Поиск по алфавиту

Аккумулятор Li-ion (литий-ионный)

Литий-ионный аккумулятор Metabo

 
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) – сегодня широко распространен в современной электронной технике, а также применяется, как источник питания в электромобилях и в энергетических системах. У этого аккумулятора есть множество преимуществ, он по праву считается лучшим и очень перспективным источником автономного питания. Есть и недостатки, о которых будет говориться ниже. А сейчас немного истории.
 

История происхождения литий-ионного аккумулятора.

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей проводились еще в прошлом 20 веке. А, если быть точнее - в 1912 году – Гилбертом Ньютоном Льюисом. Однако, на протяжении длительного времени, все попытки сделать литиевый аккумулятор пригодным для бытового применения, были неудачными. Только в 70-х годах начали появляться литиевые батареи, которые осторожно внедрялись в бытовые устройства. Но сделать батарею, которая перезаряжалась бы, никак не удавалось, из-за проблем с безопасностью обращения с ней.
 
После многочисленных исследований, к 1980 году, было выяснено, что система циклического разряда-заряда, при взаимодействии источника тока с металлическим литиевым электродом, приводила к образованию на поверхности лития - дендритов. В результате чего, дендриты разрастались и соприкасались с положительным электродом. Происходило внутреннее короткое замыкание, которое не только вызывало разрушение внутренних элементов, а и образовывало резкий скачок температуры – до 180º (температуры плавления лития). В результате возникала бурная химическая реакция, от взаимодействия лития с электролитом, и происходил взрыв-воспламенение. Эта химическая реакция получила название «вентиляция с выбросом пламени». От этого «явления» даже пострадало несколько людей. 
 
В какой-то момент, исследования в области создания литиевых аккумуляторов пришли в тупик и приостановились, пока в Японии не появилась новая разработка: батареи, в которых в качестве матрицы для интеркаляции лития, были взяты отрицательные электроды из углеродных материалов. Для того, чтобы поддерживать высокое напряжение использовались оксиды кобальта, в роли активного положительного электрода. Теперь, во всей системе батареи отсутствовал металлический литий, а сам процесс разряда и заряда состоял из переноса ионов лития от положительного электрода к отрицательному, и в обратном порядке. Поэтому литиевые аккумуляторы получили двойное, знакомое всем нам название – «литий-ионные». И это было именно то решение, которое помогло «укротить» перспективную технологию, чтобы человеческое общество в будущем безопасно ею пользовалось.
 
Основной принцип работы современного литий-ионного аккумулятора
 
Основной принцип работы современного литий-ионного аккумулятора

Устройство литий-ионного аккумулятора, его преимущества и недостатки.

Литий-ионные аккумуляторы производятся в двух формах – цилиндрической и по форме призмы. Иногда эти формы объединяют в одну, собирая в одном устройстве все преимущества. Внутри аккумулятор состоит из двух электродов – катодного (на алюминиевой фольге) и анодного (на медной фольге), которые разделены пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Корпус герметичный, с клеммами-токосъемниками и предохранительным клапаном. Как уже писалось выше, ион лития внедряется в кристаллическую решетку материалов (например графита), образовывая с ними новые химические связи.
 
Если в качестве отрицательных пластин применяется графит, то в качестве положительных пластин сегодня все чаще используются литий-фосфатные оксиды - более дешевые и безопасные, нетоксичные, не загрязняющие окружающую среду в процессе утилизации (пришли на замену кобальтовым и марганцевым материалам).
 
Современные литий-ионные аккумуляторы обладают высокими удельными характеристиками. Но производители неустанно увеличивают их емкостные качества. 
 
Так выглядит современный литий-ионный аккумулятор в шуруповертах
Так выглядит современный литий-ионный аккумулятор в шуруповертах
 
Самозаряд составляет примерно 4-6% за первый месяц и затем в течении года теряется примерно 12% емкости. В среднем 5-10% в год. Это хорошие показатели, они в несколько раз меньше, чем у конкурентных [[никель-кадмиевых батарей]]. Ресурс литий-ионных аккумуляторов составляет 500-1000 циклов. Они не любят холода, но сохраняют нормальную работоспособность при температуре -20º. Максимальный нагрев до высокой температуры не должен превышать 60º.
 
Безопасность литий-ионных аккумуляторов – этому аспекту уделяется первостепенное внимание. Важно недопустить превышения определенного порогового значения заряда. Если температура батареи достигает 90º, срабатывает термальная защита на отключение заряда. Также во всех аккумуляторах устроена защита от внутренних коротких замыканий (и даже в некоторых моделях от внешних). Сами материалы, из которых изготовлены батареи, препятствуют разрастанию дендритов (встраиваются двухслойные сепараторы, один слой из которых полипропиленовый, а другой близкий к полиэтилену). Каждый пакет аккумуляторов оснащается электронной схемой управления, чтобы точно контролировать температуру внутренних элементов.
 
Сегодня заряжать и разряжать литий-ионные аккумуляторы безопасно
 
Сегодня заряжать и разряжать литий-ионные аккумуляторы безопасно

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

  • Высокая энергетическая плотность емкостей позволяет при небольших габаритах иметь достаточно напряжения для длительного питания электрооборудования.
  • Низкий самозаряд (всего 2–5% в месяц).
  • Более простая конструкция по сравнению с конкурентными моделями (NiCd и NiMH), благодаря высокому напряжению единичного элемента.
  • Отсутствие [[эффекта памяти]], позволяет заряжать аккумулятор в любое время, не дожидаясь его разрядки.
  • Низкая стоимость обслуживания.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов:  

  • Внутренние элементы должны быть защищены встроенной схемой и этот факт повышает стоимость аккумуляторов класса Li-Ion.
  • Подвергается процессу старения (даже если не используется). Аккумуляторы Li-ion периодически необходимо заряжать и не допускать полной разрядки.

Таблица потери емкостей при хранении:

температура с 40 % зарядом со 100 % зарядом
0 ⁰C 2 % за год 6 % за год
25 ⁰C 4 % за год 20 % за год
40 ⁰C 15 % за год 35 % за год
60 ⁰C 25 % за год 40 % за три месяца

 

 
Сегодня технология производства аккумуляторов Li-ion меняется примерно каждые полгода. Появляются новые модели – еще более тонкие, емкостные и безопасные. Несмотря на достаточно высокую стоимость, эти аккумуляторы очень популярны во всем мире, благодаря своим превосходным техническим характеристикам.
 
 
 
Сейчас все основные производители инструмента переводят свои линейки аккумуляторного инструмента на литий-ионную технологию. Шуруповерты с литий-ионными аккуляторами можно найти здесь. Одними из самых удачных моделей являются: DeWalt DCD710S2Bosch GSR 10,8 V-2-Li, Metabo 14,4 LT Compact.
 
 
 

От автора. Для написания материала использовалась информация с сайтов: microbit.ru, powerinfo.ru, ixbt.com, wikipedia.org

Статью подготовил: 
Роботун

Категория: