Литий ионные аккумуляторы реферат

Обновлено: 04.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Материалы литий-ионных аккумуляторов

3. Материалы положительного электрода

3.1 Общие требования к материалам

.2 Слоистые материалы

.3 Материалы с каркасными структурами

.4 Методы синтеза оксидных материалов положительного электрода

. Материалы отрицательного электрода

. Сепараторы и конструкции аккумуляторов

Список рекомендуемой литературы

Литий-ионные аккумуляторы - это относительно новый вид химических источников тока, быстро завоевавший мировой рынок. Множество людей носит их постоянно в своих мобильных телефонах. Совершенствование известных и разработка новых материалов для подобных устройств составляют одну из важнейших задач современной химии, причём центральное место здесь занимают твёрдые материалы с подвижными ионами для электродов и электролитов - основной объект ионики твёрдого тела. 1. Общие сведения Всякий химический источник тока (ХИТ) состоит из отрицательного электрода, содержащего восстановитель, положительного электрода, содержащего окислитель, и разделяющего их электролита. Чтобы избежать короткого замыкания при сближении электродов, в ячейках с жидким электролитом используют ещё пористый сепаратор. Сразу следует уточнить терминологию. Отрицательный электрод ХИТ часто называют анодом, а положительный - катодом. В случае первичного (не перезаряжаемого) ХИТ это не вызывает путаницы. Но в аккумуляторе, т.е. вторичном (перезаряжаемом) ХИТ, положительный электрод является катодом только при разряде, когда на нём происходит восстановление; при заряде там происходит окисление, и он становится анодом. Поэтому часто употребляемое в литературе сочетание "катодные материалы аккумуляторов" неточно, и далее будет использоваться более строгое, хотя и длинное, название "материалы положительного электрода". Кроме того, гальванические элементы часто неправильно называют батареями (batteries), хотя это слово обозначает набор из нескольких однотипных элементов.

Литий - уникальный элемент для ХИТ. Во-первых, это самый сильный восстановитель по отношению к важнейшим окислителям: кислороду, азоту, фтору и их соединениям. Количественно это выражается самым низким электродным потенциалом (табл. 1). Конечно, в неводных растворах цифры несколько иные, чем указано в табл. 1, но соотношение сохраняется. Это обеспечивает элементам с литиевым электродом самую высокую эдс. Таблица 1 Сравнительная характеристика некоторых восстановителей

Литий-ионные аккумуляторы весьма распространены в качестве источников питания современной бытовой электроники.
В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов для сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов.
Наибольшие же перспективы роста рынка литий-ионных аккумуляторов открываются всвязи с использованием этих вторичных химических источниковтока в качестве источника питания электротранспорта.
История появления Li-ion аккумуляторов

Первые эксперименты с литиевыми аккумуляторами относятся к 1912 году, но первые серийно произведенные литиевые батареи появились в 1970-х, они были неперезаряжаемые.

В середине 1980-х появились серийные литиевые аккумуляторы, но их использование было ограничено из-за высокой взрывоопасности - прициклированни на литиевом аноде образовывались дендритообразные кристаллы лития, которые прорастали
до катода и провоцировали внутриэлементное короткое замыкание и взрыв из-за перегрева, который запускал химическую реакцию между литием и органическим электролитом.
С 1991 года началось коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов, изготовленных фирмой Sony. В этих аккумуляторах использовался кобальтатлития (LiCoO2) и кокс в качестве материала электродов. Электролитом был раствор соли лития в органическом растворителе. При соблюдении условий разряда/заряда данные элементы достаточно безопасны в плане взрыва, что обеспечило их коммерческий успех.
В конце 1990-х - начале 2000-х появилось много новых игроков на рынке литий-ионных аккумуляторов - стали производится батареи на базе кобальтатов литияна графитовых электродах, появились батареи на основе более дешевой химии - LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4. Также появились аккумуляторы с полимерным электролитом для использования в миниатюрной электронике.
В настоящее время каждые полгода появляются литий-ионные аккумуляторы, основанные на новых химических и конструктивных составляющих. Возможности совершенствования, основанных на литииаккумуляторов, еще далеко не исчерпаны, что вселяет надежду на появление все более емких, безопасных и дешевых аккумуляторов на рынке в самом недалеком будущем.
Преимущества и недостатки

Рассмотрим преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов и аккумуляторных батарей на их основе.

1. наибольшая плотность энергии из всех разновидностей аккумуляторов – как объемная, так ивесовая
2. напряжение питания на элементе - 3,6В, что в 3 раза выше, чем у NiMH и NiCd аккумуляторов и почти в 2 раза выше, чем для свинцово-кислотных аккумуляторов
3. быстрый процесс заряда батарей - до 90% емкости за 30-40 минут
4. высокий показатель ресурса - свыше 1000 циклов разряда/заряда (в лабораторных условиях)
5. низкий показатель саморазряда - до 5% в месяц
6. дружественностьокружающей среде - могут утилизироваться без предварительной переработки

1. возможность взрыва при механическом повреждении или перезарядке аккумулятора (возможность взрыва для современных аккумуляторов резко снижена)
2. достаточно быстрое старение аккумулятора - большинство аккумуляторов резко снижают свои характеристики при хранении или использовании более 5 лет
3.для создания аккумуляторных батарей требуется сложная система управления батареей
4. высокая стоимость, но над этим параметром усиленно работают китайские производители

Как продлить жизнь аккумулятору

С момента начала массового производства литий-ионных аккумуляторных батарей в 1991 году фирмой Sony уже прошло более 20 лет, однако многие процессы, происходящие в литий-ионных аккумуляторахдо сих пор мало изучены. В виде подборки отдельных фактов, касающихся жизни и условий работы литий-ионных аккумуляторных батарей рассмотрим знания, которые накопились за эти годы. Эта подборка фактов позволит со знанием дела определить стратегию сохранения жизни литий-ионного аккумулятора в зависимости от области использования в следующей статье цикла.
Литий-ионные.

Возможность замены жидкого органического электролита на полимерный, при котором должна снизиться вероятность его утечек и увеличиться безопасность работы литий-ионного аккумулятора, изучалась с самого начала коммерциализации этих источников тока.

В основе идеи литий-полимерного аккумулятора (Li-pol) лежит открытое явление перехода некоторых полимеров в полупроводниковое состояние в результате внедрения в них ионов электролита. Проводимость полимеров при этом увеличивается более чем на порядок. Усилия исследователей были направлены на поиск полимерных электролитов как для литий-ионных аккумуляторов, так и для аккумуляторов с металлическим литием, теоретически возможная плотность энергии которых в несколько раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.

К настоящему времени разработаны и серийно изготавливаются литиевые источники тока с электролитами, которые могут быть подразделены на три группы:

- сухие полимерные электролиты (чаще всего на базе полиэтиленоксида, в который вводятся различные соли Li);

- гель-полимерные гомогенные электролиты, которые образуются при внедрении в полимер (или смесь полимеров) с солями Li пластификатора-растворителя;

- неводные растворы солей Li, сорбированные в микропористой полимерной матрице.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же понижается при температуре ниже нуля. Поэтому проблема разработок Li-pol аккумуляторов состояла не только в поиске иммобилизированного электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении температурного диапазона Li-pol аккумуляторов.

Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов. Благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны в использовании, чем перезаряжаемые литиевые источники тока. Li-pol аккумуляторы компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. Их контейнер может быть выполнен из металлизированного полимера.

Рабочие плотности тока, однако, незначительны, и электрические характеристики Li-pol аккумуляторов заметно ухудшаются при понижении температуры из-за кристаллизации полимера.

С гель-полимерным электролитом разрабатывают аккумуляторы и литий-ионные, и с металлическим анодом. Достигнутые довольно большие плотности тока и расширение температурного интервала работы позволяют использовать такие аккумуляторы для широкого круга портативной аппаратуры, сотовых телефонов, ноутбуков, цифровой фото-техники и т.д.

Аккумуляторы с гель-полимерным электролитом производят многие компании во всем мире. Электродные материалы, рецептуры электролита и технологии изготовления Li-pol аккумуляторов разных компаний значительно различаются. Их характеристики также разнообразны.

Все разработчики отмечают, что на качество Li-pol аккумуляторов и стабильность их работы сильно воздействует однородность полимера, на которую оказывают влияние как соотношение компонентов электролита, так и температура полимеризации.

Учитывая, что уже реально показаны возможности создания литий-полимерных аккумуляторов в широком диапазоне емкостей, и тот факт, что при всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем) Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Перспективы серьезного расширения производства Li-pol аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.

С появлением элементов литий-полимерных аккумуляторных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами электонных устройств открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новой аппаратуры. Были убраны многие ограничения касательно микроминиатюризации радиоэлектронных устройств.

Иногда для снижения внутреннего сопротивления Li-pol батарей, используют добавку гелиевого электролита. Большинство литий-полимерных батарей, применяемых для питания мобильных телефонов, на самом деле являются гибридными, представляющими собой нечто среднее между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, и в них используется гелиевый электролит.

Какая же разница между литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторными батареями с гелиевым электролитом? Хотя их характеристики и близки, в литий-полимерных батареях вместо сепараторов используется твердый электролит. Добавленный в них гелиевый электролит предназначен просто для улучшения ионообменных процессов и, таким образом, для понижения внутреннего сопротивления.

Были проведены сравнительные испытания на безопасность двух типов призматических литий-ионных аккумуляторов: с жидким и гель-полимерным электролитами (см. таблицу). При этом не принималось особых мер обеспечения безопасности аккумуляторов. Аккумуляторы испытывались проколом иглой, нагревом до 200 °С, коротким замыканием и очень высоким перезарядом (до 600 %). Как следует из таблицы, безопасность литий-ионных аккумуляторов с полимерным электролитом гораздо выше безопасности аккумуляторов с жидким электролитом.

Заряд литий-полимерных аккумуляторов

Процесс заряда литий-полимерных аккумуляторных батарей подобен заряду литий-ионных аккумуляторных батарей. Литий-полимерные батареи с гелевым электролитом чаще всего классифицируют как литий-ионные, и их процессы заряда аналогичны.

В настоящее время большая часть литий-ионных аккумуляторов коммерческого назначения на самом деле представляет собой литий-полимерные аккумуляторы с гелиевым электролитом, и литий-полимерные батареи с сухим электролитом постепенно будут ими вытеснены.

Основные характеристики

Литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd в 4-5 раз, NiMH (никель-металлогидридным) в 3-4 раза. Количество рабочих циклов 500- 600, при разрядных токах в 2С до потери емкости в 20% (для сравнения - у NiCd- 1000 циклов, у NiMH – 500). Вообще говоря, каких–либо данных по количеству рабочих циклов пока еще очень мало и к приведенным в данном случае их характеристикам необходимо относиться критически. Кроме того, технология их изготовления совершенствуется, и возможно, что в данный момент цифры по этому типу аккумулятора уже другие. Так же, как и все аккумуляторы, литиевые подвержены старению. Через 2 года батарея теряет около 20% ёмкости.

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литий-полимерными аккумуляторами - если их не догонят топливные элементы. По мере повышения спроса на аккумуляторы и увеличения объема их выпуска цена будет неизбежно падать, и тогда литий станет, наконец, также распространен, как NiMH. На Западе это время уже наступило, по крайней мере. Популярность электролетов с литий-полимерными аккумуляторами все растет. Хочется надеяться, что бесколлекторные моторы и контроллеры к ним тоже подешевеют, но в этой области прогресс снижения цен движется менее стремительно.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) на сегодняшней день являются одни из самых распространенных. Фотоаппараты, смартфоны, видеокамеры, электроинструменты – это лишь небольшая часть списка предметов, в которых используется этот источник питания. Это один из самых новых типов аккумуляторов (первый был выпущен в 1991 году), а в 2019 году за его изобретение трем ученым дали Нобелевскую премию.

Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы. Другое дело, что альтернатив нет, что и обуславливает их повсеместное использование. В нашей статье мы подробно разберем их устройство, плюсы, минусы, особенности работы и другие важные нюансы.

Принцип работы и устройство

Ниже на схеме можно посмотреть устройство литий-ионного аккумулятора. У него есть два типа электродов: катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, которые разделены пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом. Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи.

Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.

К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.

Устройство литий-ионного аккумулятора подразумевает использование платы, которая контролирует зарядку (это необходимо). Впрочем, о зарядке мы еще поговорим отдельно: там особый процесс. Также отметим, что в качестве катодных материалов сегодня используют разные соединения: литий-феррофосфат, литий-марганцевая шпинель, кобальт лития.

Преимущества

К ключевым преимуществам относят следующие параметры:

Очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
Высокий ток при работе;
Нет необходимости в обслуживании;
Саморазряд очень низкий;
Готовность к эксплуатации в любой момент;
Нет эффекта памяти;
Возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
Диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

Недостатки

Список недостатков литий-ионных аккумуляторов короче, но и здесь есть достаточно важные моменты. Отметим, что некоторые особенности мы будем подробно разбирать в следующем разделе, так как они очень важны.

Дорогие (относительно других АКБ);
При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк;
Срок службы зависит от времени использования;
Опасность взрыва или возгорания;
Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки;
Недопустимы механические повреждения;
Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Особенности литий-ионных аккумуляторов.

Некоторые плюсы и минусы, а также особенности литий-ионных аккумуляторов стоит разобрать отдельно. В первую очередь те, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.

Опасность взрыва и возгорания

Считается, что это одна из ключевых проблем. Именно поэтому их запрещено провозить в багаже на самолетах. Тем не менее, в данный момент опасность преувеличена (хотя, в случае с авиацией, лучше перестраховаться и здесь запрет имеет смысл). Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. После циклов зарядки и разрядки на нем образовывались дендриты, которые приводили к замыканию, которое и вызывало возгорание или взрыв. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились.

В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка. Это примерно как пострадать от удара молнии: никто не застрахован, но происходит это очень редко.

Отдельно расскажем про тушение. В ходе горения происходят не совсем традиционные химические реакции, поэтому литий-ионный аккумулятор может гореть даже без кислорода. Кроме того, при контакте с водой литий может образовывать водород. Если небольшой аккумулятор можно затушить водой, то в случае с крупными (например, в электромобилях) это будет неэффективным способом тушения.

Эффект памяти

К преимуществам литий-ионных аккумуляторов традиционно относят отсутствие эффекта памяти, особенно в сравнении с никель-кадмиевыми АКБ. Тем не менее, последние исследования показали, что это ошибка, однако эффект является настолько незначительным, что его можно не учитывать.

Все дело в ионах лития, которые теряют свои свойства при неполной зарядке. Часть из них остается на катоде, они переходят в пограничное состояние. То есть, они фактически подошли к барьеру освобождения, но не преодолели его. Поэтому при зарядке, когда свободные ионы пытаются вернуться на свое место, они встречаются с теми, которые находятся в пограничном состоянии и тем самым процесс становится более сложным, а структура электрода изменяется. Существуют определенные предложения, как избавиться от этого эффекта, но, повторим, он носит незначительный характер.

Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд

Выше мы писали, что в данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:

На первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
Номинальный ток, напряжение до 4,2 В;
На финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.

В принципе, рядовому пользователю знать этого не нужно, контролеры и зарядные устройства поддерживают данные режимы автоматически. Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.

Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше. То есть, разница будет в 9 раз.

Здесь многое зависит от типа устройства, в котором используется АКБ. Разумеется, для смартфона или электроинструмента зарядка на уровне даже 70-80% емкости батареи выглядит невозможной, это попросту затруднит эксплуатацию. Но допускать разряд ниже 20% стоит только в крайнем случае, это действительно очень существенно продлевает срок жизни аккумулятора.

Старение

Кроме того, условия хранения также оказывают существенное воздействие на время хранения. Оптимальные условия: 40% заряд, температура от 0 до +10 градусов по Цельсию. А под сроком хранения до 5 лет подразумевается снижение емкость до уровня 80% от номинальной.

Оригинальные и не оригинальные

Литий-ионные аккумуляторы производят многие компании и каждый видел картину, когда АКБ от производителя устройства стоит значительно дороже, чем аналог. При этом емкость может быть одинаковой. Стоит ли экономить? Вопрос сложный, который зависит от того, в каком именно устройстве используется аккумулятор.

