Пожароопасность литиевых аккумуляторов

Представить современную жизнь без литиевых аккумуляторов невозможно, они окружают нас везде — смартфоны, носимая электроника, аккумуляторные электроинструменты, электротранспорт, различные погрузчики, поломоечные машины и т.д. и т.п.  Во многих сферах использование именно литиевых аккумуляторов является наилучшим решением, поскольку по таким параметрам как удельная энергоемкость и количество циклов заряда-разряда они являются лидерами, и ушли далеко вперед по сравнению со своими свинцовыми, NiCd и NiMH собратьями.

Рассматривать все плюсы и минусы «лития» сегодня мы не будем, а сосредоточимся на одном весьма серьезном недостатке — пожароопасность. Действительно, одной из самых главных проблем Li-ion аккумуляторов является вероятность возгорания, ведь в таком случае может пострадать не только устройство, в котором находилась батарея, но и все его окружающие пространство.

Мы постараемся разобраться во всех аспектах пожароопасности литиевых аккумуляторов и ответить на следующие вопросы:

• типы химии литиевых аккумуляторов. Насколько подвержены возгоранию те или иные виды аккумуляторов?
• из-за чего может загореться аккумулятор?
• техника безопасности. Что необходимо для безопасной эксплуатации аккумуляторов?
• что делать в случае возникновения экстренной ситуации?

Пожароопасность различных типов литиевых аккумуляторов

Многие слышали, что аккумуляторы могут загореться, но далеко не все задавались вопросом — а все ли аккумуляторы одинаково пожароопасны? Давайте разберемся.

Существует несколько видов литиевых аккумуляторов:

• Li-ion.
• Li-pol.
• LiFePO4.
• LTO.

Li-ion

Начнем с одного из самых распространенных типов — Li-ion. Аккумуляторы данного типа обладают высокой энергоемкостью (до 280 Вт*ч/кг), наиболее часто встречаются в формате цилиндрических ячеек различных типоразмеров, самые популярные — 18650, 21700, 32650. Из таких элементов чаще всего собирают аккумуляторные батареи для электровелосипедов, электрокаров, аккумуляторного инструмента  и т. д.

Минимальное напряжение для Li-ion аккумулятора варьируется от 2,5 до 2,75V, максимальное — от 4,2 до 4,35V. 

В свою очередь Li-ion аккумуляторы имеют разные типы химии:

ICR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется кобальт лития. Главным преимущество таких аккумуляторов является их стоимость. У них сравнительно небольшая емкость (2000-2500mA*h) и низкие показатели токоотдачи (1-2C).

Используются они, например, в АКБ для ноутбуков. Это самый небезопасный тип Li-ion аккумуляторов, они наиболее чувствительны к перезаряду, перегреву, и механическим повреждениям. Категорически не рекомендуется использовать без платы BMS, а так же в устройствах потребляющих большие токи(>2C).

IMR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется литий-марганец. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, что значительно расширяет область их применения. Емкость приблизительно такая же, как и у ICR — до 2500mA*h.

Этот тип аккумуляторов более безопасен, в сравнении с ICR, поскольку гораздо меньше подвержен нагреву в диапазоне рабочих токов.

INR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется никелат лития. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, но в отличии от IMR может иметь гораздо более высокую емкость — до 3500mA*h. Так же не значительно подвергнут нагреву, при соблюдении рабочих токов.

NCR  —  в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется

никелат лития и кобальт. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 2C. Имеет высокую емкость — до 3500mA*h. Главным преимуществом является высокий срок службы — более 500 циклов заряда-разряда. При сборке АКБ из NCR элементов следует учесть, что, если работа батареи планируется на токах, близким к максимально допустимым, то рекомендуется позаботится о контроле температуры, такой возможностью обладают некоторые платы BMS.

Причины возгорания Li-ion аккумуляторов

Основные причины возгорания — это перегрев или механические повреждения.

Если повреждение аккумулятора достаточно сильное, то возгорание может произойти моментально.

Что касается перегрева, он может быть вызван несколькими факторами:

• внешнее тепловое воздействие;
• короткое замыкание;
• перезаряд;
• использование аккумулятора при токах, выше допустимых.

 Если элемент нагревается до 80-90°C, может запустится химическая реакция, которая продолжит его нагревать, при достижении температуры 180-200°C происходит самовозгорание с дальнейшим повышением температуры вплоть до 900°С

Стоит отметить, что, во многих Li-ion аккумуляторах установлен защитный клапан. Это устройство, которое сбрасывает избыточное давление из элемента в случае его перегрева, а так же размыкает электрическую цепь в районе его плюсового контакта. Благодаря защитному клапану во многих экстренных ситуациях удается избежать возгорания и взрыва.

Так же существуют элементы со встроенными платами защиты, которые контролируют минимальное и максимальное напряжение, а так же ограничивают ток. Такие аккумуляторы имеют немного большую длину, и более высокую цену.

Li-pol

Li-pol аккумуляторы очень близки по своим характеристикам к Li-ion.  Они широко используются в мобильных устройствах, носимой электронике, RC моделях и Т.Д.  обладают еще большей энергоемкостью, чем Li-ion. Рабочий диапазон напряжения — минимальное от 2,5 до 2,75V, максимальное — от 4,2 до 4,35V. Ключевое отличие от Li-ion — это огромная разнообразность типоразмеров.

