5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы не столь «привередливы», как их никель-металл-гидридные собратья, но все равно требуют определенного ухода. Придерживаясь пяти простых правил, можно не только продлить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей, но и повысить время работы мобильных устройств без подзарядки.

Не допускайте полного разряда. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов. Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100.
Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:

Разряжайте раз в 3 месяца. Полный заряд на протяжении длительного времени также же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до нуля.
Из-за крайне нестабильного процесса заряда (мы часто заряжаем телефон как придется, и где получится, от USB, от розетки, от внешнего аккумулятора и тд.) специалисты рекомендуют раз в 3 месяца полностью разряжать аккумулятор и после этот заряжать до 100% и подержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает сбросить так называемый верхний и нижний флаги заряда аккумулятора. Более подробно об этом можно прочитать здесь.

Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.
В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.

Используйте оригинальное зарядное устройство. Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые гаджеты, например цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи.

Не допускайте перегрева. Ну а злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура – перегрева они напрочь не переносят. Поэтому не допускайте попадания на мобильные устройства прямых солнечных лучей, а также не оставляйте их в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов:

от –40°C до +50°C

Также, вы можете посмотреть Часто Задаваемые Вопросы по аккумуляторам на нашем сайте.

Характеристики, Виды, Размеры, особенности производства

В течение длительного времени кислотный аккумулятор был единственным устройством, способным обеспечивать электрическим током автономные объекты и механизмы. Несмотря на большой максимальный ток и минимальное внутреннее сопротивление, такие батареи имели ряд недостатков, которые ограничивали их применения в устройствах потребляющих большое количество электроэнергии или в закрытых помещениях. В этом плане литий-ионные аккумуляторы лишены многих негативных качеств своих предшественников, хотя и недостатки у них имеются.

Что такое литий ионный аккумулятор

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

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

На сегодняшний день такие устройства обладают несколькими недостатками:

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

В качестве более совершенных аналогов можно найти или аккумуляторы, но они стоят заметно дороже.

Как осуществляется производство li-ion АКБ

Литий-ионные аккумуляторы производятся в несколько этапов:

1. Изготовление электродов.
2. Объединение электродов в батарею.
3. Установка платы защиты.
4. Установка батареи в корпус.
5. Заливка электролита.
6. Тестирование и заряд.

На всех этапах производства должна быть соблюдена технология и меры безопасности, что в итоге позволяет получить качественное изделие.

В качестве катода в литий-ионных батареях используется фольга, с нанесённым на её поверхности содержащий литий веществом.

В зависимости от назначения АКБ могут быть использованы следующие соединения лития:

• LiCoO2;
• ;
• LiNiO2;
• LiMn2О4.

При изготовлении цилиндрических источников электроэнергии типоразмера AA и AAA основной электрод скручивается в рулон, который отделяется от анода сепаратором. При большой площади катода, плёнка которого имеет минимальную толщину, удаётся добиться высокой энергоёмкости изделия.

Принцип работы и устройство li-ion аккумулятора

Литий ионный аккумулятор работает следующим образом:

1. При подаче на контакты батареи постоянного электрического тока катионы лития перемещаются в материал анода.
2. В процессе разрядки ионы лития покидают анод и проникают в диэлектрик на глубину до 50 нм.

В «жизни» литий-ионного аккумулятора таких циклов может быть до 3 000 при этом батарея может отдать практически весь электрический ток накопленный в процессе зарядки. Глубокий разряд не приводит к окислению пластин, что выгодно выделяет такие изделия по сравнению с кислотными АКБ.

Не все li-ion АКБ хорошо переносят глубокие разряды. Если подобная батарея установлена в телефоне или фотоаппарате (типа AAA), то при глубоком разряде контроллерная плата в целях безопасности блокирует возможность заряда батареи, поэтому без специального зарядного устройства зарядить ее не получится. Если это тяговая литиевая батарея для лодочного мотора, то ей глубокий разряд будет совсем не страшен.

В отличие от пальчиковых аккумуляторов сложные батареи состоят из нескольких отдельных источников электроэнергии соединённых параллельно или последовательно. Способ соединения зависит от того, какой показатель электричества необходимо увеличить.

Типоразмеры и виды li-ion батарей

Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение. Такие источники электрического тока используются в различных бытовых устройствах, гаджетах и даже автомобилях. Кроме этого, изготавливаются промышленные литий ионные аккумуляторы, имеющие большую ёмкость и высокое напряжение. Наиболее востребованными являются следующие типы литиевых аккумуляторов:

Название	Диаметр, мм	Длинна, мм	Емкость, мАч
10180	10	18	90
10280	10	28	180
10440 (AAA)	10	44	250
14250 (AA/2)	14	25	250
14500	14	50	700
15270 (CR2)	15	27	750-850
16340 (CR123A)	17	34.5	750-1500
17500 (A)	17	50	1100
17670	17	67	1800
18500	18	50	1400
18650 (168A)	18	65	2200-3400
22650	22	65	2500-4000
25500 (тип C)	25	50	2500-5000
26650	26	50	2300-5000
32600 (тип D)	34	61	3000-6000

Первые две цифры таких обозначений указывают на диаметр изделия, вторая пара – на длину. Последний «0» ставится, если батарейки имеют цилиндрическую форму.

Кроме аккумуляторов цилиндрической формы промышленностью выпускаются батареи типа «» напряжением 9v и мощные промышленные АКБ с напряжением 12v, 24v, 36v и 48v.

Батарея для штабелера

В зависимости от элементов, которые добавляется в изделие, на корпусе батареи может быть следующая маркировка:

• ICR – содержащие кобальт;
• IMR — — — — марганец;
• INR — — — — никель и марганец;
• NCR — — — — никель и кобальт.

Литиевые батареи отличаются не только размером и химическими добавками, но прежде всего по ёмкости и напряжению. Эти два параметра и определяют возможность их использования в тех или иных видах электрических приборов.

Где применяются li-ion АКБ

Литий-ионные батареи не имеют альтернативы там, где необходим аккумулятор способный отдавать электричество практически в полном объёме, и совершать большое количество циклов заряд/разряд без снижения ёмкости. Преимуществом таких устройств является относительно малый вес, ведь использовать свинцовые решётки в таких устройствах нет никакой необходимости.

Учитывая высокие эксплуатационные характеристики, такие изделия могут использоваться:

1. В качестве стартерных батарей. Литиевые аккумуляторы для автомобилей с каждым годом дешевеют, благодаря новым разработкам, которые позволяют снизить издержки производства. К сожалению цена таких батарей может быть очень высокой, поэтому многим владельцам машин такой аккумулятор оказывается не по карману. К недостаткам литий-ионных батарей можно отнести существенное падение мощности при температуре ниже минус 20 градусов, поэтому в северных районах эксплуатация таких изделий будет непрактичной.
2. В качестве тяговых устройств. Благодаря тому, что литий-ионные аккумуляторы легко переносят глубокий разряд их нередко используют как тяговые для лодочных электромоторов. Если мощности двигателя не слишком велика, то одного заряда хватает на 5 – 6 часов непрерывной работы, что вполне достаточно для рыбалки или совершения водной прогулки. Тяговый литий-ионный аккумуляторы устанавливают и на различную погрузочную технику (электроштабелеры, электропогрузчики), работающую в закрытых помещениях.
3. В бытовой технике. Литий-ионные аккумуляторы применяются в различных бытовых устройствах вместо стандартных батареек. У таких изделий напряжение 3,6v — 3,7v, но существуют модели, которые способны заменить обычную солевую или щелочную батарейку на 1,5 Вольта. Также можно встретить батареи напряжением 3v (15270, ), которые можно установить вместо 2 стандартных батареек.

