Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки » Литий-ионные батареи: устройство, принцип работы, виды и применение
Количество просмотров: 22279
Комментарии к статье: 7


Литий-ионные батареи: устройство, принцип работы, виды и применение


Принцип работы любого электрического аккумулятора заключается в накоплении электрической энергии в процессе химической реакции, происходящей при протекании через аккумулятор зарядного электрического тока, и генерации электрической энергии при протекании разрядного тока в процессе обратной химической реакции.

Обратимость химической реакции в аккумуляторе позволяет многократно разряжать и заряжать аккумулятор. В этом и заключается преимущество аккумуляторов перед одноразовыми источниками тока, обычными батарейками, в которых возможен лишь разрядный ток.

В качестве среды для переноса заряда с одного электрода аккумулятора на другой, используется электролит – специальный раствор, благодаря химической реакции которого с материалом на электродах становятся возможными как прямая, так и обратная химические реакции в аккумуляторе, что и делает возможным как заряд аккумулятора, так и его разряд.

Сегодня одним из наиболее перспективных типов аккумуляторов является литий-ионный аккумулятор. В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) выступает алюминий, а в качестве положительного электрода (анода) – медь. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

Литий-ионный аккумулятор

Полимерные электролиты, способные внедрять в свой состав соли лития, в силу своей пластичности делают возможным изготовление литий-ионных аккумуляторов с большой внутренней поверхностью и почти любой формы, а это значительно повышает как технологичность производства, так и массогабаритные характеристики.

В процессе заряда такого аккумулятора, ионы лития перемещаются через электролит, и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде, образуя соединение графитит лития LiC6. При разряде происходит обратный процесс – от анода ионы лития движутся к катоду (окислителю), а во внешней цепи к катоду движутся электроны, в результате процесс приобретает электрическую нейтральность.

Устройство и принцип действия литий-ионного аккумумлятора

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 вольта, однако разность потенциалов при зарядке может достигать 4,23 вольта. В связи с этим фактом, заряд производится при максимально допустимом напряжении не более 4,2 вольта.

Реакция интеркаляции в литий-ионной батарее

Некоторые соединения лития могут легко возгораться, если напряжение превышено, поэтому в литий-ионные батареи, традиционно, встраиваются контроллеры уровня заряда, не допускающие превышения критического напряжения. Еще одним способом обеспечения безопасности является встроенный клапан для сбрасывания избыточного давления внутри пакета.

Литий-ионные элементы всегда закрыты воздухонепроницаемой оболочкой, так как воздействие воды и кислорода в атмосфере может быстро повредить компоненты элемента. 

В случае перезарядки или другого события, вызывающего повышение давления газа, устройство отключения тока изнутри отключает элемент от внешних подключений.

В призматических ячейках для этой цели часто используется диск, который выталкивается наружу из-за чрезмерного давления газа. К диску прикреплен положительно заряженный язычок, который в такой ситуации разрывает соединение. В цилиндрических звеньях сужение по окружности стенки звена позволяет ему удлиняться, что приводит к разрыву внутреннего соединения.

Ячейка иногда также включает в себя резистивный датчик температуры, сопротивление которого увеличивается с повышением температуры. Этот элемент имеет очень низкое (почти незначительное) сопротивление при комнатной температуре, а выше определенной температуры его сопротивление быстро увеличивается. Такие защиты могут быть встроены в ячейку, чтобы снизить риск термической нестабильности из-за внешних причин.

Смотрите также: Поченму взрываются литиевые аккумуляторы

Литий-ионные батареи уже заняли свое достойное место на рынке портативной бытовой техники. Это элементы питания сотовых телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, планшетов, плееров, и т.д.

Моя статья на Яндекс Дзен:

Литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы - в чем отличие и что лучше?

Портативный аккумумлятор

Литий-феррофосфат LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. Кобальтат лития LiCoO2, в свою очередь, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения, ведь если из него извлечь литий полностью, то структура станет нестабильной, кобальт перейдет в степень окисления +4 и сможет окислить кислород, а выделяющийся атомарный кислород станет окислять электролит, и произойдет взрыв. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.

Литий-феррофосфат LiFePO4 был предложен в качестве катодного материала аккумуляторов для более мощных устройств в 1997 году Джоном Гуденафом.

Литий-феррофосфат есть в земной коре, и не создаст никаких экологических проблем в будущем. Из него не может выделяться кислород, так как он весь очень прочно связан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона. Однако, для возможности применения этого материала, его нужно было раздробить на мелкие частички, иначе он остался бы изолятором в силу очень малой проводимости. Частички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направления движения ионов лития, затем покрыли нанометровым слоем углерода.

