Літій-іонний акумулятор (англ. Lithium-ion battery, скорочено Li-ion) — один з двох основних типів літієвих електричних акумуляторів з (категорії вторинних електричних батарей), який різниться з літій-полімерним акумулятором лише типом електроліту, що використовується при їх виготовленні. Широко розповсюджений в побутовій електроніці.
Назву літій-іонні акумулятори одержали через те, що електричний струм в зовнішньому колі з'являється через перенос літієвих іонів від анода до катода на основі різних сполук.
Хімічний склад, експлуатаційні характеристики, вартість та безпечність акумуляторів відрізняються залежно від типу літій-іонних акумуляторів. Найбільш поширеним у переносній електроніці є акумулятори з катодом на оксиді кобальту (LiCoO2), що мають високу енергетичну густину, але мають недолік з точки зору безпеки експлуатації, особливо при пошкодженні. Літій-ферум-фосфатні (відомі як літій-залізо-фосфатні, LiFePO4), літій-манган-оксидні (LiMn2O4, Li2MnO3 або літій-манганові акумулятори LMO) та літій-нікель-манган-кобальт-оксидні (LiNiMnCoO2 чи NMC) акумулятори, що теж названі за типом катоду, пропонують нижчі рівні енергетичної густини, але мають довший життєвий цикл та безпечніші з хімічної точки зору. Такі акумулятори широко застосовуються в електроінструментах, медичному обладнанні та ін. NMC, зокрема, є лідером за використанням в автомобільній промисловості. Літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидні (LiNiCoAlO2 або NCA), що теж названий за катодом, та літій-титанатові (Li4Ti4O12 чи LTO) акумулятори (назва останнього за анодом), спеціально розроблені для певних нішових ролей. Нові літій-сульфурні акумулятори обіцяють найвище відношення експлуатаційних характеристик до ваги.
Подібна кваліфікація за назвами є не науковою, а радше маркетинговою, оскільки проводяться роботи з розробки акумуляторів з катодом LiFePO4 та анодом Li4Ti4O12, що у цій системі не матиме простої назви.
Історія
Перший літій-іонний акумулятор вивела на ринок корпорація Sony в 1991 році.
Спроби розробити літієві електричні батареї, що перезаряджаються, проводилися в 70-х р. ХХ ст., але були невдалими через неможливість забезпечення потрібного рівня безпеки при їх експлуатації оскільки літій занадто активний і настільки бурхливо реагує з водою, що може спалахнути. Було встановлено, що в ході циклів заряду-розряду електричної батареї з металевим літієвим електродом може виникнути коротке замикання всередині акумуляторної батареї. При цьому температура всередині акумулятора може досягти температури плавлення літію. У результаті бурхливої хімічної взаємодії літію з електролітом відбувається вибух.
Основні характеристики
Сучасні літій-іонні акумулятори мають високі показники: 100–180 Вт·год/кг і 250–400 Вт·год/дм³, робоча напруга — 3,5–3,7 В.
Якщо ще кілька років тому розробники вважали досяжною ємність літій-іонних акумуляторів не більше кількох ампер-годин, то нині більшість причин, що обмежують збільшення ємності, подолано і багато виробників почали випускати акумулятори ємністю в сотні ампер-годин.
- Енергетична місткість: 110–200 Вт·год/кг
- Внутрішній опір: 150–250 мОм (для батареї 7,2 В)
- Число циклів заряд/розряд до втрати 20 % місткості: 500–1000
- Час швидкого заряду: 2–4 години
- Допустимий перезаряд: дуже низький
- Саморозряд при кімнатній температурі: 7 % в рік
- Напруга максимальна в елементі: 4,18–4,20 В (повністю заряджений)
- Напруга мінімальна: 2,5–2,75 В(повністю розряджений)
- Струм навантаження відносно місткості (С):
- піковий: понад 2С
- найбільше допустимий: до 1С
- Діапазон робочих температур: −20 — +60 °C
- обслуговування: не реґламентується
Сучасні малогабаритні акумулятори працездатні при струмах розряду до 2С, потужні — до 10–20С. Діапазон робочих температур: від −20 до +60 °С. Але багато виробників вже розробили акумулятори, працездатні при −40 °С. Можливе розширення температурного діапазону і в бік вищих температур.
В основному Li-ion акумулятори краще всього функціонують при кімнатній температурі. Робота при підвищеній температурі скорочує термін дії їх використання. Підвищена температура тимчасово протидіє внутрішньому опору акумулятора, збільшення якого призводить до його зносу.
Саморозряд становить 4–6 % за перший місяць, потім — значно менше: за 12 місяців акумулятори втрачають 10–20 % запасеної ємності. Втрати ємності в кілька разів менші, ніж у нікель-кадмієвих акумуляторів, як при 20 °С, так і при 40 °С.
Ресурс — 500–1000 циклів.
Всі літієві акумулятори мають досить прийнятні для зберігання параметри. Втрата ємності за рахунок саморозряду 5–10 % за рік.
Наведені показники варто розглядати як деякі середні орієнтири. Для кожного конкретного акумулятора, наприклад, розрядна напруга залежить від струму розряду, рівня розрядженості, температури; ресурс залежить від режимів (струмів) розряду й заряду, температури, глибини розряду; діапазон робочих температур — від рівня виробленого ресурсу та припустимих робочих напруг.
До недоліків Li-ion акумуляторів варто віднести чутливість до перезарядження і сильного розряду, через це вони повинні мати обмежувачі заряду й розряду.
Принцип роботи
Принцип роботи Li-ion акумуляторів заснований на переміщенні позитивно заряджених іонів літію Li+ між позитивними й негативними електродами в процесі розрядки й зарядки. Металевий літій у цих процесах участі не бере, тому не виникає будь-яких проблем з відновленням електродів, що забезпечує стабільність і безпеку при використанні батареї.
Наявність негативного електрода, який приймає і віддає іони, є загальним для всіх систем, але існує широкий вибір матеріалів, придатних для реалізації позитивного електрода й здатних забезпечувати різницю потенціалів між електродами до 3 В.
Для нормальної роботи будь-якої електрохімічної батареї необхідно як мінімум три компоненти: два електроди й електроліт, що забезпечує перенос іонів. У малогабаритних батареях електроліт може бути твердим, рідким і желеподібним. Рідкі електроліти застосовуються, як правило, у клеєних циліндричних батареях, але через високу небезпеку займання вони не знайшли застосування в інших системах. Для розробки твердих електролітів для літієвих акумуляторів, що мають можливість перезаряджання, пішло два десятиліття напружених досліджень. На їх основі стало можливим створення тонких і пласких батарей, але з невеликим діапазоном робочих температур та малою потужністю.
Формати літій-іонних акумуляторів. Конструкція Li-ion акумуляторів
Літій-іонні акумулятори доступні в різних форм-факторах, які в цілому можна розділити на чотири групи:
- невеликі циліндричні (тверді тіла без терміналів, таких як батареї для портативних комп'ютерів)
- великі циліндричні (тверде тіло з великими гвинтовими клемами)
- в чохлах (м'які, плоскі тіла, такі, як ті, які використовуються в мобільних телефонах)
- призматичні (напівжорсткий пластиковий корпус з великими гвинтовими клемами), наприклад, у габариті 6T для бронетехніки
Конструктивно Li-ion акумулятори, як і лужні (Ni-Cd, Ni-MH), виготовляються в циліндричному і призматичному варіантах.
У циліндричних акумуляторах згорнутий у вигляді рулону пакет електродів і сепаратора вбудований у сталевий або алюмінієвий корпус, з яким з'єднаний негативний електрод. Позитивний полюс акумулятора виведений через ізолятор на кришку.
Призматичні акумулятори виготовляються шляхом складання прямокутних пластин одна на одну. Вони забезпечують щільніше упакування в акумуляторній батареї, але, на відміну від циліндричних акумуляторів, складніше витримують стискуючі зусилля на електроди. У деяких призматичних акумуляторах застосовується рулонне складання пакета електродів, що скручується в еліптичну спіраль.
Деякі конструктивні заходи звичайно застосовують і для запобігання швидкому розігріву і забезпечення безпечної роботи Li-ion акумуляторів. Під кришкою акумулятора є пристрій, що реагує на позитивний температурний коефіцієнт збільшенням опору, і, який розриває електричний зв'язок між катодом і позитивною клемою при підвищенні тиску газів всередині акумулятора вище допустимої норми. Для підвищення рівня безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів у складі батареї обов'язково застосовується також і зовнішній електронний захист, мета якого не допустити перезарядження й перерозрядження, короткого замикання й надмірного розігрівання.
Конструкція Li-ion та інших літієвих акумуляторів, як і конструкція всіх первинних батарей з літієвим анодом, відрізняється абсолютною герметичністю. Вимога абсолютної герметичності визначається як неприпустимістю витікання рідкого електроліту (негативно діючого на прилади) і недопустимість потрапляння в акумулятор кисню і вологи з навколишнього середовища, оскільки вони реагують із матеріалами електродів й електроліту, повністю виводячи акумулятор із ладу.
Вбудовані системи захисту
Li-ion акумуляторні батареї комерційного призначення мають найбільш досконалий захист, порівняно з усіма типами батарей. Як правило, у схемі захисту Li-ion батарей використовується ключ на польовому транзисторі, який при досягненні на елементі батареї напруги 4,30 В відкривається й тим самим перериває процес заряду. Крім того, наявний термозапобіжник, який при нагріванні батареї до 90 °С від'єднує коло її навантаження, забезпечуючи її термозахист.
Деякі акумулятори мають вимикач, який спрацьовує при досягненні граничного рівня тиску всередині корпуса, рівного 1034 кПа (10,5 кг/м²), і розриває ланцюг навантаження. Є й схема захисту від глибокого розряду, що стежить за напругою акумуляторної батареї й розриває ланцюг навантаження, якщо напруга на елемент знизиться до рівня 2,5 В.
Внутрішній опір схеми захисту акумуляторної батареї мобільного телефону в увімкненому стані дорівнює 0,05–0,1 Ом. Конструктивно вона складається з двох ключів, з'єднаних послідовно. Один з них спрацьовує при досягненні верхнього, а інший — нижнього порогів напруги на батареї. Загальний опір цих ключів фактично створює подвоєння її внутрішнього опору, особливо, якщо батарея складається лише з одного акумулятора.
У деяких Li-ion батареях, в яких використовують марганець, що мають 1–2 елементи; схема захисту не застосовується. Замість цього в них установлено лише один запобіжник. І такі батареї є безпечними завдяки їх невеликим габаритам та ємності. Крім того, марганець досить «терплячий» до порушень правил експлуатації Li-ion батареї. Відсутність схеми захисту зменшує вартість Li-ion батареї, але породжує нові проблеми.
При використанні недорогих зарядних пристроїв, призначених для підзарядки від мережі або від бортової мережі автомобіля, можна бути впевненим, що за наявності в батареї схеми захисту, вона відключить її при досягненні напруги кінця заряду. Якщо схему захисту в акумуляторі не передбачено, станеться перезаряд батареї і, як наслідок, її незворотний вихід з ладу. Цей процес супроводжується підвищеним нагріванням і роздуттям корпуса батареї.
Технологічні операції виробництва
Технологічні операції виробництва електродів та інших деталей, а також складання акумуляторів проводять в особливих сухих кімнатах або герметичних боксах в атмосфері чистого аргону.
При складанні акумуляторів застосовують складні сучасні технології зварювання та конструкції гермовиводів.
Закладка активних мас електродів є компромісом між бажанням досягти максимуму розрядної ємності акумулятора й вимогою гарантувати безпечну його роботу для запобігання утворення металевого літію (і тим самим можливості займання). Збільшення активних мас потенційно знижує рівень безпеки при експлуатації акумулятора.
Акумулятори збирають у розрядженому стані. Для приведення в дію їх необхідно зарядити.