Используются такие изделия в основном в мощных приборах, в которых обычные солевые батарейки очень быстро разряжаются.

Тяговой АКБ

Правила эксплуатации li ion аккумуляторов

На срок службы литиевого аккумулятора влияют многие факторы, знание которых позволит существенно увеличить ресурс. При использовании этого вида батарей необходимо:

1. Стараться не допускать полного разряда батареи. Несмотря на высокую устойчивость батареи к такому воздействию, желательно не выжимать из него все «соки». Особенно следует соблюдать осторожность при эксплуатации таких батарей с ИБП и электрическими двигателями высокой мощности. Если полный разряд батареи произошёл необходимо её незамедлительно оживить, то есть подключить к специальному зарядному устройству. Раскачать аккумулятор можно и после длительного пребывания в состоянии глубокого разряда, для чего необходимо произвести качественную зарядку в течение 12 часов, затем разрядить батарею.
2. Не допускать перезаряда. Перезаряд негативно влияет на характеристики изделия. Встроенный контроллёр не всегда способен вовремя отключить батарею, особенно в том случае, когда зарядка осуществляется в холодном помещении.

Кроме перезаряда и чрезмерного разряда батарею следует оберегать от чрезмерных механических воздействий, которые могут вызвать разгерметизацию корпуса и возгоранию внутренних компонентов аккумулятора. По этой причине существует запрет пересылки почтой батарей, в которых содержание чистого лития превышает 1 г.

Применяется в качестве АКБ для шуруповертов, ноутбуков и телефонов

Как хранить литий ионные аккумуляторы

Если возникает необходимость в длительном хранении литий-ионных аккумуляторов, то для минимизации негативного воздействия на изделия, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

1. Хранить изделие только в сухом, прохладном помещении.
2. Аккумулятор обязательно извлекается из электрического прибора.
3. Батарею необходимо зарядить перед консервацией. Минимальное напряжение, при котором не будут образовываться внутренние коррозионные процессы равно 2,5 Вольт на 1 элемент.

Учитывая малый саморазряд таких батарей, хранить таким образом аккумулятор можно в течение нескольких лет, но в течение этого срока всё равно неминуемо произойдёт уменьшение ёмкости элемента.

Утилизация литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы содержат опасные для здоровья вещества, поэтому ни в коем случае не следует их разбирать в домашних условиях. После того как батарея выработает свой ресурс её необходимо сдать для дальнейшей переработки. В специализированных приёмных пунктах можно получить денежную компенсацию за старый литиевый аккумулятор, ведь такие изделия содержат дорогостоящие элементы, которые могут быть использованы повторно.

Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?

Недавно мы рассказывали об истории изобретения литий-ионных аккумуляторов, которые дали мощнейший толчок развитию портативной электроники. Каждый год технологические СМИ сообщают нам о готовящейся энергетической революции — ещё чуть-чуть, еще год-другой, и мир увидит аккумуляторы с фантастическими характеристиками. Время идет, а революции не видно, в наших телефонах, ноутбуках, квадрокоптерах, электромобилях и смарт-часах по-прежнему установлены разные модификации литий-ионных батарей. Так куда делись все инновационные аккумуляторы и есть ли вообще какая-то альтернатива Li-Ion?

Когда ждать аккумуляторную революцию?

Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной. Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).

Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.

Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.

Главная проблема «революционных» батарей

Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.

Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.

Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?

Неудачные эксперименты

Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.

В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.

Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.

Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.

Сравнение размеров литий-металлической и литий-ионной батарей равной емкости. Источник: SolidEnergy Systems

Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.

Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.

Выработка вместо накопления энергии

Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.

Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.

В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.

Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.

Видео с демонстрацией заправки и работы Toshiba Dynario

Дальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.

Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.

Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University

Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.

Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.

Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.

А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion

Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.

Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.

Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.

Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.

Новая NMC-батарея электрокара Nissan Leaf по расчетам производителя проживет 22 года. Прошлый LMO-аккумулятор имел меньшую емкость и изнашивался гораздо быстрее. Источник: Nissan

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.

Массив литий-фосфатных ячеек с общей емкостью 145,6 кВт⋅ч. Такие массивы используют для безопасного накопления энергии с солнечных батарей. Источник: Yo-Co-Man / Wikimedia

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.

Видео вскрытия святая святых — NCA-ячейки батареи электромобиля Tesla Model S

Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.

SCiB-модуль производства Toshiba с емкостью 45 А·ч, номинальным напряжением 27,6 В и током разрядки 160 А (импульсно до 350 А). Весит 15 кг, а размером с коробку для обуви: 19х36х12 см. Источник: Toshiba

Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.

Тест литий-титанатной батареи Toshiba на разгерметизацию. Загорится или нет?

Энергетическая сингулярность

Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.

А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.

Долго ли ждать атомных батареек? Пожалуйста, City Labs P200 — 2,4 В, 20 лет службы, правда, мощность до 0,0001 Вт и цена около $8000. Источник: City Labs

С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.

Литий-ионный аккумулятор: строение, эксплуатация, хранение

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

Из истории создания

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

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

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

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

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

Как правильно эксплуатировать и хранить литий-ионный аккумулятор

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

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

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

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

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

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

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

Литий-полимерный аккумулятор как альтернатива Li-ion

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

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

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

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

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

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

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

Как восстановить Li-ion аккумулятор

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

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

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

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

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

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

Можно ли починить вздутую батарею

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

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

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

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

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

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

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

из чего делают, устройство, основные виды

Ключевым элементом мобильности электронных устройств является аккумуляторная батарея (АКБ). Растущие требования к обеспечению наиболее длительной их автономности стимулируют постоянные исследования в этой области и ведут к появлению новых технологических решений.

Широко применяемым никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлогидридным (Ni-MH) батареям появилась альтернатива — сначала литиевые аккумуляторы, а затем более совершенные литий-ионные (Li-ion) АКБ.

История появления

Первые подобные аккумуляторы появились еще в 70-е гг. прошлого века. Они сразу получили востребованность благодаря более совершенным характеристикам. Анод элементов был изготовлен из металлического лития, свойства которого позволили повысить удельную энергию. Так появились литиевые аккумуляторы.

У новых батарей был весомый недостаток — повышенная опасность взрыва и воспламенения. Причина крылась в образовании на поверхности электродов литиевой пленки, которая приводила к нарушению температурной стабильности. В момент максимальной нагрузки батарея могла взорваться.

