между чистым весом батарей и комплектным решением с учетом систем BMS, оболочки модуля, контроллера батарейного шкафа). Массу перемычек, батарейного выключателя и батарейного шкафа принимаем условно равной для литий-ионных батарей и батарейного массива свинцово-кислотных батарей.
Теперь попробуем сравнить расчётные параметры. При этом примем глубину разряда для свинца – 70%, а для Li-Ion – 90%.
кликабельно
Отметим, что низкая удельная энергия для авиационной батареи связана с тем, что сама батарея (которую можно рассматривать как модуль) заключена в металлический противопожарный кожух, обладает разъёмами и системой обогрева для эксплуатации в условиях низких температур. Для сравнения приведён расчёт для одной ячейки в составе батареи TB44, откуда можно сделать вывод о близких характеристиках с обычной LFP ячейкой. Кроме того, авиационная батарея рассчитана на большие токи заряда/разряда, что связано с необходимостью быстрой подготовки воздушного судна к новому полёту на земле и большим током разрядки в случае аварийной ситуации на борту, например, пропадании бортового питания
Кстати вот как сравнивает разные типы авиационных батарей сам производитель
Как видим из таблиц:
1) Мощность батарейного шкафа в случае LMO технологии выше.
2) Количество циклов работы батарей для LFP больше.
3) Удельный вес для LFP меньше, соответственно, при той же ёмкости батарейный шкаф на железо-литий-фосфатной технологии больше.
4) Склонность к тепловому разгону у технологии LFP меньше, что связано с его химической структурой. Как следствие, он считается относительно безопасным.
кликабельно
Или схема для LFP 160S2P, где чистая масса батарей будет 512 кг, а ёмкость — 200 ампер-часов.
кликабельно
ВЫВОД: Несмотря на то, что батареи с химией железо-литий-фосфат (LiFeO4, LFP) используются большей частью в электротранспорте, их характеристики обладают рядом преимуществ перед химической формулой LMO, позволяют заряжать большим током, менее подвержены риску теплового разгона. Какой тип батарей выбрать, остаётся на усмотрении поставщика готового комплексного решения, который определяет это по ряду критериев, и не в последнюю очередь это стоимость батарейного массива в составе ИБП. В данный момент любой тип литий-ионных батарей всё ещё проигрывает по стоимости классическим решениям, но большая удельная мощность литиевых батарей на единицу массы и меньшие габарита всё чаще будет определять выбор в сторону новых накопителей энергии. В ряде случаев меньшая полная масса ИБП определяет выбор в сторону новых технологий. Этот процесс будет проходить совершенно незаметно, и в данный момент сдерживается высокой стоимостью в низком ценовом сегменте (бытовые решения) и инертностью мышления в отношении пожарной безопасности лития у заказчиков, которые ищут лучшие варианты ИБП в промышленном сегменте ИБП мощностью более 100 кВА. Уровень среднего сегмента мощностей ИБП от 3кВА до 100 кВА возможен к реализации на литий-ионных технологиях, но ввиду мелкосерийного производства достаточно дорог и проигрывает готовым серийным образцам ИБП на VRLA батареях.
Узнать подробности и обсудить конкретное решение с использованием литий-ионных батарей для вашей серверной или ЦОД можно, направив запрос на электронную почту [email protected], либо сделав запрос на сайте компании www.ot.ru.
ОТКРЫТЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – надёжные комплексные решения от мировых лидеров, адаптированные именно под ваши цели и задачи.
Автор: Куликов Олег
Ведущий инженер конструктор
Департамент интеграционных решений
Компания Открытые Технологии
Если у вас есть какие-либо вещицы — ноутбук, планшет, устройство для чтения электронных книг, мобильный телефон, MP3-плеер, аккумуляторная отвертка или дрель и т. Д. — то вы все время используете литий-ионные аккумуляторы.
Литий-ионные аккумуляторы, часто называемые литий-ионными, в наши дни чрезвычайно распространены.
А как насчет так называемых литий-полимерных батарей, также называемых литий-полимерными или литий-полимерными? Они действительно лучше?
Если вы верите маркетологам, да, они.Но, как оказалось, тебя обманули, как и меня!
Сначала немного о литий-ионных батареях.
Короче, они потрясающие.
Обычно они поставляются в жестком пластиковом корпусе. Например, если у вас стандартный ноутбук, батарейный блок — это большая прямоугольная пластиковая вещь. Внутри есть несколько элементов — подумайте, батарея АА, хотя размер вашего обычного литий-ионного элемента немного больше.
3,7 В, 2600 мАч литий-ионный аккумуляторЛитий-ионные элементы имеют номинальное напряжение 3.7В. Вы можете посмотреть на аккумулятор вашего ноутбука и убедиться, что он обеспечивает 11,1 В. Тогда вы можете заметить, что 3,7 х 3 = 11,1. Таким образом, батарея вашего ноутбука представляет собой 3-элементную батарею. Другие батареи для ноутбуков имеют разное количество элементов, но все они работают одинаково.
Типичная батарея ноутбука, содержащая несколько литий-ионных элементовКороче говоря, жесткий пластиковый корпус содержит несколько литий-ионных элементов и, как правило, некоторую электронику для контроля температуры и зарядки.
Литий-ионные аккумуляторы необходимо заряжать осторожно, иначе они взорвутся и сделают другие забавные вещи.Вот почему все литий-ионные аккумуляторы оснащены специальными зарядными устройствами или встроенной электроникой, регулирующей заряд.
Сначала аккумуляторы питаются постоянным током при постепенно увеличивающемся напряжении. Когда достигается предел напряжения на элемент, зарядное устройство переключается на постоянное напряжение (11,1 В в примере с нашей 3-элементной батареей для ноутбука), но с постепенно уменьшающимся током. Та-да! Ваша батарея заряжена.
Полезный совет : Литий-ионные аккумуляторы не любят температуру, близкую к минусовой.Например, если у вас есть аккумуляторная отвертка, не заряжайте аккумулятор в гараже зимой. Принесите зарядное устройство и аккумулятор в свой дом и заряжайте его там, где теплее. Большинство зарядных устройств вообще не заряжают батарею, если температура слишком низкая (5 ° C / 41 ° F или ниже). Другие зарядные устройства будут заряжать аккумулятор, но они будут использовать «режим зарядки при низкой температуре», который менее эффективен и не так хорош для аккумулятора.
Makita DC18RC 18V Литий-ионное быстрое оптимальное зарядное устройствоХорошо, а как насчет литий-полимерных батарей?
Вот где это становится интересным.Оказывается, то, что отделы маркетинга называют «литий-полимерными батареями», на самом деле являются «литий-ионными полимерными» батареями.
Что, черт возьми, это значит?
Короче говоря, это означает, что так называемые «литий-полимерные» батареи практически идентичны литий-ионным, но вместо этого они содержатся в гибком полимерном корпусе. Это в основном просто переупакованный литий-ионный аккумулятор. Есть еще одно отличие от batteryuniversity.com:
Что касается пользователя, литиевый полимер по существу такой же, как литий-ионный .
Li-полимер уникален тем, что микропористый электролит заменяет традиционный пористый сепаратор. Li-полимер предлагает немного более высокую удельную энергию и может быть сделан тоньше, чем обычный Li-ion, но стоимость изготовления выше на 10–30 процентов .
Существует такая вещь, как настоящая литий-полимерная батарея , в которой в качестве электролита в батарее используется полимер, а не другие стандартные жидкие электролиты. Этот реальный тип литиево-полимерного аккумулятора все еще находится в стадии эксперимента.Согласно BatteryUniversity.com, настоящая литий-полимерная «пластиковая батарея» на самом деле никогда не стала основной из-за проблем с производительностью при комнатной температуре.
Вещество или Обман? — Аккумулятор университета
Узнайте, почему литий-полимер так популярен.
Термин полимер обычно используется для описания определенного типа литиевой батареи, которая может быть или не быть на полимерной основе. Они обычно включают мешочек и призматические клетки. В то время как слово «полимер» воспринимается как пластик, полимеры варьируются от синтетических пластмасс до натуральных биополимеров и белков, которые образуют фундаментальные биологические структуры.
Литий-полимерный отличается от других систем батарей типом используемого электролита.В оригинальной полимерной конструкции 1970-х годов использовался твердый (сухой) полимерный электролит, напоминающий пластиковую пленку. Этот изолятор обеспечивает обмен ионов (электрически заряженных атомов) и заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.
Твердый полимер имеет плохую проводимость при комнатной температуре, и батарею необходимо нагреть до 60 ° C (140 ° F) и выше, чтобы обеспечить протекание тока. Были установлены большие полимерные батареи для стационарного применения, которые нуждались в нагревании, но с тех пор они исчезли.Долгожданный обман «настоящей пластиковой батареи», обещанный в начале 2000-х годов, не осуществился, поскольку проводимость не могла быть достигнута при температуре окружающей среды.