Разберем на примере смартфонов. Выше мы писали, что при заряде используется контроллер, но в случае со смартфонами, он находится не в АКБ, а в самом телефоне. То есть, все функции, которые должны обеспечивать эффективную работу, делегированы в само устройство. Это сделано сознательно, подобный подход как раз и создает не оригинальным АКБ изначально худшие условия.

Температура использования

Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура эксплуатации находится в диапазоне от – 20 до +50 градусов. Перегрев и переохлаждение не допускаются. Зарядка при низкой температуре также недопустима. Также, при падении температуры, снижается емкость. При отрицательной температуре батарея может потерять до 50% емкости, то есть, разрядится в два раза быстрее.

Существуют аккумуляторы с внутренним подогревом (если подразумевается эксплуатация при очень низких температурах), также некоторые устройства сами могут служить в роли обогревателя при работе, что несколько расширяет диапазон значений. Самая лучшая температура для работы литий-ионных аккумуляторов +20 градусов. Изменения как в плюс, так и в минус, негативно сказываются на емкости и ресурсе.

Характеристики

Характеристики могут зависеть от типа аккумулятора, химического состава его компонентов и варьироваться в определенных пределах.

Энергоемкость: от 110 до 280 Втч/кг;
Количество циклов заряда и разряда при емкости 80%: 600-700;
Значение внутреннего сопротивления: от 4 до 15 мОм/Ач;
Напряжение одного элемента: от 2,5 В до 4,2 В;
Саморазряд: зависит от температуры и степени заряда. При 100% заряде и оптимальной температуре – около 1,5% в месяц;
Скорость быстрой зарядки: около 60 минут.

Это диапазоны основных значений. Могут быть определенные отличия у аккумуляторов различных форм-факторов, например, напряжение 1,5 В (АА и ААА), но здесь речь идет о стабилизированном выходном напряжении, которое не зависит от напряжения в самих ячейках.

Восстановление аккумулятора

Ситуаций, когда литий-ионный аккумулятор может потребовать восстановление может быть две:

Аккумулятор работает, однако разряжается очень быстро;
Он полностью разряжен, но зарядка не работает.

В первом случае речь идет про естественную потерю емкости, и поделать с этим ничего нельзя. Даже в теории не существует способа вернуть номинальную емкость у литиевого аккумулятора. Во втором случае кое-что сделать можно, в интернете можно найти очень подробные инструкции по восстановлению в данном случае.

Частые вопросы

В заключительной части мы разберем самые частые вопросы про литиевые аккумуляторы и дадим на них подробные ответы.

Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?

В настоящее время – нет. Можно сказать, что данная технология – апогей развития химических аккумуляторов. Теоретически (да и практические) альтернативы есть, но у них либо слишком высокая цена, либо низкий ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что пока не произойдет прорыва в технологиях, вменяемой альтернативы не будет.

Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?

Да, это возможно и не требует специальных знаний и большого опыта. Чаще всего замену делают в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние стоят дороже, зато их характеристики лучше. Чаще всего делают переделку шуруповертов и других подобных электроинструментов с питанием от АКБ.

Как утилизировать?

Литиевые аккумуляторы чаще всего просто выкидывают, особенно если говорить о совсем небольших, отдавать которые на переработку никому даже в голову не приходит. Кроме того, в России очень мало предприятий, которые занимаются данным типом аккумуляторов. Конечно, выкидывать их не правильно, но, к сожалению, зачастую другого выбора просто нет.

Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Данный вопрос не совсем корректный. Без уточнения характеристик, которые имеют значение, ответить на него невозможно. Где-то будет лучше один тип, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому нельзя сказать, какой из них лучше.

Правда ли то, что китайские литий-ионные аккумуляторы плохие?

Откроем секрет: большинство литиевых АКБ производят в Китае. В данном случае вопрос не в месте производства, а в контроле качества. Те, которые стоят значительно дешевле аналогов, очевидно, будут иметь худшие характеристики, поэтому от экономии толку не будет. Есть определенная цена, которая обусловлена производственными затратами, ее снижение автоматически снижает характеристики.

Читайте также: