Литий-ионный аккумулятор, устройство, применение, типы


Литий-ионный аккумулятор, устройство, применение, типы.

 

 

Литий-ионный аккумулятор является вторичным химическим источником тока многоразового действия, в котором переносчиком заряда является положительно заряженный ион лития.

 

Литий-ионный аккумулятор и его особенности

Устройство литий-ионных аккумуляторов

Преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов

Применение литий-ионных аккумуляторов

Условия эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Разновидности литий-ионных аккумуляторов

Форм-факторы, обозначения, емкости и размеры

Технические показатели

 

Литий-ионный аккумулятор и его особенности:

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — это тип электрического аккумулятора, который состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом.

Аккумулятор — устройство для накопления энергии с целью её последующего использования.

Электрический аккумулятор — вторичный химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда.

Данный аккумулятор используется для циклического накопления энергии (заряд-разряд) и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) является наиболее распространенным типом аккумуляторов, применяемых в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили. Они газонепроницаемы и могут работать в любом положении, что кроме прочего, позволяет создавать достаточно компактные и относительно легкие портативные устройства с их использованием.

Скорость саморазряда в зависимости от температуры находится в диапазоне от 0% до 8% в месяц, а типичный диапазон рабочих температур составляет от -30 °C до +60 °C. Благодаря малому саморазряду и множеству циклов заряда/разряда, они нашли широкое применение.

Понятие “саморазряд” по отношению к аккумуляторам обозначает процессы, происходящие сами по себе, которые приводят к тому, что аккумуляторы разряжаются с определенной скоростью, даже если потребители электроэнергии не подключены. Саморазряд является одной из важных характеристик аккумуляторов.

 

Устройство литий-ионных аккумуляторов:

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.

Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO2и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития;
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4 ;
  • литий-феррофосфат LiFePO4 .

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

  • литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6 ;
  • литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6 .

 

Преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов:

К преимуществам таких аккумуляторов в основном относятся следующие:

  • низкий саморазряд;
  • относительно высокая токоотдача;
  • большое число циклов заряд-разряд;
  • не требовательны к обслуживанию.

К недостаткам – следующие:

  • повышенная огнеопасность (при неправильной эксплуатации, включая случаи перезаряда, несоблюдения условий заряда или допущения механических повреждений);
  • потеря работоспособности при переразряде;
  • высокие требования к режимам заряда/разряда;
  • снижение ёмкости при влиянии низких температур;
  • старение, даже в случаях, когда не используются;
  • такие изделия относятся к токсичным отходам;
  • для производства данных аккумуляторов требуется использование лития высокой степени чистоты и переработка порядка 100 тонн руды.

 


Применение литий-ионных аккумуляторов:

Основные направления для их использования:

  • портативные устройства (включая мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, фонари и подобные устройства);
  • переносные электроинструменты (например, шуруповерты, дрели, пилы и иные);
  • электромобили, гибридные транспортные средства, электрические мотоциклы и скутеры, электрические велосипеды;
  • аккумуляторные электростанции;
  • садовое оборудование (например, ножницы и кусторезы).

 

Условия эксплуатации литий-ионных аккумуляторов (хранение, заряд, разряд):

Следует беречь аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания и охлаждения, а также от резких перепадов температур. При эксплуатации аккумулятора в условиях «холодной зимы» рекомендуется его снимать и хранить в тёплом помещении. Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности. Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре в диапазоне от 0 до 10 °C.

При использовании литий-ионных аккумуляторов в составе батарей без балансирующего устройства, часть из них окажется переразряженной при работе батареи или перезаряженной либо не дозаряженной до номинальной ёмкости во время зарядки батареи. Поэтому зарядные устройства для многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек.

Увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз, что отрицательно сказывается на аккумуляторе, при недостаточном отводе тепла он перегревается и деградирует. В результате, если напряжение на аккумуляторе превысить всего на 4 %, он будет вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу.

Зарядка при низких температурах обычно приводит к сильному старению, которое сопровождается необратимой потерей емкости. По этой причине для большинства аккумуляторов в качестве минимально допустимой температуры в процессе зарядки указывается 0 °C.

Разрядка таких аккумуляторов в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Глубокий разряд может полностью вывести из строя литий-ионный аккумулятор. Разряд аккумулятора при температуре не ниже, указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса).

Равномерная зарядка и разрядка непропорционально повышают срок службы, а это означает, что литий-ионный аккумулятор, который разряжается только до 50 % своей максимальной емкости вместо 100 %, а затем снова заряжается, будет работать более чем в два раза дольше по количеству циклов.

 

Разновидности литий-ионных аккумуляторов:

  • Литий-железо-фосфатный;
  • Литий-полимерный;
  • Литий-титанатный;
  • Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный;
  • Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный;
  • Литий-серный.

 

Форм-факторы, обозначения, емкости и размеры:

Обозначения: Типичная емкость, Ач: Размеры, ø × l, мм:
10180 0,3–0,4 10 × 18
10280 0,3–0,4 10 × 28
10440 0,3–0,4 10 × 44
13450 0,5–0,7 13 × 45
14250 0,25–0,3 14 × 25
14430 0,6–0,7 14 × 43
14500 0,7–0,8 14 × 53
14650 0,9–1,6 14 × 65
16340 0,6–1,0 16 × 34
16500 0,8–1,2 16 × 50
16650 2–3 16 × 65
17500 0,7–1,2 17,3 × 50
17650 1,2–2,5 17 × 65
18350 0,7–1,2 18 × 35
18500 1,1–2,2 18,3 × 49,8
18650 0,8–3,5 18,6 × 65,2
21700 3–5 21 × 70
22500 2,0–2,6 22,3 × 51,4
23430 3,3–5,2 23 × 43
25500 3,7–5 24,3 × 49,2
26500 2–4 26 × 50
26650 3,3–5,2 26,5 × 65,4
32600 5,5–6 32 × 61,9

 

Технические показатели:

Напряжение единичного элемента, В:
максимальное: 4,2 (или 4,35/4,40 для высоковольтных)
минимальное: 2,5 (или 2,8/3,0 для высоковольтных)
Удельная энергоёмкость, Вт·ч/кг: 110-270
Внутреннее сопротивление, мОм: 4-15
Число циклов заряд-разряд до снижения ёмкости до 80 %: 600
Время быстрого заряда, часов: 1
Саморазряд при температуре 25 °C и заряде 100 %: ≈1,6 % в месяц
Ток нагрузки относительно ёмкости С, представленной в А·ч:
постоянный: до 5С
импульсный: до 50С
оптимальный: до 1С
Диапазон рабочих температур, °C: от −20 до +60 (оптимальная +23)