Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

Принцип действия

Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.

Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.

Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.

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: устройство, принцип работы, характеристики

Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Какие основные виды аккумуляторных батареек существуют?

Как правильно выбрать аккумулятор для автомобиля?

Что такое внешний аккумулятор для телефона и какой лучше выбрать?

Какие существуют виды источников электрического тока?

В чём и как измеряется емкость аккумулятора?

Особенности хранения и утилизации

Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:

  • Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
  • Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
  • Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

После окончания срока годности использованный аккумулятор нужно сдать на переработку или утилизацию, причём этими вопросами занимаются специализированные службы, занимающиеся приёмом батарей.

Обычно процедура переработки включает в себя несколько этапов:

  • Разбор корпуса.
  • Избавление от электролита путём слива.
  • Очищение электродов.
  • Переработка корпуса и переплавление металлов.

Существует несколько способов для определения мест сбора использованных источников тока:

  • Проект RecycleMap от «Гринпис», позволяющий после выбора и объекта утилизации города найти пункты приёма.
  • Городской сайт администрации. На случай, если регион тщательно следит за подобным процессом.
  • Сайты с объявлениями. Частные организации и подрядчики выкладывают в интернет информацию о сборе батарей.
  • Магазины бытовой техники или крупные гипермаркеты. В последнее время в подобных местах стали появляться специальные контейнеры, куда можно выбросить неработающие батарейки.

Характеристики литиевых аккумуляторов

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Процент оставшегося заряда, % Количество циклов зарядки
500
50 1500
75 2500
90 4700

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

LTO

Литий-титановые аккумуляторы являются одной из новейших разработок в категории литий-ионных источников питания. Основное их преимущество заключается в длительном эксплуатационном периоде.

Данные образцы отличаются высокой степенью безопасности и устойчивостью перед негативными факторами. Их энергетическая плотность ниже, нежели у других типов литиевых накопителей, зато скорость зарядки здесь в десятки раз выше.

Такие аккумуляторы чаще всего устанавливают на электрический транспорт, а также ими комплектуют оборудование медицинского назначения.

Максимальная безопасность использования в данном случае объясняется применением особой технологии, основанной на использовании нанокристаллов на аноде. Из недостатков следует отметить сравнительно низкое среднее напряжение, нежели у других аккумуляторов.

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.

Популярные статьи  Передача электроэнергии — распространенные способы и альтернативные варианты

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

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.

Сколько стоит литиевая батарейка?

Одними из самых дешевых элементов являются дисковые батарейки литиевые. В простонародье называемые литиевые батарейки таблетки применяются для энергоснабжения часов, весов, процессоров и других гаджетов с небольшим энергопотреблением. Стоимость «таблеток» начинается от 10 рублей и ограничивается лишь аппетитами производителей и дистрибьюторов.

Высшую же планку сложно определить из-за огромного разнообразия. Но можно сказать однозначно, что, как и на все технологические новинки стоимость снижается благодаря повышению эффективности производства и увеличения количества производителей.

Недостатки в конструкции

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

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

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

Чтобы преодолевать такие негативные последствия, производители давали несколько советов:

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

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

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.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

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.

Производство литий ионных аккумуляторов на примере завода батарей

На российских промышленных заводах каждый день производят 3 миллиона этих устройств. Краткий процесс изготовления батарей состоит из четырех шагов:

  1. Изготовление электродов.
  2. Их соединение в батарею, комплектовка защитной пленкой.
  3. Упаковка в наружную оболочку, пропитка электролитом.
  4. Контроль качества, тестирование, заряд.

Устройство аккумулятора

Порядок изготовления:

Медная фольга выступает в роли анода, предварительно на нее наносится тонкий слой графита. Алюминиевая фольга с прослойкой лития служит в роли катода. Основные составляющие батарейки: корпус, в котором они размещаются, катод, анод, бумажный разделитель, помещенный между катодом и анодом, чтобы они не соприкасались. Катод – первое, что помещают в батарею, он состоит из диоксида марганца и графита. Рабочие загружают мешки этих материалов массой 1800 тонн на платформы.