Все причины возгорания Li-ion элементов  справедливы и для Li-pol, но в сравнении с Li-ion такие аккумуляторы гораздо более чувствительны к механическим повреждениям, они «не любят» тряску, и не имеют защитных клапанов.

LiFePO4

Данный тип аккумуляторов чаще всего используется в качестве замены свинцовых АКБ, в резервных источниках питания, а так же в различном электротранспорте. В сравнении с Li-ion имеет более низкую энергоемкость — до 190–250 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение —  2,5V, максимальное — 3,65V.

Это более безопасный тип литиевых аккумуляторов, они имеют очень высокую термическую и химическую стабильность, Т.Е. при перегреве LiFePO4 не самовозгорается. Но так же стоит понимать, что хоть LiFePO4 и не склонен химическому горению, неисправная АКБ, например, при коротком замыкании способна разогреться до высоких температур, что в свою очередь может спровоцировать возгорание окружающих батарею предметов.

LTO

Литий-титанатные аккумуляторы используются там, где требуется большая токоотдача, например, в автомобильных АКБ. Характеризуются высочайшей долговечностью — до 25000 циклов заряда-разряда. Имеют еще более низкую энергоемкость — до 110 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение на элементе — 1,6V, максимальное — 2.7V.

Так же, как и LiFePO4, литий-титанат считается довольно безопасным типом аккумуляторов, т.к. не подвержен самовозгоранию в случае возникновения нештатной ситуации, а так же способен выдерживать огромные токи заряда и разряда.

Техника безопасности. Какие правила следует соблюдать, для безопасного использования литиевых аккумуляторов.

В первую очередь, конечно же, стоит позаботиться о качестве продукта, который вы хотите использовать, будь то ячейки, или готовые аккумуляторные батареи. Стоит использовать товар только от надежных производителей, ведь заказывая аккумуляторы и АКБ у сомнительных поставщиков, есть риск получить не только несоответствие заявленным характеристикам, но и неприятности в виде пожара. Так, например, были случаи, когда особо некачественные аккумуляторы загорались сами по себе во время зарядки, даже если все условия эксплуатации были соблюдены.

Для безопасной работы аккумуляторов необходимо соблюдать следующие условия:

Не допускать перезаряда и переразряда аккумуляторов.

Следить, что бы температура аккумуляторов не поднималась выше 60°C.

Не использовать аккумуляторы, которые были подвергнуты механическим повреждениям, даже если на первый взгляд с ними ничего не произошло.

Не оставлять аккумуляторы в разряженном состоянии, это может привести не только к их деградации, но и к повышению внутреннего сопротивления, что в свою очередь вызовет больший нагрев.

У аккумуляторных батарей обязательно должна быть установлена плата BMS, исключением являются только те случаи, когда устройством предусмотрено отсутствие BMS в АКБ, например — моноколесо.

Не заряжать аккумуляторы при отрицательной температуре.

Соблюдение этих правил сведет к минимуму все риски, связанные с использованием литиевых аккумуляторов.

Действия в экстренной ситуации

В случае если произошло возгорание Li-ion или Li-pol АКБ следует помнить, что это химическое горение, т.е. порошковые и углекислотные огнетушители будут неэффективны, в такой ситуации необходимо как можно быстрее залить его водой, это снизит температуру, и остановит реакцию. В случае если воды не оказалось под  рукой, то самым правильным решением будет убедиться в отсутствии горючих предметов рядом с аккумулятором, и дать ему выгореть, отойдя на безопасное расстояние.

    

печально известный galaxy note 7. Последствия самовозгорания батареи.

Стоит отметить, что литиевые аккумуляторы продолжают совершенствоваться, с каждым годом производители стараются делать их не только более емкими, но и более безопасными (защитные клапаны, встроенные платы защиты). В общем и целом, при соблюдении простых правил, литиевые аккумуляторы являются надежным и безопасным источником хранения энергии с массой преимуществ.

Сравнение литий-железо-фосфатных и свинцово-кислотных аккумуляторов при работе в стационарных системах хранения энергии

• 1 Введение
• 2 Базовые понятия о работе аккумуляторов
• 3 Сравнение литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными
• 4 Заключение

Greg Albright, Jake Edie, Said Al-Hallaj | AllCell Technologies LLC

Перевод «Ваш Солнечный Дом».
При полном или частичном копировании ссылка на источник обязательна

Введение

Сегодня существует широкий выбор способов хранения энергии для стационарных систем электроснабжения. В их числе — суперконденсаторы, сжатый воздух, гидроаккумулирующие станции, маховики и заряжаемые аккумуляторные батареи. Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, которые определяют области их применения. В этой статье рассматриваются 2 технологии аккумуляторных батарей, использующих химическое преобразование для хранения энергии: свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы. Основный вывод исследования: определить наиболее эффективные аккумуляторы можно только после изучения ряда факторов, и уже сейчас есть огромный сегмент рынка, где литий-ионные аккумуляторы показывают меньшую стоимость хранения энергии, чем свинцово-кислотные. На рисунке ниже показаны 11 факторов, которые должны рассматриваться при выборе типа аккумуляторной батареи для данной конкретной системы электроснабжения.

Рис 1: Факторы, влияющие на решение о выборе типа аккумуляторной батареи. С вершины по часовой стрелке: начальная стоимость, срок службы, стоимость инженерных работ, стоимость обслуживания , стоимость установки, стоимость сопутствующих элементов, стоимость утилизации, стоимость доставки, влияние на окружающую среду, надежность, безопасность.

В системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии до недавнего времени доминировали свинцово-кислотные и никелевые (щелочные) аккумуляторные батареи. Никелевые батареи (NiCd, NiMH) практически ушли с рынка ввиду высокой цены и вреда окружающей среде. Свинцово-кислотные аккумуляторы используются более 100 лет и будут одними из основных в обозримое время вследствие их низкой цены и массового производства.

Литиевые аккумуляторы — это также хорошо проработанная технология и они широко используются в гаджетах и портативных электронных устройствах. Им еще предстоит завоевать свое место в больших системах электроснабжения. Они уже широко применяются в системах, где объем, вес, чувствительность к температуре и малое обслуживание более важны, чем начальная стоимость. На диаграмме ниже показаны типы аккумуляторов, применяемых в системах с возобновляемыми источниками энергии.

Рис 2: Типы перезаряжаемых аккумуляторных батарей

Базовые понятия о работе аккумуляторов

2.1 Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис 3: Состояния свинцово-кислотного аккумулятора

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов . На рис. 3 показаны химические состояния полностью заряженного и полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

 

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны (см. рис.3).  Различия — в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная «губка» для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. «Буферные» герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных — они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы «глубокого разряда», которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени. 

2.2 Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO₂.

Рис 4: Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese.  Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в «литий-полимерных» аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать «мешочек»  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 групы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO₄) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese — Оксид марганца лития (LiMn

2O₄) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO₂)). БатареиLiMn₂O₄и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

В таблице 1 показаны различия между этими 2 химическими процессами. Значения отражают среднюю величину, возможны флуктуации в ту или другую сторону.

Таблица 1: Сравнение литий-ионных технологий аккумуляторов

Параметр	LFP	LiNCM
Напряжение	3.3 В номинальное (2-3.6 В/эл.)	3.7 В номинальное (2,7-4,2 В/эл.)
Плотность энергии	300 Вт*ч/л	735 Вт*ч/л
Удельная энергия	128 Вт*ч/кг	256 Вт*ч/кг
Мощность	1000 Вт/кг	512 Вт/кг
Количество циклов	2,000 @ 100% DoD 3,000 @ 80% DoD	750 @ 100% DoD 1,900 @ 80% DoD
Срок службы, лет	6	8
Максимальная рекомендуемая температура	40°C	55°C
Безопасность	Высокая	Средняя

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгорания в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

Сравнение литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными

В таблице 2 приведены основные параметры свинцово-кислотных и литиевых аккумуляторов (LiNCM). Нужно отметить, что обе технологии аккумуляторов имеют большой диапазон параметров, и цифры ниже приведены для очень упрощенного сравнения.

Таблица 2: Сравнение различных технологий аккумуляторов

Параметр	СК с жидким электролитом	СК герметизированные	Литий-ионные (LiNCM)
Плотность энергии, Вт*ч/л	80	100	250
Удельная энергия, Вт*ч/кг	30	40	150
Необходимость регулярного обслуживания	Yes	No	No
Начальная стоимость ($/кВт*ч)	65	120	600[1]
Срок службы, циклов	1,200 @ 50% DoD	1,000 @ 50% DoD	1,900 @ 80% DoD
Типичный допустимый разряд	50%	50%	80%
Чувствительность к температуре	Значительно деградирует при температуре выше 25°C		Значительно деградирует при температуре выше 45°C
Эффективность	100%@20-часовом разряде 80% @4-часовом разряде 60% @1-часовом разряде		100%@20-часовом разряде 99% @4-часовом разряде 92% @1-часовом разряде
Напряжение элемента, В	2	2	3. 7

Типичный допустимый разряд показывает, что для свинцово-кислотные аккумуляторы должны иметь бОльшую номинальную емкость по сравнению с литиевыми для обеспечения хранения одинакового количества энергии.

Вследствие больших различий в технических и экономических характеристиках, выбор «лучшего» типа аккумулятора зависит от конкретной ситуации. Ниже разберем более подробно эти параметры.

3.1 Сравнение по количеству циклов

Литий-ионные аккумуляторы имеют гораздо больше возможных циклов заряда-разряда, особенно при глубоком разряде. Различие увеличивается также при увеличении температуры. Количество циклов для каждого типа аккумуляторной батареи может быть увеличено путем ограничения глубины разряда (DoD), разрядного тока и температуры, но свинцово-кислотные аккумуляторы в общем случае намного чувствительнее к этим факторам.

На рис. 5 показана зависимость остаточной емкости от количества циклов заряда-разряда для различных типов аккумуляторов  при умеренных температурах (около 25°С). Так как количество циклов зависит от глубины разряда, на рисунке показаны различные кривые для разной глубины разряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Видно, что AGM аккумуляторы должны разряжаться на 30% для того, чтобы по количеству циклов их можно было сравнивать с литиевыми аккумуляторами с глубиной разряда 75%. Это означает, что номинальная емкость AGM аккумуляторов должна быть примерно в 2,5 раза больше, чем у литиевых аккумуляторов для того, чтобы обеспечить сопоставимые срок службы и количество сохраняемой энергии.

Рис. 5: Срок службы в циклах при умеренной температуре эксплуатации

В жарком климате при средних температурах около 33°С, различия между AGM и литий-ионными аккумуляторами усиливается. Количество циклов для свинцово-кислотных аккумуляторов снижается в 2 разар, в то время как для литий-ионных оно сохраняется стабильным до 45°С. На рис. 6 показано это различие.