Доработка технологии привела к отказу от чистого лития в компонентах АКБ в пользу использования его положительно заряженных ионов. Литий-ионный аккумулятор оказался удачным решением.

Данному типу ионных аккумуляторов свойственна более высокая безопасность, которая получена за счет небольшого снижения энергетической плотности, но постоянный технологический прогресс позволил свести проигрыш по этому показателю к минимуму.

Устройство

Внедрение литий-ионных аккумуляторов в производство бытовой электроники получило прорыв после разработки батареи с катодом из углеродного материала (графита) и анодом из оксида кобальта.

В процессе разряда батареи происходит выведение ионов лития из материала катода и их включение в оксид кобальта противоположного электрода, при зарядке процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, электрический ток создают ионы лития, перемещаясь от одного электрода к другому.

Li-Ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и призматическом исполнении. В цилиндрической конструкции две ленты плоских электродов, разделенных пропитанным электролитом материалом, свернуты в рулон и помещены в герметичный металлический корпус. Катодный материал нанесен на алюминиевую фольгу, анодный — на медную фольгу.

Призматическую конструкцию аккумулятора получают при укладывании прямоугольных пластин друг на друга. Такая форма батареи дает возможность сделать компоновку электронного устройства более плотной. Также выпускаются призматические АКБ с рулонными электродами, скрученными в спираль.

Эксплуатация и срок службы

Долгая, полноценная и безопасная работа литий-ионных аккумуляторов возможна при соблюдении правил эксплуатации, пренебрежение ими не только сократит срок службы изделия, но может привести к негативным последствиям.

Эксплуатация

Ключевое требование к эксплуатации Li-Ion батарей касается температуры — нельзя допускать перегрева. Высокая температура способна причинить максимальный вред, причем причиной перегрева может быть как внешний источник, так и стрессовые режимы заряда и разряда батареи.

Например, нагрев до 45°C приводит к снижению способности удержания заряда АКБ в 2 раза. Такая температура легко достигается при долгом пребывании устройства на солнце или при работе энергетически затратных приложений.

При перегреве изделия рекомендуется поместить его в прохладное место, лучше при этом выключить и извлечь батарею.

Для наилучшего сохранения работоспособности АКБ в условиях летней жары стоит использовать энергосберегающий режим, который имеется на большинстве мобильных устройств.

Низкие температуры тоже отрицательно действуют на ионные аккумуляторы, при температуре ниже -4°C батарея уже не может отдавать полную мощность.

Но холод не так вреден для Li-Ion батарей, как высокая температура, и чаще всего не приводит к необратимому ущербу. Несмотря на то что после прогрева до комнатной температуры рабочие свойства АКБ полностью восстанавливаются, о снижении емкости на холоде не стоит забывать.

Еще одна рекомендация по эксплуатации Li-Ion аккумуляторов — не допускать их глубокой разрядки. Многие АКБ предыдущих поколений обладали эффектом памяти, который требовал разрядки до нуля с последующей полной зарядкой. Li-Ion батареи лишены такого эффекта, при этом единичные случаи полной разрядки не приводят к негативным последствиям, но постоянная глубокая разрядка вредна. Рекомендуется подключать зарядное устройство при уровне зарядки 30%.

Срок службы

Неправильная эксплуатация Li-Ion аккумуляторов способна сократить срок их службы в 10-12 раз. Этот срок напрямую зависит от количества зарядных циклов. Считается, что АКБ Li-Ion типа могут выдерживать от 500 до 1000 циклов с учетом полной разрядки. Более высокий процент остающегося заряда перед началом следующей зарядки существенно увеличивает срок службы АКБ.

Поскольку длительность сохранения работоспособности Li-Ion аккумуляторов в немалой степени определяется условиями эксплуатации, невозможно назвать точный срок службы этих батарей. В среднем, можно ожидать, что батарея такого типа прослужит 7-10 лет при соблюдении требуемых правил.

Процесс зарядки

При зарядке следует избегать избыточно долгого подключения АКБ к зарядному устройству. Нормальное функционирование литий-ионного аккумулятора проходит при напряжении, не превышающем 3,6 В. Зарядные устройства в процессе зарядки подают на вход АКБ 4,2 В. Если превысить время заряда, в аккумуляторе могут начаться нежелательные электрохимические реакции, которые повлекут за собой перегрев со всеми вытекающими последствиями.

Разработчики учли такую особенность — безопасность заряда современных Li-Ion батарей контролируется специальным встроенным устройством, останавливающим процесс зарядки при увеличении напряжения выше допустимого уровня.

Для литиевых АКБ правильным является двухступенчатый способ заряда. На первом этапе батарею нужно заряжать, обеспечивая постоянный зарядный ток, второй этап должен проходить с обеспечением постоянного напряжения и постепенным снижением зарядного тока. Такой алгоритм аппаратно реализован в большинстве бытовых зарядных устройств.

Хранение и утилизация

Литий-ионный аккумулятор может храниться достаточно долго, саморазряд составляет 10-20% в год. Но при этом происходит постепенное снижение характеристик изделия (деградация).

Хранить такие АКБ рекомендуется в защищенном от влаги месте, при температуре +5…+25°С. Недопустимы сильные вибрации, удары и соседство с открытым пламенем.

Процесс утилизации литий-ионных элементов должен проводиться на специализированных предприятиях, имеющих соответствующую лицензию. Около 80% материалов утилизированных АКБ может использоваться повторно в производстве новых батарей.

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор даже миниатюрных размеров таит в себе риски взрывного самовозгорания. Такая особенность этого типа АКБ требует соблюдения мер безопасности на всех этапах, от разработки до производства и хранения.

Для повышения безопасности Li-Ion аккумуляторов при изготовлении в их корпус помещают небольшую электронную плату — систему контроля и управления, которая призвана исключить перегрузки и перегрев. Электронный механизм увеличивает сопротивление цепи при росте температуры выше заданного предела. Некоторые модели батарей имеют встроенный механический выключатель, разрывающий цепь при росте давления внутри АКБ.

Также в корпусах батарей часто устанавливают предохранительный клапан, сбрасывающий давление в экстренных случаях.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

• высокая энергетическая плотность;
• отсутствие эффекта памяти;
• длительный срок эксплуатации;
• низкий показатель саморазряда;
• отсутствие необходимости обслуживания;
• обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

• риск самовозгорания;
• более высокая, чем у предшественников, стоимость;
• необходимость наличия встроенного контроллера;
• нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Область применения

Высокий показатель энергоплотности литий-ионных батарей определяет основную сферу их применения — мобильные электронные устройства: ноутбуки, планшеты, смартфоны, видеокамеры, фотоаппараты, навигационные системы, различные встроенные датчики и ряд других изделий.

Существование цилиндрического форм-фактора этих аккумуляторов позволяет использовать их в фонариках, стационарных телефонах и прочих устройствах, ранее потреблявших энергию от одноразовых батареек.

Литий-ионный принцип построения АКБ имеет несколько разновидностей, виды отличаются по типу применяемых материалов (литий-кобальтовый, литий-марганцевый, литий-никель-марганец-кобальт-оксидный и др.). Каждый из них находит свою сферу применения.