Чтобы сделать современную литий-полимерную батарею проводящей при комнатной температуре, был добавлен гелеобразный электролит. Большинство литий-ионных полимерных элементов сегодня содержат микропористый сепаратор с небольшим количеством влаги. Li-полимер может быть построен на многих системах, таких как Li-кобальт, NMC, Li-фосфат и Li-марганец, и не считается уникальной химией батарей.Большинство литий-полимерных упаковок на основе кобальта; другой активный материал также может быть добавлен.
С добавлением гелеобразного электролита, чем отличается нормальный ион лития от полимера литий-иона? Что касается пользователя, литиевый полимер по существу такой же, как литий-ионный. Обе системы используют идентичный катодный и анодный материал и содержат одинаковое количество электролита.
Li-полимер уникален тем, что микропористый электролит заменяет традиционный пористый сепаратор.Li-полимер обладает немного более высокой удельной энергией и может быть сделан тоньше, чем обычный Li-ion, но говорят, что стоимость изготовления выше, чем у цилиндрической конструкции. В целях обсуждения клетки мешка часто идентифицируют как литий-полимерный.
Литий-полимерные элементы также поставляются в гибком фольгированном корпусе, напоминающем упаковку для пищевых продуктов. В то время как стандартному Li-ion требуется жесткий корпус для сжатия электродов, Li-полимер использует ламинированные листы, которые не нуждаются в сжатии. Корпус из фольги уменьшает вес более чем на 20 процентов по сравнению с классической твердой оболочкой.Технология тонких пленок высвобождает дизайн, поскольку батарея может быть выполнена в любой форме, аккуратно вписываясь в стильные мобильные телефоны и планшеты. Также литий-полимер может быть сделан очень тонким, чтобы быть похожим на кредитную карту (См. Чехол). Легкий вес и высокая удельная мощность делают литий-полимер предпочтительным выбором для любителей.
Характеристики заряда и разряда Li-полимера идентичны другим литий-ионным системам и не требуют специального зарядного устройства. Вопросы безопасности также схожи в том, что необходимы защитные схемы.Накопление газа во время зарядки может привести к разбуханию некоторых призматических и мешочных элементов, и производители оборудования должны учитывать допуски для расширения. Li-полимер в упаковке из фольги может быть менее долговечным, чем Li-ion в цилиндрической упаковке.
Последнее обновление 2017-07-31
*** Пожалуйста, прочитайте в отношении комментариев ***
Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта. Battery University следит за комментариями и понимает важность выражения взглядов и мнений на общем форуме.Однако все общение должно осуществляться с использованием соответствующего языка и предотвращения спама и дискриминации.
Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: [email protected]. Мы хотели бы услышать от вас, но мы не можем ответить на все вопросы. Мы рекомендуем опубликовать ваш вопрос в разделах комментариев для Battery University Group (BUG), чтобы поделиться.
Предыдущий урок Следующий урокили переход на другую статью
,Преимущества и ограничения литий-ионной батареи
В течение многих лет никель-кадмиевые батареи были единственной подходящей батареей для портативного оборудования от беспроводной связи до мобильных компьютеров. Никель-металлогидридные и литий-ионные появились в начале 1990-х, сражаясь друг с другом, чтобы получить признание клиентов. На сегодняшний день литий-ионная батарея является самой быстрорастущей и перспективной химией аккумуляторов.
Литий-ионный аккумулятор
Пионерская работа с литиевой батареей началась в 1912 году под руководством Г.Н. Льюис, но только в начале 1970-х годов первые не перезаряжаемые литиевые батареи стали коммерчески доступными. литий является самым легким из всех металлов, обладает наибольшим электрохимическим потенциалом и обеспечивает наибольшую плотность энергии для веса.
Попытки разработать литиевые аккумуляторы потерпели неудачу из-за проблем безопасности. Из-за присущей нестабильности металлического лития, особенно во время зарядки, исследования переключились на неметаллическую литиевую батарею с использованием ионов лития.Хотя плотность энергии несколько ниже, чем у металлического лития, ион лития безопасен при условии соблюдения определенных мер предосторожности при зарядке и разрядке. В 1991 году корпорация Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор. Другие производители последовали его примеру.
Плотность энергии литий-ионного, как правило, в два раза выше, чем у стандартного никель-кадмиевого Существует потенциал для более высоких плотностей энергии. Характеристики нагрузки достаточно хорошие и ведут себя аналогично никель-кадмиевому с точки зрения разряда.Высокое напряжение элемента 3,6 В позволяет проектировать аккумуляторные батареи только с одним элементом. Большинство современных мобильных телефонов работают на одной ячейке. Пакет на основе никеля потребовал бы трех 1,2-вольтных ячеек, соединенных последовательно.