Рис. 6: Количество циклов, жаркий климат

3.2 Разрядные характеристики

Свинцово-кислотные аккумуляторы отдают меньше емкости при увеличении тока разряда. Это нужно учитывать при проектировании системы электроснабжения. Чем короче время разряда, тем меньшую емкость отдает СК АКБ.

Так,  100 А*ч VRLA АКБ отдаст только 80А*ч при 4-часовом разряде. С другой стороны, 100А*ч литий-ионный аккумулятор отдасть 92А*ч даже при 30-минутном разряде. Из рис.7 видно, что литий-ионные аккумуляторы особенно выгодно применять в системах, где разряд длится менее 8 часов.

Рис. 7: Зависимость отдаваемой емкости от разрядного тока

3.3 Работа при низких температурах

Оба типа аккумуляторов снижают полезную емкость при понижении температуры. На рис.8 показаны изменения емкости различных аккумуляторов при снижении температуры до -20С. Как видно, литий-ионные аккумуляторы теряют емкость существенном меньше.  На потерю емкости свинцово-кислотных аккумуляторов влияет ток разряда, поэтому на графике присутствует 2 кривые для разных токов разряда — 2-часового и 10-часового.

Рис. 8: Зависимость емкости аккумулятора от температуры

3.4 Влияние на окружающую среду

Свинцово-кислотные аккумуляторы проигрывают литий-ионным в части экологической безопасности. Они требуют во много раз больше сырья, чем литий-ионные, для получения одинаковой полезной емкости для хранения энергии. Экологический ущерб при добыче сырья для свинцово-кислотных аккумуляторов гораздо выше; получение свинца также потребляет много энергии, что в свою очередь ведет к связанным с генерацией энергии выбросам загрязняющих веществ в окружающую среду.  Несмотря на то, что свинец очень ядовит, готовые свинцово-кислотные батареи не представляют риска для здоровья человека. К положительным моментам можно отнести то, что более 97% свинца из отработанных аккумуляторов можно повторно использовать.

Процесс производства литиевых аккумуляторов также имеет некоторые проблемы для экологии. Основные компоненты литиевого аккумулятора требуют добычи карбоната лития, меди, алюминия и железа. Особенно ресурсоемким является добыча лития, но, к счастью, лития в аккумуляторе меньшая часть от общей его массы. Влияние на окружающую среду от производства алюминия и меди, требуемых для него, гораздо выше. Индустрия вторичной переработки литий-ионных аккумуляторов сейчас только зарождается, но уже сейчас понятно, что большая часть материалов также может быть переработана и использована для производства новых аккумуляторов.

3.5 Безопасность

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные аккумуляторы могут войти в «температурный разбег», когда температура элемента быстро растет и может произойти выброс электролита, вредных газов и даже возгорание. Такое более вероятно для литий-ионных аккумуляторов вследствие того, что они имеют намного большую удельную энергоемкость. При производстве аккумуляторов принимаются многочисленные предохранительные меры, чтобы не допустить запуска процесса перегрева, но полностью исключить его пока не удается.

Рис. 9: Меры безопасности для литий-ионных аккумуляторов

3. 6 Сравнение по напряжению

При рассмотрении вопроса по замене аккумуляторов в существующей системе на аккумулятор другого типа, наиболее важным является фактор напряжения.На рис.10 показано напряжение 3 аккумуляторных батарей номинальным напряжением 24В. Номинальное напряжение LiNMC АКБ технически составляет 25.9В и для LFP — 25.6В.

Из графика видно, что напряжение литий-ионных АКБ хорошо согласуется с напряжением аналогичных свинцово-кислотных практически во всем диапазоне рабочего напряжения. Для литиевых аккумуляторов потребуется оборудование, которое может работать при более высоком напряжении. Большая часть современного оборудования может работать с такими напряжениями, и имеет регулировки как для свинцовых, так и для литиевых аккумуляторов. 

Рис. 10: Сравнение напряжения аккумуляторовConclusions

Заключение

Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы имеют свои преимущества и недостатки. При принятии решения о выборе технологии необходимо учесть множество факторов — начальную стоимость, срок службы, вес, объем, чувствительность к температуре, удобство и стоимость технического обслуживания, доступность продукта и т.п. Однозначного ответа сейчас нет, но снижение стоимости и доступность литиевых аккумуляторов повышает их привлекательность и делает выбором в ряде ситуаций, особенно в жарком климате и при ежедневном глубоком разряде и заряде.

Безопасность литиевых аккумуляторов существенно лучше у литий-железо-фосфатных аккумуляторов, поэтому именно они получили наиболее широкое применение в стационарных системах энергоснабжения.

Дата публикации оригинала 04/12/12, Источник

Эта статья прочитана 11092 раз(а)!

Продолжить чтение

• Руководство покупателя АКБ для систем электроснабжения

  69

  Аккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам. При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями…

• Аккумуляторные батареи. Ликбез

  60

  Как продлить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов? Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования. Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что…

• Литиевые против свинцовых: какая батарея лучше?

  56

  Какая батарея лучше для автономной энергосистемы — литиевая или свинцовая?  Выдержки из новой книги: Off Grid Solar: A handbook for Photovoltaics with Lead-Acid or Lithium-Ion batteries. Перевод: «Ваш Солнечный Дом». При полном и частичном копировании перепечатке ссылка обязательна. Мы видели множество…

• Эксплуатационный ресурс герметичных АБ

  55

  Эксплуатационный ресурс герметичных свинцовых аккумуляторных батарей в составе электронного оборудования Мерунко Александр Анатольевич Технический директор ООО «Диск», г. Томск В настоящее время на потребительском рынке вторичных источников тока лидирующее положения (вследствие относительно низкой стоимости) занимают герметичные свинцовые аккумуляторные батареи. Их применяют…

• Аккумулятор + генератор

  53

  Замечания по работе аккумуляторов в генераторно-аккумуляторной системе Автор: Каргиев В.М., «Ваш Солнечный Дом» Статья является частью «Руководства покупателя АКБ» При использовании информации ссылка на источник обязательна. См. Копирайт Аккумуляторы для работы в автономной системе электроснабжения на основе жидкотопливного генератора (дизельного,…

• Путеводитель по теме «Аккумуляторы»

  52

  Раздел «Основы — Аккумулирование энергии» Раздел «Оборудование — Аккумуляторы» Свинцово-кислотные аккумуляторы Литиевые аккумуляторы Раздел «Библиотека — про аккумуляторы» См. также полную карту нашего сайта со списком всех статей. Купить Аккумуляторы в нашем Интернет-магазине

Материалы для литий-ионных аккумуляторов и почему их химический состав имеет значение

Хотя « литий-ионный аккумулятор » обычно используется как общий, всеобъемлющий термин, на самом деле существует по меньшей мере дюжина различных химических соединений на основе лития, из которых они состоят. аккумуляторы.

Некоторые из наиболее распространенных типов включают:

• Литий-железофосфат (LFP)
• Окись лития, никеля, марганца, кобальта (NMC)
• Оксид лития-кобальта (LCO)
• Литий-оксид марганца (ЖМО)
• Литий-никель-кобальт-алюминийоксид (NCA)
• Титанат лития (LTO)

Однако погрузочно-разгрузочное оборудование обычно питается от литий-железо-фосфата или от лития-никеля-марганца-кобальта-оксида.

Ниже мы рассмотрим эти химические вещества и то, как они играют роль в превращении литий-ионных аккумуляторов в один из самых популярных вариантов питания для погрузочно-разгрузочного оборудования.

 

Фосфат лития-железа (LiFePO4)

 

Фосфат лития-железа более компактен и энергоемок, что делает его отличным выбором для погрузочно-разгрузочных работ, например, для питания оборудования, такого как электрические вилочные погрузчики, тележки для перевозки поддонов и концевые райдеры. .

Когда вы подключаете литий-ионный аккумулятор к устройству или оборудованию, положительно заряженные ионы перемещаются от анода к катоду. Анод хранит литий и обычно изготавливается из углерода. 9Катод 0003 также хранит литий и сделан из химического соединения, которое представляет собой оксид металла.

В батареях с литий-железо-фосфатным составом катодным материалом служит фосфат. В результате катод становится более положительно заряженным, чем анод. Это, в свою очередь, притягивает к катоду отрицательно заряженные электроны.

Сепаратор в ячейке включает электролиты, образующие катализатор. Это способствует движению ионов от катода к аноду и обратно. По мере того, как электроны начинают двигаться к катоду, система батарей предназначена для того, чтобы заставить их пройти через устройство и использовать эту энергию для выработки электроэнергии.

Литий-ионные аккумуляторы перезаряжаемые. При перезарядке ионы лития проходят тот же процесс, но в обратном направлении. Это восстанавливает батарею для дополнительного использования.

Аккумулятор с литий-железо-фосфатным химическим составом отличается высокой производительностью и низким сопротивлением, а также более длительным сроком службы, повышенной температурной стабильностью и повышенной безопасностью.

Литий-железо-фосфатные батареи также более устойчивы к полной зарядке и не испытывают такого сильного стресса, как другие типы литий-ионных химических элементов, когда они выдерживают длительное высокое напряжение.

Литий никель -никель марганцевой оксид кобальта (NMC)

Lithium Nickel Nickel Manganese Oxide Oxide Hemiswores очень энергетические, что означает более высокий уровень производительности, если оборудование заполняется, оборудование. чтобы поддержать это. Высокие скорости зарядки и разрядки делают его более популярным выбором для электромобилей, таких как электровелосипеды, автобусы, беспроводные электроинструменты и другие электрические силовые агрегаты.

Но высокая скорость разряда полезна только в том случае, если вы планируете использовать оборудование в течение более коротких периодов времени. Поскольку большая часть погрузочно-разгрузочного оборудования используется в течение всей 8-10-часовой смены или даже нескольких смен, улучшенная производительность не дает преимуществ.

В этом типе химического состава аккумуляторов в качестве катода используется комбинация никеля, марганца и кобальта. Хотя включение никеля придает ячейке высокую удельную энергию, это также снижает ее стабильность.

Включение марганца, с другой стороны, обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но также имеет низкую удельную энергию. Однако в сочетании химические вещества работают вместе, чтобы сделать этот тип батареи подходящим выбором для определенных типов оборудования. Повышенная производительность имеет свою цену… литий-никель-марганцево-кобальтовые оксидные батареи имеют более низкую температуру выхода из строя, что означает, что они менее безопасны, чем LFP.

 

Общие преимущества

 

Химический состав литий-ионных аккумуляторов предлагает ряд преимуществ по сравнению с их аналогами… свинцово-кислотными аккумуляторами. Эти преимущества напрямую влияют на производительность ваших операций, обеспечивая более эффективное и безопасное рабочее пространство.

 

Повышенная безопасность

Поскольку аккумуляторная батарея в литий-ионной батарее полностью герметична, риск проливания отсутствует. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, конструкция литий-ионных аккумуляторов также не требует «процесса орошения» для поддержания уровня жидкости на определенном минимуме. Этот процесс полива, необходимый для свинцово-кислотных, может быть опасной процедурой, если не выполняется правильно.

Возможность зарядки

Типичный цикл зарядки или использования литий-ионного аккумулятора составляет 7,2 часа использования, от 1 до 2 часов на зарядку и еще 7,2 часа использования. Это позволяет бригадам взимать плату во время перерыва или между сменами. Однако свинцово-кислотные аккумуляторы работают всего около 5,4 часов, после чего требуют подзарядки, а затем требуют еще 8 часов для зарядки и 8 часов для охлаждения, прежде чем аккумулятор можно будет использовать снова.

Увеличенный срок службы

Литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы имеют разный срок службы. Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет от 2000 до 3000 циклов, а срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов обычно составляет от 1000 до 1500 циклов.

Не требует технического обслуживания

Конструкция литий-ионной батареи сокращает время, затрачиваемое работниками на техническое обслуживание. В дополнение к тому, что литий-ионные батареи не требуют технического обслуживания, они также имеют системы управления батареями, которые выполняют балансировку ячеек, чтобы поддерживать батарею в нормальном состоянии заряда.

Безопасный разряд

Химический состав литий-ионного аккумулятора позволяет безопасно разряжать аккумулятор до 20% емкости. Однако свинцово-кислотные аккумуляторы можно безопасно разряжать только до 30–50 % емкости.

Термостойкость

Литий-ионные аккумуляторы чрезвычайно устойчивы к высоким и низким температурам. Фосфат лития-железа, химия, используемая Flux Power, особенно устойчива. Дополнительные нагреватели также позволяют безопасно использовать эти аккумуляторные блоки при низких температурах.

Вы можете узнать больше о преимуществах литий-ионных аккумуляторов в нашей статье Литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы для вилочных погрузчиков: какие лучше?

 

Bottom Line

 

Литий-ионные аккумуляторы быстро становятся основным источником питания для вилочных погрузчиков во многих отраслях промышленности.

В частности, при погрузочно-разгрузочных работах используется химический состав на основе литий-железо-фосфата для повышения производительности и безопасности.

 

Литий-ионные аккумуляторы — Curious

Эксперты-рецензенты

Доктор Ананд Бхатт

Руководитель исследовательской группы, Advanced Energy Storage Technologies

CSIRO

Профессор Рэй Уизерс FAA

Химическая исследовательская школа

Австралийский национальный университет

Профессор Госю Ван

Директор Центра экологически чистых энергетических технологий

Технологический университет Сиднея

Основы

• Литий-ионные аккумуляторы повсеместно используются в нашей повседневной жизни — большинство из нас носит их с собой в телефоне.
• Существует несколько типов литий-ионных аккумуляторов. Основное различие между ними заключается в химическом составе катода.
• Разные типы литий-ионных аккумуляторов предлагают разные функции с компромиссом между стоимостью, эффективностью и безопасностью.
Эта тема является частью нашей серии статей о батареях, состоящей из четырех частей. Для дальнейшего чтения посмотрите, как работает аккумулятор, типы аккумуляторов и аккумуляторы будущего.

Наш лучший друг в наши дни — литий-ионный аккумулятор. Это тот, который питает наши мобильные телефоны и ноутбуки, устройства, которые внесли огромный вклад в изменение того, как мы работаем и взаимодействуем с нашими друзьями, коллегами, продавцами и даже незнакомцами. Потребляемая мощность наших смартфонов способна разрядить никель-кадмиевую или никель-металлгидридную батарею менее чем за час, но благодаря эффективности литий-ионной химии мы можем общаться с мамой, смотреть видео, отправлять сообщения друзьям, слушать музыку. под музыку, купить пару обуви в Интернете, получить инструкции по навигации и делать бесчисленное количество фотографий в течение всего дня.

Так что же такого особенного в литий-ионных батареях? Их главная фишка — плотность энергии — она примерно вдвое больше, чем у никель-кадмиевой батареи, а это означает, что батарея вдвое меньшего размера будет давать такое же количество энергии. Они легкие и компактные, а это значит, что они лучше подходят для таких вещей, как портативная электроника, чем тяжелые свинцово-кислотные батареи, которые заводят наши бензиновые автомобили. Сегодня литий-ионные аккумуляторы

питают большинство портативных электронных устройств. Источник изображения: Edvvc/Flickr.

Так что же такого в химическом составе литий-ионного элемента, что дает ему преимущество перед конкурентами?

Химия литий-ионных аккумуляторов

Как следует из названия, ионы лития (Li ⁺ ) участвуют в реакциях, приводящих в движение аккумулятор. Оба электрода в литий-ионном элементе изготовлены из материалов, которые могут интеркалировать или «поглощать» ионы лития (немного похоже на гидрид-ионы в NiMH батареях). Интеркаляция — это когда заряженные ионы элемента могут «удерживаться» внутри структуры материала-хозяина, не нарушая ее существенно. В случае литий-ионной батареи ионы лития «привязаны» к электрону внутри структуры анода. Когда батарея разряжается, интеркалированные ионы лития высвобождаются из анода, а затем проходят через раствор электролита, чтобы поглощаться (интеркалироваться) катодом.

Литий-ионный аккумулятор начинает свою жизнь в состоянии полного разряда: все его ионы лития интеркалированы внутри катода, а его химический состав еще не способен производить электричество. Прежде чем вы сможете использовать аккумулятор, его необходимо зарядить. Когда аккумулятор заряжается, на катоде происходит реакция окисления, а это означает, что он теряет часть отрицательно заряженных электронов. Для поддержания баланса зарядов на катоде в раствор электролита растворяют равное количество положительно заряженных интеркалированных ионов лития. Они перемещаются к аноду, где внедряются в графит. Эта реакция интеркаляции также откладывает электроны в графитовый анод, чтобы «связать» ион лития.

Показывать метки во время анимации Начать анимацию

Во время разряда ионы лития деинтеркалируются с анода и возвращаются через электролит к катоду. Это также высвобождает электроны, которые привязывали их к аноду, и они текут по внешнему проводу, обеспечивая электрический ток, который мы использовали для выполнения работы. Именно соединение внешнего провода позволяет протекать реакции — когда электроны могут свободно перемещаться, то и положительно заряженные ионы лития уравновешивают движение своего отрицательного заряда.

Когда катод заполняется ионами лития, реакция прекращается и батарея разряжается. Затем мы снова перезаряжаем наши литий-ионные батареи, и внешний электрический заряд, который мы прикладываем, выталкивает ионы лития обратно в анод от катода.

Показывать метки во время анимации Начать анимацию

Электролит в литий-ионном элементе обычно представляет собой раствор солей лития в смеси растворителей (таких как диметилкарбонат или диэтилкарбонат), разработанный для улучшения характеристик аккумулятора. Наличие солей лития, растворенных в электролите, означает, что раствор содержит ионы лития. Это означает, что отдельные ионы лития не должны совершать полный путь от анода к катоду, чтобы замкнуть цепь. По мере того как ионы выбиваются из анода, другие, которые уже находятся в электролите, вблизи поверхности электрода, могут легко поглощаться (интеркалироваться) катодом. Обратное происходит во время перезарядки.

Микроскопические материалы, используемые для литий-ионных катодов. Источник изображения: BASF/Flickr.

Будучи маленьким и легким, большое количество лития может храниться (интеркалироваться) в обоих электродах. Именно это придает литий-ионным батареям высокую плотность энергии. Например, один ион лития может храниться на каждые шесть атомов углерода в графите, и чем больше ионов лития участвует в путешествии от анода к катоду (и обратно во время циклов перезарядки), тем больше электронов остается на пути. уравновешивают их движение и обеспечивают электрический ток.

Перенос ионов лития между электродами происходит при гораздо более высоком напряжении, чем в батареях других типов, и, поскольку они должны быть уравновешены равным количеством электронов, один литий-ионный элемент может производить напряжение 3,6 вольта или выше. , в зависимости от материалов катода. Типичный щелочной элемент выдает всего около 1,5 вольт. Для стандартного свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора требуется шесть 2-вольтовых элементов, соединенных вместе, чтобы получить 12 вольт.

Из-за их высокой плотности энергии и их сравнительной легкости установка большого количества литий-ионных элементов вместе в одном месте позволяет получить аккумуляторную батарею намного легче и компактнее, чем стек, изготовленный из других типов батарей. Если мы сложим вместе достаточное количество литий-ионных элементов, мы сможем достичь довольно высокого напряжения, например, необходимого для запуска электромобиля. Конечно, во всех наших автомобилях уже есть аккумуляторы, но они нужны только для того, чтобы запустить бензиновый или дизельный двигатель, тогда всю работу делает топливо. Аккумулятор электромобиля — это его источник энергии и то, что дает ему возможность подняться на крутой холм. Таким образом, он обычно будет иметь 96 вольт или даже больше, что даже при высоком напряжении литий-ионного элемента требует довольно много элементов, сложенных вместе.

Объединение литий-ионных элементов вместе может создать напряжение, достаточное для работы электромобиля. Источник изображения: Хокан Дальстрём / Flickr.

Анод обычно графитовый. Однако многократное введение ионов лития в стандартную графитовую структуру типичной литий-ионной батареи в конечном итоге разрушает графит. Это снижает производительность батареи, и графитовый анод в конечном итоге сломается, и батарея перестанет работать. Исследователи работают над разработкой вариантов использования графена (листов углерода толщиной в один атом) вместо графита. Вы узнаете больше о графене и о том, чем он хорош, в следующей теме Nova.

Что касается материала, из которого изготавливается катод, существует довольно много вариантов, как правило, из комбинации лития, кислорода и какого-либо металла.

Катоды, используемые в литий-ионных батареях

Оксид лития-кобальта (LiCoO

₂ )

Наиболее распространенные литий-ионные элементы имеют анод из углерода (C) и катод из оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ ). Фактически, литий-кобальт-оксидный аккумулятор был первым литий-ионным аккумулятором, который был разработан на основе новаторских работ Р. Язами и Дж. Гуденафа и продан Sony в 1919 г.91. Кобальт и кислород соединяются вместе, образуя слои октаэдрических структур оксида кобальта, разделенные листами лития. Важно, что эта структура позволяет ионам кобальта менять свои валентные состояния между Co ⁺³ и Co ⁺⁴ (терять и приобретать отрицательно заряженный электрон) при зарядке и разрядке.

Из всех различных литий-ионных аккумуляторов эти ребята имеют наибольшую плотность энергии, поэтому в настоящее время они используются в наших телефонах, цифровых камерах и ноутбуках. Их недостатком является термическая нестабильность. Их аноды могут перегреваться, а при высоких температурах катод из оксида кобальта может разлагаться с образованием кислорода. Если вы объедините кислород и тепло, у вас есть довольно хорошие шансы начать пожар, и, поскольку химические вещества, иногда используемые в растворе электролита, такие как диэтилкарбонат, легко воспламеняются, с этой батареей могут возникнуть некоторые проблемы с безопасностью.

Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенную защиту для предотвращения перегрева и полного разряда аккумулятора, что также может привести к повреждению. Кроме того, эти схемы защиты иногда можно использовать для предотвращения перезарядки литий-ионных аккумуляторов, что может иметь серьезные последствия. Литий-ионные батареи бывают самых разных форм и размеров, а некоторые из них содержат встроенные защитные устройства, такие как вентиляционные крышки, для повышения безопасности.

Фосфат лития железа (LiFePO

₄ )

Этот элемент имеет высокую скорость разряда, а поскольку фосфат (PO ₄ ) может выдерживать высокие температуры, батарея обладает хорошей термической стабильностью, что повышает ее безопасность. Это делает его хорошим выбором для таких вещей, как электромобили и электроинструменты, а также для хранения энергии на электростанциях. Он также имеет длительный срок службы, что означает, что его можно разряжать и заряжать много раз. Однако он имеет более низкую плотность энергии, чем элемент из оксида лития-кобальта, и более высокую скорость саморазряда.

Литий-железо-фосфатный элемент аналогичен литий-кобальтовому оксидному элементу. Анод по-прежнему графитовый, и электролит почти такой же. Разница в том, что катод из диоксида лития-кобальта был заменен более стабильным фосфатом лития-железа. Фактически, в катоде из фосфата железа (FePO4) полностью заряженного элемента не остается ионов лития или железа. Ионы лития могут внедряться в катодный материал или из него через четко определенные туннели в его структуре без значительного изменения каркаса из фосфата железа.

Катод этого типа элементов изготовлен из отрицательно заряженного фосфата анионы ГЛОССАРИЙ анионы Отрицательно заряженные ионы, особенно ионы, которые мигрируют к аноду при электролизе , связанный с положительно заряженным железом катионы ГЛОССАРИЙ катионы Положительно заряженные ионы, то есть те, которые будут притягиваться к катоду при электролизе в структуре, способной хранить ионы лития в молекулах фосфата железа. Расположение связей в этой структуре означает, что атомы кислорода прочно связаны в структуру, что придает катоду его химическую стабильность.

Lithium manganese oxide (LiMn

₂ O ₄ )

This type of lithium battery uses a cathode made from lithium-manganese spinel (Li ⁺ Mn ³⁺ Mn ⁴⁺ O ₄ ). Шпинель — это тип минерала с характерной структурой AB ₂ O ₄ . Структура шпинели обладает очень хорошей термической стабильностью, повышая безопасность батареи. Это также способствует ионному потоку внутри электролита и уменьшает внутреннее сопротивление, которое со временем способствует потере мощности батареи.

Несмотря на то, что литиевые батареи этого типа обеспечивают высокую скорость разрядки и перезарядки (в том числе благодаря шпинельной структуре катода), они имеют меньшую емкость и более короткий срок службы.

Литий-никель-марганцево-кобальтовый оксид (LiNiMnCoO

₂ или NMC)

Добавление никеля и кобальта обратно в смесь снова немного меняет ситуацию. Никель обеспечивает высокую удельную энергию и при добавлении к стабильной структуре марганцевой шпинели также приводит к получению батареи с преимуществами структуры марганцевой шпинели (низкое внутреннее сопротивление, высокая скорость зарядки, хорошая стабильность и безопасность).

Катод этих батарей обычно состоит из одной трети никеля, одной трети марганца и одной трети кобальта, но соотношение может варьироваться в зависимости от секретных формул производителей. Эти аккумуляторы используются в электроинструментах, электромобилях и медицинских приборах.

Литий-марганцевые батареи часто сочетаются с литий-никель-марганцево-кобальтовыми батареями, образуя комбинацию, которая используется во многих электромобилях. Высокие всплески энергии (для быстрого ускорения) обеспечиваются литий-марганцевым компонентом, а большой запас хода обеспечивается компонентом литий-никель-марганец-кобальт.

Литий-полимерный

Замена жидкого электролита в литий-ионном аккумуляторе твердым электролитом повышает безопасность аккумулятора и делает его легче. Поскольку сам полимер очень тонкий, он также обеспечивает большую гибкость с точки зрения формы и дизайна — его не нужно помещать в жесткий корпус, и его можно сделать чрезвычайно компактным.

Полимерный электролит представляет собой непроводящий материал, который, тем не менее, допускает ионный обмен. В ранних конструкциях полимер был настолько плохим проводником, что не мог способствовать ионному обмену, если только не был нагрет примерно до 60 градусов по Цельсию, поэтому теперь добавляют небольшое количество геля, чтобы избежать этой проблемы.

Литий-полимерный аккумулятор может использовать любую комбинацию электродов, используемую в литий-ионных аккумуляторах; отличается просто электролит.

Литий-ионные батареи бывают разных форм, размеров и химического состава, как и батареи. Их различные химические вещества и структуры предлагают различные функции, часто с компромиссом между эффективностью, стоимостью и безопасностью.

Литий-ионные аккумуляторы необходимы нам в повседневной жизни.