Помимо мобильной электроники, группа литий-ионных АКБ применяется в следующих областях:

• электроинструменты ручного типа;
• портативное медицинское оборудование;
• источники бесперебойного электропитания;
• охранные системы;
• модули аварийного освещения;
• станции на солнечных батареях;
• электромобили и электровелосипеды.

Учитывая постоянное совершенствование литий-ионной технологии и успехи в создании АКБ большой емкости при малых размерах, можно прогнозировать расширение областей применения таких аккумуляторов.

Маркировка

Параметры литий-ионных аккумуляторных батарей нанесены на корпус изделия, при этом применяемая кодировка может существенно отличаться для разных типоразмеров. Единый для всех производителей стандарт маркировки АКБ пока не разработан, но самостоятельно разобраться с самыми важными параметрами все же возможно.

Буквы в строке маркировки указывают на тип элемента и использованные материалы: первая буква I означает литий-ионную технологию, следующая буква (C, M, F или N) уточняет химический состав, третья буква R означает, что элемент является перезаряжаемым (Rechargeable).

Цифры в названии типоразмера означают размер аккумулятора в миллиметрах: две первые цифры — диаметр, а две другие — длина. Например, 18650 указывает, что диаметр составляет 18 мм, а длина — 65 мм, 0 обозначает цилиндрический форм-фактор.

Последние в ряду буквы и цифры — специфическая для каждого производителя маркировка емкости. Для указания даты изготовления также не существует единых стандартов.

Литий─ионный аккумулятор

В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.

 

Содержание статьи

Как появились литий─ионные батареи?

Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.

На протяжении этих 20 лет исследователи пришли к выводу, что основной проблемой является литиевый электрод. Этот металл очень активный и при эксплуатации протекал ряд процессов, приводивших в итоге к воспламенению. Это стали называть вентиляцией с образованием пламени. Из-за этого в начале 90-х годов производители были вынуждены отозвать батареи, выпущенные для мобильных телефонов.

Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.

Металлический литий крайне нестабилен, особенно проявляется при зарядке и разрядке. Поэтому исследователи стали создавать аккумуляторную батарею литиевого типа без использования лития. Стали использоваться ионы этого щелочного металла. Отсюда и пошло их название.

Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем литиевые аккумуляторы. Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.

Вернуться к содержанию
 

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.

Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.
Вернуться к содержанию
 

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).

При интеркаляции ионы лития раздвигают слои углерода, внедряясь между них. Получаются различные интеркалаты. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем матрицы углерода меняется несущественно. В отрицательный электрод, помимо углеродного материала, могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также пробуют использовать композитные материалы с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т. п.

Вернуться к содержанию
 

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели.

Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода.

Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями:

положительный электрод

LiCoO₂ → Li_1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe^—

отрицательный электрод

С + xLi⁺ + xe^— → CLi_x

В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.

На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.

Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе

Вернуться к содержанию
 

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод.

Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.

Цилиндрический литий─ионный аккумулятор

Li─Ion аккумуляторы призматической конструкции делаются с помощью укладывания пластин прямоугольной формы друг на друга. Такие батареи дают возможность сделать упаковку более плотной. Сложность заключается в поддержке сжимающего усилия на электродах. Есть призматические АКБ с рулонной сборкой электродов, скручиваемых в спираль.

Призматический литий─ионный аккумулятор

В конструкции любых литий─ионных аккумулятор предусмотрены меры для обеспечения их безопасной работы. В первую очередь это касается предотвращения разогрева и воспламенения. Под крышкой батареи устанавливается механизм, который увеличивает сопротивление аккумулятора при увеличении температурного коэффициента. При возрастании давления внутри АКБ выше допустимого предела, механизм разрывает положительный вывод и катод.

Кроме того, для увеличения безопасности эксплуатации в Li-Ion аккумуляторах в обязательном порядке используется электронная плата. Её назначение – это контроль за процессами заряда и разряда, исключение перегрева и короткого замыкания.

Сейчас выпускается много призматических литий─ионных аккумуляторов. Они находят применение в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может отличаться у различных производителей, поскольку не имеет единой унификации. Электроды противоположной полярности разделяются сепаратором. Для его производства используется пористый полипропилен.

Конструкция Li-Ion и прочих разновидностей литиевых АКБ всегда выполняется герметичной. Это обязательное требование, поскольку вытекания электролита не допустимо. Если он вытечет, то электроника будет повреждена. Кроме того, герметичное исполнение не допускает попадания внутрь АКБ воды и кислорода. Если они попадут внутрь, то в результате реакции с электролитом и электродами разрушат аккумулятор. Производство комплектующих для литиевых аккумуляторов и их сборка находится в специальных сухих боксах в атмосфере аргона. При этом используются сложные приёмы сваривания, герметизации и т. п.

Что касается количества активной массы Li-Ion аккумулятора, то здесь производители всегда ищут компромисс. Им нужно добиться максимальной ёмкости и обеспечить безопасность функционирования. За основу принимается отношение:

А_о / А_п = 1,1, где

А_о – активная масса отрицательного электрода;

А_п — активная масса положительного электрода.

Такой баланс не допускает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.

Вернуться к содержанию
 

Параметры Li-Ion аккумуляторов

Выпускаемые сегодня литий─ионные аккумуляторы имеют высокую удельную энергоёмкость и рабочее напряжение. Последнее в большинстве случаев составляет от 3,5 до 3,7 вольта. Энергоёмкость составляет от 100 до 180 ватт-час на килограмм или от 250 до 400 на литр. Некоторое время назад производители не могли выпустить АКБ с ёмкостью выше нескольких ампер-час. Сейчас проблемы, сдерживающие развитие в этом направлении, устранены. Так, что в продаже стали встречаться аккумуляторы литиевого типа с ёмкостью в несколько сотен ампер-час.

Литий-ионный аккумулятор

Ток разряда современных Li─Ion аккумуляторов составляет от 2С до 20С. Они работают в интервале температур окружающей среды от -20 до +60 Цельсия. Есть модели работоспособные при -40 Цельсия. Но сразу стоит сказать, что при отрицательных температурах работают специальные серии АКБ. Обычные литий─ионные батарейки для мобильных телефонов при отрицательных температурах становятся неработоспособными.

Саморазряд этого типа батарей равен 4─6 процента в течение первого месяца. Далее он уменьшается и в год составляет до процентов. Это значительно меньше, чем у никель─кадмиевых и никель─металлогидридных батарей. Срок службы примерно 400─500 циклов заряд-разряд.

Теперь поговорим об особенностях эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.

Вернуться к содержанию
 

Эксплуатация литий─ионных батарей

Зарядка Li─Ion аккумуляторов

Заряд литий─ионных АКБ обычно комбинированный. Сначала они заряжаются при постоянном токе величиной 0,2─1С пока не наберут напряжение 4,1─4,2 вольта. А затем зарядка ведётся при постоянном напряжении. Первая ступень продолжается примерно около часа, а вторая около двух. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используется импульсный режим. Первоначально выпускались Li─Ion аккумуляторы с графитом и для них устанавливалось ограничение напряжения 4,1 вольта на одну банку. Дело в том, что при более высоком напряжении в элементе начинались побочные реакции, сокращающие срок эксплуатации этих аккумуляторов.

Постепенно эти минусы удалось устранить за счёт легирования графита различными добавками. Современные литий─ионные элементы без проблем заряжают до 4,2 вольта. Погрешность составляет 0,05 вольта на элемент. Существуют группы Li─Ion аккумуляторных батарей для военной и промышленной сферы, где требуется повышенная надёжность и длительный срок службы. Для таких АКБ выдерживают максимальное напряжение на элемент 3,90 вольта. У них несколько ниже энергетическая плотность, но увеличенный срок службы.

Если заряжать литий─ионную батарею током величиной 1С, то время полного набора ёмкости составит 2─3 часа. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда напряжение возрастает до максимального, а ток снижается до 3 процентов от величины в начале процесса зарядки. Это можно видеть на графике ниже.

Зависимость тока заряда и напряжения Li─Ion аккумулятора при заряде

На графике ниже представлены этапы зарядки Li─Ion батареи.

Этапы зарядки литий─ионного аккумулятора

Процесс зарядки состоит из следующих этапов:

• Этап 1. На этой стадии через аккумуляторную батарею течёт максимальный ток заряда. Он продолжается до момента достижения порогового напряжения;
• Этап 2. При постоянном напряжении на АКБ ток зарядки постепенно уменьшается. Этот этап прекращается, когда величина тока уменьшается до 3 процентов от начального значения;
• Этап 3. Если аккумулятор ставится на хранение, то на этом этапе идёт периодический заряд для компенсации саморазряда. Делается ориентировочно через каждые 500 часов.
  Из практики известно, что увеличение тока заряда не сокращает время зарядки батареи. При повышении тока напряжение растёт быстрее до порогового значения. Но тогда потом второй этап зарядки длится дольше. Некоторые зарядные устройства (ЗУ) могут зарядить Li─Ion аккумулятор за час. В таких ЗУ отсутствует второй этап, но реально аккумулятор в этой точке заряжается где-то на 70 процентов.

Что касается струйной подзарядки, то для литий─ионных батарей она неприменима. Это объясняется тем, что этот тип АКБ не может при перезарядке поглощать избыточную энергию. Струйная подзарядка может привести к переходу части ионов лития в металлическое состояние (валентность 0).

А непродолжительный заряд хорошо компенсирует саморазряд и потери электрической энергии. Зарядка на третьем этапе может делаться каждые 500 часов. Как правило, выполняется при снижении напряжения АКБ до 4,05 вольта на одном элементе. Заряд ведётся до поднятия напряжения до 4,2 вольта.

Стоит отметить слабую стойкость литий─ионных аккумуляторов к перезаряду. В результате подачи лишнего заряда на углеродной матрице (минусовой электрод) может начаться осаждение металлического лития. Он имеет очень высокую химическую активность и взаимодействует с электролитом. В результате на катоде начинается выделение кислорода, что грозит ростом давления в корпусе и разгерметизацией. Поэтому если вы заряжаете Li─Ion элемент в обход контроллера, не допускайте подъёма напряжения при заряде выше, чем рекомендует производитель батареи. Если постоянно перезаряжать аккумулятор, срок его службы сокращается.

Безопасности Li-Ion АКБ производители уделяют серьёзное внимание. Заряд прекращается при увеличении напряжения выше допустимого уровня. Также установлен механизм выключения заряда при увеличении температуры батареи выше 90 Цельсия. Некоторые современные модели батарей имеют в своей конструкции выключатель механического типа. Он срабатывает при росте давления внутри корпуса АКБ. Механизм контроля напряжения электронной платы отключает банку от внешнего мира по минимальному и максимальному напряжению.

Существуют литий─ионные батареи без защиты. Это модели, содержащие в своём составе марганец. Этот элемент при перезаряде способствует торможению металлизации лития и выделению кислорода. Поэтому в таких аккумуляторах защита становится не нужна.

Рекомендуем дополнительно прочитать материал о том, как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы.
Вернуться к содержанию
 

Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ

Аккумуляторы литиевого типа хранятся достаточно хорошо и саморазряд в год составляет всего 10─20% в зависимости от условий хранения. Но при этом деградация элементов батареи продолжается даже, если она не используется. Вообще, все электрические параметры литий─ионного аккумулятора могут отличаться для каждого конкретного экземпляра.

К примеру, напряжение при разряде меняется в зависимости от степени зарядки, тока, температуры окружающей среды и т. п. На срок эксплуатации АКБ оказывают влияние токи и режимы цикла разряд-заряд, температура. Один из главных недостатков Li-Ion батарей ─ это чувствительность к режиму заряд-разряд, из-за чего в них и предусматривается много разных видов защит.

На графиках ниже представлены разрядные характеристики литий─ионных аккумуляторов. На них рассмотрена зависимость напряжения от тока разряда и температуры окружающей среды.

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных разрядных токах

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при различных температурах

Как можно видеть, при увеличении разрядного тока падение ёмкости незначительно. Но при этом рабочее напряжение заметно уменьшается. Аналогичная картина наблюдается при температуре меньше 10 градусов Цельсия. Стоит также отметить начальную просадку напряжения аккумулятора.
Вернуться к содержанию
 

Безопасность

В целом к настоящему времени проблема защиты литий─ионных аккумуляторов уже решена. Электронная защита держит под контролем процесс заряда и разряда. К тому же постоянно дорабатывается материал катода, в том числе, в направлении термической стабильности.

Li-Ion аккумуляторы имеют встроенную защиту от внутреннего короткого замыкания. Некоторые категории АКБ также оснащают защитой от внешнего короткого замыкания. Внутренняя защита реализована в виде двухслойного сепаратора. Один слой выполнен из полипропилена, а второй из аналога полиэтилена. Если в результате появления литиевых дендритов происходит короткое замыкание, то этот второй слой из-за разогрева оплавляется. В результате он становится непроницаемым, что предотвращает дальнейший рост дендритов лития к положительному электроду.

Вернуться к содержанию
 

Защита литий─ионных батарей

Выше мы несколько раз упоминали о защите Li─Ion аккумуляторов. Давайте, суммируем всю информацию.

В аккумуляторных батареях литиевого типа применяется полевой транзистор для размыкания цепи, когда напряжение банки возрастает до 4,3 вольта. Термическая защита разъединяет цепь при нагреве АКБ выше 90 градусов Цельсия. Ещё в литий─ионных батареях можно встретить предохранитель, срабатывающий при увеличении давления в корпусе до 1034 кПа. Также устанавливаются схемы, предохраняющие элемент от глубокого разряда. Их назначение – разорвать цепь при снижении напряжения элемента до 2,5 вольта.

Вернуться к содержанию
 

Как функционирует защита АКБ?