При першому циклі заряду-розряду літій-іонні акумулятори втрачають частину ємності, тому що у процесі першого заряду крім впровадження літію в структуру вуглецевого матеріалу відбувається розкладання електроліту з утворенням плівки, що має лише іонну провідність. Утворення пасивної плівки призводить до незворотної втрати до 20-30 % закладеної ємності. Для зниження цих втрат рекомендують як добавки в електроліт, так і різного роду обробку поверхні вуглецевого матеріалу. Починаючи із другого циклу, процес розряду і заряду літій-іонного акумулятора зводиться до переносу іонів літію від анода до катода й назад. Коефіцієнт використання по струму при цьому близький до одиниці.
Інноваційні способи виробництва
2018 року інженери з Техаського та Дюкського університетів надрукувала браслет зі світлодіодом та літій-іонним акумулятором на 3D-принтері. Цей пристрій випромінював світло впродовж 60 секунд. Розробники визнають, що цього замало, аби починати бодай мріяти про комерційне застосування на цьому етапі, та вони мають кілька ідей, як збільшити ємність. Наприклад, хочуть замінити матеріали на основі полілактидів на 3D-друковані пасти.
Хімічні процеси Li-ion акумуляторів
Для того, щоб напруга акумулятора була достатньо високою, дослідники використали оксид кобальту як активний матеріал позитивного електрода. Літійований оксид кобальту (точніше кобальтат літію) має потенціал близько 4 В відносно літієвого електрода, тому робоча напруга Li-ion акумулятора має характерне значення 3 В і вище.
Матеріали на основі кобальту вимагають контролера для керування процесами заряд-розряд. Li/NiO2 (літій/оксид нікелю) має вищу ємність, ніж оксид кобальту, але він складний у виготовленні й може мати проблеми в плані техніки безпеки. Тому для підвищення безпеки в акумуляторах великої ємності почали використовувати змішані оксиди кобальту й нікелю (20-30 % нікелю).
При розряді Li-ion акумулятора відбувається деінтеркаляція (вилучення) літію з вуглецевого матеріалу (на негативному електроді) та інтеркаляція (упровадження) літію в оксид (на позитивному електроді). При заряді акумулятора процеси проходять у зворотному напрямку. Отже, у всій системі відсутній металевий (нуль-валентний) літій, а процеси розряду й заряду зводяться до переносу іонів літію з одного електрода на іншій. Тому такі акумулятори одержали назву «літій-іонні».
Процеси на негативному електроді Li-ion акумулятора. Для всіх типів Li-ion акумуляторів, які доведені до комерціалізації, негативний електрод виготовляється з вуглецевих матеріалів. Інтеркаляція літію у вуглецевих матеріалах — це складний процес, механізм і кінетика якого істотно залежать від природи вуглецевого матеріалу і природи електроліту.
Вуглецева матриця, яка застосовується в аноді, може мати впорядковану шарувату структуру, як у природного або синтетичного графіту, невпорядковану аморфну або частково впорядковану (кокс, піролізний або мезофазний вуглець, сажа та ін.).
Іони літію при впровадженні розштовхують шари вуглецевої матриці і розташовуються між ними, утворюючи інтеркаляти різноманітних структур. Питомий обсяг вуглецевих матеріалів у процесі інтеркаляції-деінтеркаляції іонів літію значно не змінюється.
Крім вуглецевих матеріалів як матрицю негативного електрода використовують структури на основі олова, срібла і їх сплавів, сульфіди олова, фосфати кобальту, композити вуглецю з наночастками кремнію.
Процеси на позитивному електроді Li-ion акумулятора. Якщо в первинних літієвих батареях застосовуються різноманітні активні матеріали для позитивного електрода, то в літієвих акумуляторах вибір матеріалу позитивного електрода обмежений.
Позитивні електроди літій-іонних акумуляторів створюються винятково з літійованих оксидів кобальту або нікелю і з літій-марганцевих шпінелей.
У даний час як катодні матеріали все частіше застосовуються матеріали на основі змішаних оксидів або фосфатів.
3 практики видно, що з використання катодів зі змішаних оксидів досягаються найкращі характеристики акумулятора. Освоюються і технології покриття поверхні катодів тонкодисперсними оксидами. При заряді Li-ion акумулятора відбуваються реакції на позитивних пластинах:
LiCoO2 → Li 1-хСоО2 + xLi+ + хе-
і на негативних пластинах:
С + xLi+ + хе- → CLix.