Литий-ионный аккумулятор для электроавтомобиля

Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.

С точки зрения современной науки, разработка и выпуск даже портативного наноаккумулятора не заставит себя долго ждать, и слово лишь за широким технологическим внедрением разработок. Что касается перспектив электромобилей, то сейчас уже можно считать, что именно они станут основным видом транспорта в городах ближайшего будущего. 

Применение литий-ионных аккумуляторов:

Литиевые аккумуляторы в современных автомобилях

Правильная эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

Самая большая литиевая аккумуляторная батарея в мире

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Литий-полимерные аккумуляторы
  • Как рассчитать параметры зарядного устройства для аккумулятора
  • Алюминиевые аккумуляторы
  • Как увеличить срок службы литий-ионных аккумуляторов
  • Прозрачный аккумулятор
  • Химические источники тока: основные характеристики
  • Современные аккумуляторные батарейки - достоинства и недостатки
  • Что такое эффект памяти аккумулятора
  • Гибкие аккумуляторные батареи
  • Почему взрываются аккумуляторы
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки

    Аккумулирование энергии, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Вадим |

    Ближайшее будущее для постсоветских стран, очень размытое понятие. Пока никто не заинтересован в таких технологиях в автомобилестроении.

    Описание отличное. Только не нашел, как правильно нужно обслуживать аккумулятор. Порывшись в информации, вычленил самую главную проблему. Это своевременная зарядка. Оказывается, чем выше процент разрядки, тем меньше остаётся циклов "разрядка - зарядка". Рекомендовано вообще заряжать, если он разрядился не больше чем на 20%.

    Что об этом думаете?

      Комментарии:

    #2 написал: Дмитрий Коновалов |

    Название литий-ионные аккумуляторы несколько вводит в заблуждение, поскольку оно относится не к конкретному типу аккумулятора с четко определенной парой заряда / разряда, как в случае со свинцово-кислотными аккумуляторами, а скорее ко всему классу аккумуляторов, которые используются для ионы лития с внутренним переносом заряда. Следовательно, батареи, обычно называемые литий-ионными, могут иметь очень разные свойства. Что общего у этих батарей, так это то, что их катод - а чаще всего также анод - работает за счет интеркаляции. Ионы лития химически не связаны с какими-либо веществами, но проникают в поры материала и прилипают к его поверхности. В результате материалы с открытой структурой и очень большой поверхностью лучше всего подходят для изготовления литий-ионных аккумуляторов. Поскольку положительно заряженные ионы лития внедряются в структуру анода, углерод должен содержать дополнительные электроны, чтобы поддерживать нейтральный заряд на аноде. Во время разряда, когда ионы лития высвобождаются из анода, также высвобождаются дополнительные электроны, содержащиеся в углероде, чтобы поддерживать нейтральный заряд анода. Ионы углерода и лития за это время не претерпевают никаких химических превращений.

    Воду нельзя использовать в качестве электролита в литий-ионной батарее по двум причинам. Во-первых, потенциал ячеек слишком высок для использования с водным электролитом - электролиз разделяет воду на водород и кислород. Во-вторых, анод с интеркалированными ионами лития имеет реакционную способность, аналогичную реакционной способности лития как металла. Это означает, что во время зарядки анод будет реагировать с водным электролитом, что приведет к образованию гидроксида лития и газообразного водорода. Поэтому в качестве электролита используется неполярный растворитель. Обычно это смесь органических растворителей с растворенной литиевой солью. Наиболее часто используемая соль - гексафторфосфат лития - LiPF 6. Растворенный LiPF 6это источник подвижных ионов, ответственных за перенос зарядов внутри клетки.

      Комментарии:

    #3 написал: Олег |

    Литий-ионные батареи называются так потому, что они работают, перемещая ионы лития через электролит внутри батареи. Поскольку ионы представляют собой частицы, которые приобрели или потеряли электрон, движение ионов лития от анода к катоду производит свободные электроны, то есть электроны, которые были выпущены из атомов лития. Накопление этих свободных электронов - это способ, которым батареи в конечном итоге заряжают и накапливают электричество. При разряде электричества, хранящегося в батарее, поток ионов лития меняется на противоположный, а это означает, что процесс повторяется: можно заряжать и разряжать литий-ионные батареи сотни или даже тысячи раз. Существует несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых используются несколько различающиеся химические составы для обеспечения различных свойств, от более высокой плотности мощности до более длительного срока службы.