Схема защиты литий─ионной аккумуляторной батареи при включённом телефоне имеет сопротивление 0,05─0,1 Ом. Это два ключа, которые соединены последовательно. Первый предназначен для срабатывания на верхнем, а второй ─ на нижнем значении напряжения АКБ. Сопротивление увеличивает в 2 раза внутреннее сопротивление АКБ. Аккумулятор отдаёт максимальный ток при низком внутреннем сопротивлении. Схема защиты сделана, как препятствие для бесконтрольного роста тока (как зарядки, так и разрядки) аккумулятора.

Также схема защиты может быть реализована с помощью химических добавок. Для этого используется марганец. В таких АКБ вместо схемы защиты ставится только предохранитель. И всё это не сказывается на безопасности. Марганец не даёт аккумулятору перегреться и воспламениться. В результате отказа от электронной схемы снижается цена литий─ионных батарей, но это порождает другую проблему. Такую АКБ пользователь может заряжать «неродной» зарядкой. И в этом случае может случиться так, что ЗУ не остановит процесс при полной зарядке. Тогда без схемы пойдёт перезаряд и выход аккумулятора из строя. Такие вещи заканчиваются вздутием корпуса.

Вернуться к содержанию
 

Деградация Li─Ion аккумуляторов

Из-за чего происходит деградация Li-Ion аккумуляторов и какие факторы приводят к снижению ёмкости? Это:

• расслоение графитовой матрицы;
• разрушение структуры катода;
• образование частиц металлического лития;
• появление пассивирующей плёнки на электродах. Она снижает поверхностную активность;
• разрушение механической структуры электрода из-за изменений объёма электродов при заряде-разряде.

Специалисты до сих пор не пришли к единому мнению насчёт того, какой электрод (катод или анод) больше изменяется при эксплуатации. На конечный результат влияет материал электрода, а также его чистота. Заявленный ресурс современных литий─ионных аккумуляторов составляет от 500 до 1 тысячи циклов разряд-заряд до снижения ёмкости на 20 процентов. Но результат сильно зависит от значения напряжения при заряде. Результаты исследований специалистов показали следующие результаты.

Зависимость ёмкости литий-ионного аккумулятора при различном пороговом напряжении заряда

Стоит отметить, что при уменьшении «амплитуды циклирования» увеличивается срок эксплуатации. Что это значит? То есть, не нужно разряжать телефон до выключения и заряжать его до 100%. Благодаря этому уменьшается механическая нагрузка на электроды, которая вызвана изменением объёма из-за внедрения ионов лития. Чем глубже разряд и полнее заряд, тем большие механические напряжения испытывают электроды.

Вернуться к содержанию
 

Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей

Литий─ионные аккумуляторы уже превратились в полноценное семейство батарей, как щелочные или автомобильные. От остальных групп АКБ они выделяются своей высокой энергоёмкостью, режимами заряд-разряд и рядом других характеристик. Их эксплуатация требует использования электронных схем контроля заряда-разряда и некоторых других средств защиты.

В случае с литиевыми аккумуляторами задача их безопасного использования усложняется требованиями к габаритам. Они должны быть максимально компактными, поскольку используются в портативной электронике. Из-за близкого расположения электродов и стремления добиться максимальной удельной ёмкости литий─ионные аккумуляторы долго не могли вывести на рынок для коммерческого использования.

Сейчас активно ведутся разработки новых материалов для электродов. Причём при использовании нового материала проходит долгое время до того момента, как его удаётся внедрить в серийное производство.

На рынке наблюдается довольно большой разброс литиевых батарей по электрическим характеристикам, габаритам и т. п. Отчасти это происходит из-за того, что пока нет единых стандартов в этом направлении. Кроме того, рынок наводнила продукция из Китая и других стран азиатского региона. Эти производители зачастую не придерживаются никаких норм, стараясь выпустить максимально доступные аккумуляторы.

Куда будет двигаться разработка литий─ионных аккумуляторов? Специалисты в этой сфере считают, что основное направление развития для них – это «умные аккумуляторы». Этот тренд сейчас явно прослеживания в различных электронных устройствах. То есть, идентификация батареи, степень заряженности, допустимое напряжение, температура – всем этим АКБ должна обмениваться с мобильным устройством.

Кроме того, усовершенствование литий─ионных аккумуляторов будет вестись в направлении уменьшения размеров, увеличения энергоёмкости, более гибкие решения в плане формы и т. п. Также работы ведутся в направлении разработки материалов для катода на базе соединений лития. Их цель – создание моделей литиевых АКБ, способных заменить никель─кадмиевые аккумуляторы в устройствах, потребляющих большой ток (портативный электроинструмент).

Надеемся, что эта статья помогла вам разобраться в особенностях литий─ионных аккумуляторов. Если материал был полезен, то делайте репост в социальных сетях. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте статью! Если остались вопросы и дополнения, пишите их в комментариях.
Вернуться к содержанию

история создания литий-ионных аккумуляторов / Toshiba corporate blog / Habr

Перед тем как перейти к чтению, посчитайте, сколько устройств с аккумуляторами находится рядом с вами в радиусе нескольких метров. Наверняка, вы увидите смартфон, планшет, «умные» часы, фитнес-трекер, ноутбук, беспроводную мышь? Во всех этих устройствах установлены литий-ионные аккумуляторы — их изобретение можно считать одним из самых важных событий в области энергетики.

Легкие, ёмкие и компактные литий-ионные аккумуляторы способствовали буму портативной электроники, существование которой ранее было невозможным. Вот только гаджеты за последние 30 лет совершили фантастический технологический скачок, а современные литий-ионные аккумуляторы почти не отличаются от первых серийных образцов начала 1990-х годов. Кто и как изобрел литий-ионные перезаряжаемые батареи, какие составы в них используются и существует ли мировой заговор против «вечных» аккумуляторов? Рассказываем.

Легенда о первой батарейке

Между первой попыткой добыть электричество химическим способом и созданием литий-ионных аккумуляторов прошло, возможно, два тысячелетия. Существует неподтверждённая догадка, что первым рукотворным гальваническим элементом в истории человечества была «багдадская батарейка», найденная в 1936 году близ Багдада археологом Вильгельмом Кёнигом. Находка, датируемая II-IV веком до н. э., представляет собой глиняный сосуд, в котором находятся медный цилиндр и железный стержень, пространство между которыми могло заполняться «электролитом» — кислотой или щелочью. Современная реконструкция находки показала, что при заполнении сосуда лимонным соком можно добиться напряжения до 0,4 вольт.

«Багдадская батарейка» вполне похожа на портативный аккумулятор. Или чехол для папирусов? Источник: Ironie / Wikimedia

Для чего могла использоваться «багдадская батарейка», если до открытия электричества оставалась пара тысяч лет? Возможно, ее использовали для аккуратного нанесения золота на статуэтки методом гальванизации — тока и напряжения с «батарейки» для этого вполне хватает. Впрочем, это только теория, ибо никаких свидетельств об использовании электричества и этой самой «батарейки» древними народами до нас не дошло: позолоту в то время наносили методом амальгамирования, а сам необычный сосуд с тем же успехом мог быть всего лишь защищенным контейнером для свитков.

Теория небольшого взрыва

Русская поговорка «Не было бы счастья, да несчастье помогло» как нельзя лучше иллюстрирует ход работ над литий-ионными батареями. Без одного неожиданного и неприятного происшествия создание новых аккумуляторов могло бы задержаться на несколько лет.

Еще в 1970-х годах британец Стэнли Уиттингэм (Stanley Whittingham), работавший в топливно-энергетической компании Exxon, при создании перезаряжаемой литиевой батареи использовал анод из сульфида титана и литиевый катод. Первая перезаряжаемая литиевая батарея демонстрировала сносные показатели по току и напряжению, только периодически взрывалась и травила окружающих газом: дисульфид титана при контакте с воздухом выделял сероводород, дышать которым как минимум неприятно, как максимум — опасно. Помимо этого, титан во все времена был очень дорогим, а в 1970-е цена дисульфида титана составляла порядка $1000 за килограмм (эквивалент $5000 в наше время). Не говоря уже о том, что металлический литий на воздухе горит. Так что Exxon свернули проект Уиттингэма от греха подальше.

В 1978 году Коити Мидзусима (Koichi Mizushima), защитивший докторскую по физике, занимался исследовательской работой в Токийском университете, когда из Оксфорда ему пришло приглашение присоединиться к группе Джона Гуденафа (John Goodenough), занимавшейся поиском новых материалов для батарейных анодов. Это был очень многообещающий проект, так как потенциал литиевых источников питания уже был известен, но укротить капризный металл толком никак не удавалось — недавние эксперименты Уиттингэма показывали, что до начала серийного производства желанных литий-ионных батарей еще далеко.

В экспериментальных аккумуляторах использовались литиевый катод и сульфидный анод. Превосходство сульфидов над другими материалами в анодах задало Мидзусиме и его коллегам направление для поисков. Ученые заказали в свою лабораторию печь для производства сульфидов прямо на месте, чтобы быстрее экспериментировать с различными соединениями. Работа с печью закончилась не очень хорошо: в один день она взорвалась и вызвала пожар. Инцидент заставил команду исследователей пересмотреть свои планы: возможно, сульфиды, несмотря на их эффективность, были не лучшим выбором. Ученые сместили свое внимание в сторону оксидов, синтезировать которые было гораздо безопасней.

После множества тестов с различными металлами, в том числе железом и марганцем, Мидзусима обнаружил, что оксид литий-кобальта демонстрирует наилучшие результаты. Вот только использовать его надо не так, как до этого предполагала команда Гуденафа, — искать не материал, поглощающий ионы лития, а материал, который охотнее всего отдает ионы лития. Кобальт подходил лучше прочих ещё и потому, что отвечает всем требованиям по безопасности и к тому же повышает напряжение элемента до 4 вольт, то есть вдвое больше по сравнению с ранними вариантами батарей.

Применение кобальта стало важнейшим, но не последним шагом в деле создания литий-ионных аккумуляторов. Справившись с одной проблемой, ученые столкнулись с другой: плотность тока оказалась слишком мала, чтобы использование литий-ионных элементов было экономически оправданным. И команда, совершившая один прорыв, совершила и второй: при уменьшении толщины электродов до 100 микрон удалось повысить силу тока до уровня других типов аккумуляторов, при этом с удвоенным напряжением и емкостью.

Первые коммерческие шаги

На этом история изобретения литий-ионных батарей не заканчивается. Несмотря на открытие Мидзусимы, у команды Гуденафа ещё не было образца, готового к серийному производству. Из-за использования металлического лития в катоде во время заряда аккумулятора ионы лития возвращались на анод не ровным слоем, а дендритами — рельефными цепочками, которые, вырастая, вызывали короткое замыкание и фейерверк.

В 1980 году марокканский ученый Рашид Язами (Rachid Yazami) обнаружил, что графит отлично справляется с ролью катода, при этом он абсолютно пожаробезопасен. Вот только существующие в то время органические электролиты быстро разлагались при соприкосновении с графитом, поэтому Язами заменил их твердым электролитом. Графитовый катод Язами был вдохновлен открытием проводимости полимеров профессором Хидэки Сиракавой (Hideki Shirakawa), за что тот получил Нобелевскую премию по химии. А графитовый катод Язами до сих пор используется в большинстве литий-ионных аккумуляторов.

Запускаем в производство? И снова нет! Прошло еще 11 лет, исследователи повышали безопасность батарей, повышали напряжение, экспериментировали с разными материалами катода, прежде чем в продажу поступил первый литий-ионный аккумулятор.
Коммерческий образец был разработан Sony и японским химическим гигантом Asahi Kasei. Им стала батарея для пленочной любительской видеокамеры Sony CCD-TR1. Она выдерживала 1000 циклов зарядки, а остаточная емкость после такого износа была вчетверо выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора аналогичного типа.

Кобальтовый камень преткновения

До открытия Коити Мидзусимой литий-кобальтового оксида кобальт не был особо востребованным металлом. Его основные залежи были обнаружены на территории Африки в государстве, сейчас известном как Демократическая Республика Конго. Конго является крупнейшим поставщиком кобальта — 54% этого металла добывается здесь. Из-за политических потрясений в стране в 1970-х цена на кобальт взлетала на 2000%, но позже вернулась к прежним значениям.

Высокий спрос рождает высокие цены. Ни в 1990-х, ни в 2000-х годах кобальт не был одним из главных металлов на планете. Но что началось с популяризацией смартфонов в 2010-е! В 2000 году спрос на металл составлял примерно 2700 тонн в год. К 2010-му, когда по планете победно шагали iPhone и Android-смартфоны, спрос подскочил до 25000 тонн и продолжил расти год от года. Сейчас количество заказов превышает объем продаваемого кобальта в 5 раз. Для справки: более половины добываемого в мире кобальта идет на производство батарей.

График цен на кобальт за последние 4 года. Комментарии излишни. Источник: Elec.ru

Если в 2017 году цена за тонну кобальта составляла в среднем $24000, то с 2017 года она пошла круто вверх, в 2018 году достигнув пика на отметке $95500. Хоть в смартфонах используется всего 5-10 грамм кобальта, рост цен на металл отразился на стоимости устройств.

И это же одна из причин, почему производители электрокаров озаботились уменьшением доли кобальта в аккумуляторах автомобилей. Например, Tesla снизила массу дефицитного металла с 11 до 4,5 кг на одну машину, а в будущем планирует найти эффективные составы без кобальта вообще. Поднявшаяся аномально высоко цена на кобальт к 2019 году опустилась до значений 2015 года, но разработчики батарей активизировали работу по отказу или снижению доли кобальта.

В традиционных литий-ионных батареях кобальт составляет порядка 60% от всей массы. Используемый в автомобилях литий-никель-марганцевый состав включает от 10% до 30% кобальта в зависимости от желаемых характеристик батареи. Литий-никель-алюминиевый состав — всего 9%. Однако эти смеси не являются полноценной заменой оксиду литий-кобальта.