Литий-ионная батарея — это батарея, не требующая особого технического обслуживания, а это преимущество, на которое большинство других химикатов не претендует Памяти нет, и для продления срока службы батареи не требуется плановый цикл. Кроме того, саморазряд составляет менее половины по сравнению с никель-кадмиевым, что делает ионно-литиевый аккумулятор хорошо подходящим для применения в современных измерителях уровня топлива.литий-ионные элементы при утилизации наносят небольшой вред.
Несмотря на свои общие преимущества, литий-ионный имеет свои недостатки. Он хрупкий и требует защитной цепи для обеспечения безопасной работы. Встроенная в каждый блок схема защиты ограничивает пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки и предотвращает слишком низкое падение напряжения элемента при разряде. Кроме того, температура ячейки контролируется для предотвращения экстремальных температур. Максимальный зарядный и разрядный ток на большинстве упаковок ограничен от 1С до 2С.С учетом этих мер предосторожности практически исключается возможность металлического литиевого покрытия из-за перезаряда.
Старение является проблемой для большинства литий-ионных аккумуляторов, и многие производители молчат об этой проблеме. Некоторое ухудшение емкости заметно через один год, независимо от того, используется аккумулятор или нет. Аккумулятор часто выходит из строя через два или три года. Следует отметить, что другие химические препараты также имеют возрастные дегенеративные эффекты.Это особенно верно для никель-металлогидрида, если он подвергается воздействию высоких температур окружающей среды. В то же время известно, что литий-ионные пакеты служат в некоторых областях в течение пяти лет.
Производители постоянно совершенствуют литий-ионные. Новые и улучшенные химические комбинации вводятся каждые шесть месяцев или около того. При таком быстром прогрессе трудно оценить, насколько хорошо будет работать исправленная батарея.
Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных (и других химикатов).Производители рекомендуют температуру хранения 15 ° C (59 ° F). Кроме того, батарея должна быть частично заряжена во время хранения. Производитель рекомендует 40% заряда.
Самым экономичным литий-ионным аккумулятором с точки зрения соотношения затрат и энергии является цилиндрический 18650 (размер 18 мм х 65,2 мм). Эта ячейка используется для мобильных вычислений и других приложений, которые не требуют ультратонкой геометрии. Если требуется тонкая упаковка, призматическая литий-ионная батарея является лучшим выбором.Эти клетки имеют более высокую стоимость с точки зрения накопленной энергии.
Преимущества
- Высокая плотность энергии — потенциал для еще больших мощностей.
- Не требует длительного грунтования, когда новый. Одна обычная зарядка — все, что нужно.
- Относительно низкий уровень саморазряда — саморазряд меньше, чем у никелевых батарей.
- Низкие эксплуатационные расходы — периодическая разрядка не требуется; нет памяти
- Специальные ячейки могут обеспечивать очень высокий ток для таких приложений, как электроинструменты.
Ограничения
- Требуется схема защиты для поддержания напряжения и тока в безопасных пределах.
- Подвержено старению, даже если оно не используется — хранение в прохладном месте при 40% заряда снижает эффект старения.
- Транспортные ограничения — отгрузка больших количеств может быть предметом регулирующего контроля.Это ограничение не распространяется на персональные ручные батареи.
- Дорогой в производстве — примерно на 40 процентов дороже, чем никель-кадмиевый.
- Зрелые не полностью — металлы и химикаты постоянно меняются.
Литий-полимерный аккумулятор
Литий-полимер отличается от обычных систем батарей типом используемого электролита. Оригинальный дизайн, относящийся к 1970-м годам, использует сухой твердый полимерный электролит.Этот электролит напоминает пластиковую пленку, которая не проводит электричество, но обеспечивает обмен ионами (электрически заряженные атомы или группы атомов). Полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.Конструкция из сухого полимера предлагает упрощения в отношении изготовления, прочности, безопасности и геометрии тонкого профиля. При толщине ячейки, составляющей всего один миллиметр (0,039 дюйма), разработчики оборудования остаются в своем воображении с точки зрения формы, формы и размера.
К сожалению, сухой литий-полимер страдает от плохой проводимости. Внутреннее сопротивление слишком велико и не может обеспечить текущие всплески, необходимые для питания современных устройств связи и раскрутки жестких дисков мобильного вычислительного оборудования. Нагрев элемента до 60 ° C (140 ° F) и выше увеличивает проводимость, что является неприемлемым для портативных приложений.