      Комментарии:

    #4 написал: Алексей Кузовцев |

    Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются одними из самых распространенных. Они характеризуются очень хорошим соотношением между плотностью энергии и объемом. Этот тип батарей впервые был замечен в середине 1960-х годов в лабораториях Белла. Сначала использовали положительный электрод из сульфида металла и отрицательный электрод из металлического лития. Однако эта комбинация показала ряд плохих свойств, поэтому электродный материал постепенно заменялся. В 1990 году SONY представила новую технологию. В качестве отрицательного электрода они использовали смесь углерода, обогащенного литием, и полиолефина. Директор SONY К. Тодзава начал называть эти аккумуляторы литий-ионными. Обозначение «ион» связано с положительными ионами лития, которые перемещаются от положительного к отрицательному электроду во время зарядки.  Аккумулятор нового типа впервые появился в 1991 году в телефоне SONY. В качестве электролита чаще всего используют гексафторфосфат лития LiPF, растворенный в неполярном растворителе. Toshiba представила литий-ионные аккумуляторы нового поколения с маркировкой SCIB. Аккумулятор нового типа может сохранять до 90% емкости после 5000 циклов зарядки. Аккумулятор состоит из литиевого анода и катода, состоящего из оксидов титана и ниобия. Еще одна замечательная особенность — скорость зарядки, которая составляет порядка нескольких минут. 

      Комментарии:

    #5 написал: Роберт |

    По оценкам, к 2026 году на литий-ионные аккумуляторы будет приходиться до 70% всего рынка, а на свинцово-кислотные — еще 20% или около того. Объем производства литий-ионных аккумуляторов в 2020 году составлял 40,8 млрд долларов США, и ожидается, что в 2026 году он достигнет своего значения в 100,3 млн долларов США. Рынок аккумуляторных батарей обусловлен растущим спросом на портативные электронные устройства. 

      Комментарии:

    #6 написал: Алина |

    Литий-ионные (также известные как LiI или Li-Ion ) аккумуляторы являются одним из трех основных типов перезаряжаемых аккумуляторов (двумя другими являются никель-кадмиевые ( NiCD ) и никель-металлогидридные (NiMH). Преимущество литий-ионных аккумуляторов заключается в их мощности на единицу объема (на 220 % больше, чем у NiCD, и на 160 % больше, чем у NiMH) — относительно небольшие батареи могут вмещать большой заряд батареи. В процессе использования и перезарядки аккумуляторов очень мало лития «расходуется», что увеличивает срок службы аккумуляторов. Еще одним преимуществом литий-ионных аккумуляторов является их чрезвычайно долгий срок службы. Аккумуляторы саморазряжаются менее чем на 5 % в месяц (по сравнению с 10 % для NiMH и до 20 % для NiCD), что означает, что ваши заправленные аккумуляторы дольше остаются заряженными. Литий-ионные аккумуляторы изготавливаются из диоксида лития-кобальта. Литий нетоксичен (по крайней мере , при окислении ) и полностью пригоден для вторичной переработки. Если не обращать внимания на разницу в цене между Li-Ion и NiMH (что лично я считаю допустимым, учитывая разницу в производительности), у Li-Ion есть только одна серьезная проблема; Литий чрезвычайно легко вступает в реакцию с другими элементами, поэтому батареи должны быть очень хорошо герметизированы . Однако на некоторых аккумуляторных блоках это уплотнение недостаточно хорошее, и если вы уроните аккумуляторный блок, уплотнение может слегка треснуть, чего может быть достаточно, чтобы серьезно ухудшить удобство использования аккумулятора. Не проблема, если вы бережно обращаетесь с батареями и не разбрасываете их. Первые LiI-элементы были использованы в конце 1960-х годов, но за последние тридцать лет технология постепенно развивалась, и только когда в 1990-х годах наступил бум развлечений, LiI-аккумуляторы стали широко использоваться.

      Комментарии:

    #7 написал: Артур |

    Литиевые батареи являются хорошим решением, поскольку литий обладает высоким электрохимическим потенциалом и может накапливать большое количество энергии. В отличие от других аккумуляторов, они имеют малый вес и высокий КПД, но главный их недостаток на сегодняшний день – высокая стоимость. Однако, согласно недавнему исследованию Bloomberg, стоимость литий-ионных аккумуляторов значительно снизится в ближайшие годы, учитывая, что она уже упала более чем на 80% в период с 2010 по 2020 год. В частности, прогнозируется снижение стоимости вдвое литий-ионных аккумуляторов на кВтч к 2030 году, поскольку спрос растет на двух разных рынках: стационарных накопителей и электромобилей.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.