Проблемы Li-Ion

На сегодняшний день литий-ионные батареи различных типов — это лучшие аккумуляторы для большинства потребителей. Ёмкие, мощные, компактные и недорогие, они всё же имеют серьёзные недостатки, ограничивающие область использования.

Пожароопасность. Для нормальной работы литий-ионному аккумулятору обязательно нужен контроллер питания, предотвращающий перезаряд и перегрев. В противном случае батарея превращается в очень пожароопасную вещь, норовящую раздуться и взорваться на жаре или при заряде от некачественного адаптера. Взрывоопасность — пожалуй, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов. Для повышения ёмкости внутри батарей уплотняется компоновка, из-за чего даже незначительное повреждение оболочки моментально приводит к пожару. Все помнят нашумевшую историю с Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты внутри корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь проникал кислород и смартфон внезапно вспыхивал. С тех пор некоторые авиакомпании требуют перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади, а на грузовых рейсах на упаковки с батареями лепят большую предупреждающую наклейку.

Разгерметизация — взрыв. Перезаряд — взрыв. За энергетический потенциал лития приходится платить мерами предосторожности

Старение. Литий-ионные батареи подвержены старению, даже если их не использовать. Поэтому купленный в качестве коллекционного нераспакованный смартфон 10-летней давности, например, самый первый iPhone, будет держать заряд значительно меньше из-за того самого старения батареи. Кстати, рекомендации хранить аккумуляторы заряженными до половины емкости имеют под собой основания — при полном заряде во время долгого хранения батарея гораздо быстрее теряет свою максимальную ёмкость.

Саморазряд. Накапливать в литий-ионных батареях энергию и хранить ее долгие годы — плохая идея. В принципе, все аккумуляторы теряют заряд, но литий-ионные делают этого особенно быстро. Если NiMH-ячейки теряют 0,08–0,33% за месяц, то Li-Ion-ячейки — по 2-3% в месяц. Таким образом, за год литий-ионных аккумулятор потеряет треть заряда, а через три года «сядет» до нуля. Справедливости ради скажем, что у никель-кадмиевых батарей всё ещё хуже — 10% в месяц. Но это совсем другая история.

Чувствительность к температуре. Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры такого аккумулятора: +20 °C градусов считаются идеальной температурой окружающей среды для литий-ионных батарей, если её уменьшить до +5 °C, то батарея отдаст устройству на 10% энергии меньше. Охлаждение ниже нуля забирает от емкости десятки процентов и к тому же влияет на здоровье аккумулятора: если пытаться его зарядить, например, от пауэр-банка — проявится «эффект памяти», а батарея безвозвратно потеряет емкость из-за образования на аноде металлического лития. При средних зимних российских температурах литий-ионная ячейка нефункциональна — оставьте телефон в январе на улице на полчаса, чтобы убедиться в этом.

Чтобы справиться с описанными проблемами, ученые экспериментируют с материалами анодов и катодов. При замене состава электродов одна большая проблема заменяется проблемами поменьше — пожаробезопасность влечет снижение жизненного цикла, а высокий ток разряда понижает удельную энергоемкость. Поэтому состав для электродов выбирается в зависимости от области применения аккумулятора.

Кто украл революцию?

Каждый год на новостных лентах появляются сообщения об очередном прорыве в деле создания чрезвычайно ёмких и выносливых аккумуляторов — вроде как, смартфоны будут работать по году без подзарядки, а заряжаться — за десять секунд. И где же та аккумуляторная революция, которую всем обещают учёные?

Часто в таких сообщениях журналисты передергивают факты, опуская какие-нибудь очень важные подробности. Например, у батареи с мгновенной зарядкой может оказаться очень низкая ёмкость, годная только для питания прикроватного будильника. Или напряжение не дотягивает и до одного вольта, хотя для смартфонов нужно 3,6 В. А ещё для получения путевки в жизнь аккумулятору нужно иметь низкую себестоимость и высокую пожаробезопасность. К сожалению, подавляющее большинство разработок уступало хотя бы по одному параметру, из-за чего «революционные» аккумуляторы так и не выходили за пределы лабораторий.

В конце 00-х Toshiba экспериментировала с перезаряжаемыми топливными ячейками на метаноле (на фото заправка батареи метанолом), но литий-ионные аккумуляторы всё равно оказались удобней. Источник: Toshiba

И, конечно, оставим в стороне теорию заговоров «производителям не выгодны бесконечные аккумуляторы». В наше время аккумуляторы в потребительских устройствах незаменяемые (вернее, поменять их можно, но сложно). 10-15 лет назад заменить испорченную батарею в мобильном телефоне было просто, но тогда источники питания и правда сильно теряли ёмкость за год-два активного использования. Современные литий-ионные аккумуляторы работают дольше, чем составляет средний жизненный цикл устройства. В смартфонах о замене батареи можно задумываться не ранее, чем через 500 циклов зарядки, когда она потеряет 10-15% емкости. И скорее сам телефон утратит актуальность, прежде чем аккумулятор окончательно выйдет из строя. То есть производители аккумуляторов зарабатывают не на замене, а на продаже батарей для новых устройств. Так что «вечная» батарейка в десятилетнем телефоне не нанесёт ущерба бизнесу.

Команда Гуденафа снова в деле

А что же стало с учеными группы Джона Гуденафа, совершившими открытие литий-кобальтового оксида и тем самым давшими жизнь эффективным литий-ионным аккумуляторам?

В 2017 году 94-летний Гуденаф заявил, что вместе с учеными Техасского университета разработал новый тип твердотельных аккумуляторов, которые могут хранить в 5-10 раз больше энергии, чем прежние литий-ионные батареи. Для этого электроды были сделаны из чистого лития и натрия. Обещана и низкая цена. Но конкретики и прогнозов о начале массового производства нет до сих пор. Учитывая долгий путь между открытием группы Гуденафа и началом серийного производства литий-ионных батарей, реальные образцы можно ждать лет через 8-10.

Коити Мидзусима продолжает исследовательскую работу в Toshiba Research Consulting Corporation. «Оглядываясь назад, я удивляюсь тому, что никто до нас не догадался использовать на аноде такой простой материал как оксид литий-кобальта. К тому моменту было испробовано множество других оксидов, поэтому, вероятно, если бы не мы, то в течение нескольких месяцев кто-нибудь другой совершил бы это открытие», — считает он.

Коити Мидзусима с наградой Королевского химического общества Великобритании, полученной за участие в создании литий-ионных аккумуляторов. Источник: Toshiba

История не терпит сослагательных наклонений, тем более что и сам господин Мидзусима признает, что прорыв в создании литий-ионных аккумуляторов был неизбежен. Но всё же интересно представить, каким был бы мир мобильной электроники без компактных и емких батарей: ноутбуки с толщиной в несколько сантиметров, огромные смартфоны, требующие зарядки два раза в день, и никаких умных часов, фитнес-браслетов, экшн-камер, квадрокоптеров и даже электромобилей. Каждый день ученые всего мира приближают новую энергетическую революцию, которая подарит нам более мощные и более компактные аккумуляторы, а вместе с ними — невероятную электронику, о которой мы пока можем только мечтать.