  • Гидравлический механизм вытряхивает из мешков все песчинки катода до последнего в емкости. Затем материал проходит через трубы и попадает в зону смешивания. Компьютерная программа управляет клапанами, чтобы засыпать нужное количество порошка будущего катода. Графит при перемешивании в аппарате создает много пыли, так как он весит легче воздуха. Образовавшаяся катодная смесь (графит диоксид марганца) идет по конвейеру в зону катодного пресса. Здесь формировочная машина вдавливает порошок в круглые, пустые паллеты.
  • Корпусы из никелированной стали, сделанные на другом заводе, поступают с другой стороны. Они движутся в ряд по конвейерам, пока не встретятся с катодными паллетами. Механическое устройство заталкивает по три паллета в каждый корпус. После установки катодов эти трубочки попадают на магнитный конвейер и перемещаются на линию Д. Затем нужно бумажный цилиндр поместить внутрь катода, в противном случае при использовании готовой батарейки возникнет замыкание. Бумага будет разделять анод и катод. На дно батареи тоже стелется кусочек бумаги, визуально получается бумажный стакан. Бумага служит физическим барьером между положительно и отрицательно заряженными ионами, чтобы они не контактировали друг с другом при включении в какой-либо прибор.
  • Перед заполнением анода предварительно в бумажный стакан нужно внести несколько капель гидроксида лития или калия. Он является электролитом, то есть проводит в аккумуляторе электричество. Подождать 15 минут, чтобы хорошенько вещество впиталось в бумагу. После заполнения анодом батарейки идут на изготовление токоснимателя. Токосниматель представляет собой гвоздь, приваренный к стальной шляпке батарейки. Когда батарея присоединяется к проводнику (устройство представляет собой «гвоздь»), литий ионный аккумулятор накапливает в аноде электроны и отправляет их через это же устройство обратно в положительную часть батарейки. Электроны, протекающие через ножку гвоздя, позволяют батарее бесперебойно работать.

Токосниматель находится на дне батарейки

  • Латунная проволока с жестяным покрытием отправляется в осадочную машину. Лезвие, находящееся внутри нее, нарезает проволоку на кусочки по 3 см. Затем холодноосадочный автомат делает в конце каждого кусочка шляпку. Готовые гвозди высыпаются на другом конце трубы. А затем попадают на конвейер, он же сбрасывает их в роторный вибратор. Гвозди отправляются на конвейер по сборке токоснимателей. Здесь они двигаются в ряд, чтобы воссоединиться с головками. Автоматический сварщик приваривает головки гвоздей. И магнитный конвейер засасывает готовые детали. Отправляет их на линию сборки Д.
  • Тестирование. Каждый аккумулятор проходит через роторный прибор, который проверяет напряжение и силу тока. Батарейки, которые не прошли проверку, сдуваются потоком воздуха. Механический распределитель помещается в коробку, идет дальше на выдержку. Им надо немного постоять, чтобы вещества осели. Точное время выдержки регламентируется заводом-изготовителем. Стальной пресс печатает шляпки для положительного конца батареи, которые затем приварят к батарейке. Шляпки делаются из магнитной стали весов 1800 тонн килограммов. Сталь попадает в пресс.
  • Этикетка. Наклейки изолируют проводящую поверхность батарейки, чтобы никакое прикосновение не могло ее сократить.
  • Заводская лаборатория проверяет аккумуляторы на протекание, ускоряя старение за счет печки в другой части завода. Все батареи проходят три вида условий контроля: высокая температура, влажность и проверка температурным циклом, при которой температура с высокой меняется на низкую до минус 29 градусов. Проверка выполняется ежедневно.
Популярные статьи  Выключатель света: дистанционный, беспроводной, акустический и двойной

Тенденции развития в будущем

Литий-ионные технологии хоть и появились не вчера, но объективно находятся в точке старта в плане реализации имеющегося потенциала, сфер промышленного внедрения, доступных на данный день.

Li-ion элементы устанавливают в автомобилях, на водных суднах, в самолетах. Корпорация Boeing постоянно дорабатывала производственные технологии по изготовлению, выпуску аккумуляторов таким образом, чтобы предотвратить прорывы отдельных элементов в случае повышения рабочих температур, изменила конструкцию и снизила параметры выделения тепла.

Отдельно проводилось совершенствование зарядной системы. В конечном счете мастера компании выпустили новую доработанную конструкцию отсека для батареи, которая бы защитила самолет на случай отказа.

Прорывом элементы питания стали в электромобилях. Лидером по вопросам разработки в данном сегменте является марка Tesla Motors. Она, чтобы обеспечить автомобили источниками питания, неоднократно заявляла о планах строительства завода по производству литиевых и ионных батарей полного цикла.

Норвежцы пошли дальше и создали проект электропарома с применением рассматриваемой категории элементов питания. Судна Siemens (Германия) и Fjellstrand (Норвегия) решено было оснастить парой электрических двигателей, работа которых идет от литий-ионных АКБ. Производительность и мощность новинки – 360 пассажиров, 120 машин.

Еще один интересный пример – электрический вертолет от хиросимской корпорации Hirobo. Модель рассчитана на одного пассажира, максимально в час может развивать 100 км. Двигатель бесшумен в работе, заряда батареи хватает в среднем на 30 минут полета без перерывов – да, немного, но уже лучше, чем ничего.

Параметр является очень важным, поскольку от него во многом зависит экологичность, показатели выброса СО2 в атмосферу (их при условии грамотного подхода можно снизить минимум на четверть).

Развитие Li-ion АКБ в будущем направлено на повышение мощности, расширение емкости при малых размерах. Использование кремниевых нанопроводников вместо графита в анодах должно повысить емкость минимум втрое и сделать даже стандартную зарядку очень быстрой – до 15 минут.

Типы литиевых батарей

Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:

  • Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.
  • Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокой

    мощности, достаточно безопасный, однако характеризующийся не слишком большой емкостью. Их чаще всего поставляют в качестве комплектующих электровелосипедов: как горных, так и складывающихся. Подобные решения имеют небольшой вес, демонстрируют отличную скорость зарядки, но отличаются не слишком большой долговечностью. Впрочем, совсем недавно ученые сумели совместить литий-марганцевые конструкции с литий-никель-марганец-кобальтовыми, получив, в результате, более продвинутую батарею с хорошей энергоемкостью и продленным сроком службы.

  • Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи.. В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ — хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
  • АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
  • Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.
  • Литий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур — главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания. Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2. Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

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.

Популярные статьи  Существует ли сигнализация о приближении к порогу отключения автомата?

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.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

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.

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.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

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.

Отличие литиевых батареек от солевых и щелочных

  • Щелочные служат до 3-5 лет. Среди этих 3-х видов они являются твердыми средниками. Иначе их называют алкалиновыми. Они отлично себя зарекомендовали в пультах, игрушках, фонариках, радиоприемниках и других мало мощных приборах.
  • Литиевые батарейки работают дольше солевых и щелочных. Они отлично подходят для фото аппаратуры, медицинского оборудования.
  • Солевые являются самыми дешевыми, но и самыми слабыми. Могут храниться около 3-х лет. Отлично подходят для пультов, фонарей, игрушек, калькуляторов, таймеров, весов.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

В основном выше перечисленные батарейки между собой отличаются сроком службы и емкостью.

Появление первых Li-ion АКБ

История этих устройств началась в компании Sony, в начале девяностых годов прошлого века. Устройство литий-ионных аккумуляторов было предельно простым. Они состояли из двух контактов — алюминиевого и медного. Всё пространство между ними было разделено специальными стенками-сепараторами, внутри которых располагался электролит. В качестве него были использованы положительно заряженные ионы лития, которые стремились в направлении катода, при замыкании контакта клеммами устройства.

От менее совершенных источников питания с использованием в качестве электролита никеля такие батарейки отличались следующими характеристиками:

  • Более стабильное исходящее напряжение.
  • Низкий уровень пассивного разряда — когда к АКБ не подключено устройство, накопленный заряд не улетучивается так сильно, как в старых моделях.
  • Высокая ёмкость. При одинаковых размерах она превосходила аналоги в несколько раз.
  • Длинный жизненный цикл.

Всё это делало их незаменимыми для телефонов, фотоаппаратов и видеокамер того времени. Бурное развитие портативной электроники дало старт тем явлениям, которые наблюдаются и по сей день- например, поразительно быстрое развитие индустрии мобильных телефонов.

Вывод

Долгое время ученые пытались найти автономные источники питания, работающие длительный срок.

Такой находкой оказалась батарея, основанная на реакции ионов лития.

Не имеющие аналогов, их принято считать «эталоном» внешних АКБ. Энергоемкость быстро восстанавливается, энергия отдается быстро, производство не дорогостоящее. По заявлениям ученых — «Литий-ионные накопители можно считать «идеальным» сгустком накопленной энергии».

Компания Илона Маска, продолжает изучение данного типа накопителей. Их применяют при строительстве домов, как альтернативный источник питания в совокупности с солнечными батареями. «За электромобилями — будущее. Через десять или пятнадцать лет все пересядут на электрические автомобили» — заявил в последнем выступлении владелец компании Tesla.Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

Данный тип накопителей идеален для альтернативных видов энергии. Он автономен, долгое время держит заряд, но при необходимости легко выходит на пиковое состояние.

Повсеместное изучение и производство АКБ на основе лития, приводит к снижению ценовой политики.

Применение в различных сферах становится доступнее, а значит, появляется возможность развиваться и менее «богатым» компаниям.

Сейчас нельзя представить смартфоны, компьютеры, мобильные гаджеты с другим типом батарей. Созданные еще в прошлом веке АКБ, дали развитие абсолютно новой ветви в области производства аккумуляторов.

Добавить комментарий