Для компромисса был добавлен гелеобразный электролит. В коммерческих элементах используется сепараторная / электролитная мембрана, изготовленная из того же традиционного пористого полиэтиленового или полипропиленового сепаратора, заполненного полимером, который гелеет при заполнении жидким электролитом.Таким образом, коммерческие литий-ионные полимерные элементы очень похожи по химическому составу и материалам на их жидкие электролиты.
Литий-ионный полимер не завоевал популярность так быстро, как ожидали некоторые аналитики. Его превосходство над другими системами и низкие производственные затраты не были реализованы. Никаких улучшений в увеличении емкости не достигается — фактически, емкость немного меньше, чем у стандартной литий-ионной батареи. Литий-ионный полимер находит свою рыночную нишу в тонких пластинах, таких как батареи для кредитных карт и другие подобные приложения.
Преимущества
- Очень низкий профиль — аккумуляторы напоминают
типов литий-ионных аккумуляторов — Battery University
Ознакомьтесь со многими различными типами литий-ионных аккумуляторов.
Литий-ионный назван в честь своих активных материалов; слова либо написаны полностью или сокращены их химическими символами. Ряд букв и цифр, соединенных вместе, может быть трудно запомнить и даже сложнее произнести, а химический состав батареи также обозначен сокращенными буквами.
Например, оксид лития-кобальта, один из наиболее распространенных Li-ионов, имеет химические символы LiCoO 2 и аббревиатуру LCO.Из соображений простоты для этой батареи также можно использовать короткую форму Li-кобальта. Кобальт является основным активным материалом, который придает этой батарее характер. Другие литий-ионные химические вещества имеют аналогичные краткие названия. В этом разделе перечислены шесть наиболее распространенных Li-ионов. Все показания являются средними оценками на момент написания.
Оксид кобальта лития (LiCoO 2 ) — LCO
Его высокая удельная энергия делает Li-кобальт популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер.Батарея состоит из катода из оксида кобальта и графитового углеродного анода. Катод имеет слоистую структуру, и во время разряда ионы лития движутся от анода к катоду. Поток меняется на заряд. Недостатком Li-кобальта является относительно короткий срок службы, низкая термостойкость и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). Рисунок 1 иллюстрирует структуру.
| Рисунок 1 : Структура Li-кобальта. Катод имеет слоистую структуру. Во время разряда ионы лития движутся от анода к катоду; по заряду поток идет от катода к аноду. Источник: Cadex |
Недостатком Li-кобальта является относительно короткий срок службы, низкая термостойкость и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). Как и другие Li-ионы с примесью кобальта, Li-кобальт имеет графитовый анод, который ограничивает срок службы цикла благодаря изменяющейся границе раздела твердого электролита (SEI), утолщается на аноде и литиевом покрытии при быстрой зарядке и зарядке при низкой температуре.Более новые системы включают никель, марганец и / или алюминий, чтобы улучшить долговечность, нагрузочные способности и стоимость.
Li-кобальт не следует заряжать и разряжать с током, превышающим его C-рейтинг. Это означает, что элемент 18650 с 2400 мАч можно заряжать и разряжать только при 2400 мА. Принудительная быстрая зарядка или применение нагрузки выше 2400 мА вызывает перегрев и чрезмерное напряжение. Для оптимальной быстрой зарядки производитель рекомендует C-уровень 0,8C или около 2000 мА. (См. BU-402: что такое C-скорость)Обязательная схема защиты аккумулятора ограничивает скорость заряда и разряда до безопасного уровня около 1С для энергетического элемента.
Гексагональное изображение паука (рис. 2) суммирует эффективность Li-кобальта с точки зрения удельной энергии , или емкости, которая связана с временем работы; удельная мощность или способность подавать большой ток; Безопасность ; производительность при горячих и холодных температурах; срок службы , отражающий цикл жизни и долголетия; а стоит .Другими интересными характеристиками, которые не показаны в паутине, являются токсичность, способность к быстрой зарядке, саморазрядка и срок годности. (См. BU-104c: восьмиугольная батарея — что делает батарею батарейкой).
Li-кобальт теряет предпочтение Li-марганцу, но особенно NMC и NCA из-за высокой стоимости кобальта и улучшенных характеристик при смешивании с другими активными катодными материалами. (См. Описание NMC и NCA ниже.)
| Рисунок 2 : Снимок средней литий-кобальтовой батареи. Li-кобальт отличается высокой удельной энергией, но предлагает только умеренную производительность, удельную мощность, безопасность и срок службы. Источник: Cadex |