При прикладенні постійної напруги іони літію виходять з анода, проходять через електроліт і осідають у графіті, заряджаючи його. При відключенні напруги в електроліті утворюється подвійний шар, який не дозволяє іонам перебігти назад. Розрядка відбувається практично тільки за рахунок електричного струму через зовнішнє коло.
Маркування
Відповідно до принципів позначень МЕК (Міжнародної електротехнічної комісії) у найменуванні літій-іонних акумуляторів перша буква І означає електрохімічну систему, друга — матеріал катода (С, N або М для кобальту, нікелю або марганцю), третя буква R або Р — конструктивне виконання (циліндричне або призматичне). Цифри після букв позначають у циліндричних акумуляторах діаметр (мм, дві цифри) і висоту (десятих мм, три цифри), призматичних — довжину, ширину й висоту (мм) послідовно.
Багато компаній уводять свої літерні позначення типів, але цифри в їх найменуваннях відповідають вимогам МЕК.
Заходи безпеки при поводженні з акумулятором
Для запобігання витоку електроліту, нагрівання й вибуху потрібно дотримуватись таких правил безпеки:
- не занурювати акумулятор у воду, зберігати його в сухому прохолодному місці, якщо він не використовується;
- не використовувати і не залишати акумулятор поблизу джерел відкритого вогню або тепла;
- для зарядження використовувати тільки призначені для цього акумулятора зарядні пристрої;
- не підключати акумулятор до пристроїв, не призначених для живлення від нього;
- не кидати акумулятор у вогонь і не нагрівати його;
- не замикати між собою позитивний і негативний виводи акумулятора металевими предметами або дротами;
- не зберігати акумулятор разом з металевими предметами, такими як скріпки або шпильки;
- не зчавлювати, не кидати й не піддавати акумулятор механічним впливам;
- не паяти акумулятор та не проколювати його гострими предметами.
Найпоширеніші механізми зниження ємності акумулятора
При циклах заряд-розряд Li-ion акумуляторів серед можливих механізмів зниження ємності найчастіше розглядаються такі
- • руйнування кристалічної структури катодного матеріалу (особливо LiMn2O4);
- розшарування графіту;
- нарощування плівки на обох електродах призводить до зниження активної поверхні електродів і блокування дрібних пор;
- осадження металевого літію;
- механічні зміни структури електрода в результаті об'ємних коливань активного матеріалу при циклах заряд-розряд.
Тільки точне виконання рекомендованих умов експлуатації виробника електричної батареї забезпечить безперервний прогнозований час автономної роботи пристрою.
Примітки
- Шембель, О. М. Основні характеристики сучасних хімічних джерел струму різних електрохімічних систем : ( )[укр.] / О. М. Шембель, В. А. Білогуров // Сучасна спеціальна техніка. — 2009. — № 2(17). — С. 66—86.
- . Архів оригіналу за 1 жовтня 2016. Процитовано 16 вересня 2016.
- Andrea, 2010, с. 2.
- Cell boards for various cell formats. Elithion.com. Архів оригіналу за 13 серпня 2013. Процитовано 8 жовтня 2011.
- Слюсар, В.І. (2019). (PDF). Defense Express. - 2019, № 8 (серпень). с. 38 - 41. Архів оригіналу (PDF) за 1 серпня 2019. Процитовано 2 серпня 2019.
- . (укр.). 1 листопада 2018. Архів оригіналу за 7 листопада 2018. Процитовано 6 листопада 2018.
Посилання
- Як правильно заряджати акумулятори для смартфонів і ноутбуків щоби вони прослужили довше? [ 13 листопада 2018 у Wayback Machine.]
- lithium ion battery[ 2022-02-19 у Wayback Machine.]
Див. також
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Litij ionnij akumulyator angl Lithium ion battery skorocheno Li ion odin z dvoh osnovnih tipiv litiyevih elektrichnih akumulyatoriv z kategoriyi vtorinnih elektrichnih batarej yakij riznitsya z litij polimernim akumulyatorom lishe tipom elektrolitu sho vikoristovuyetsya pri yih vigotovlenni Shiroko rozpovsyudzhenij v pobutovij elektronici Litij ionnij akumulyator dlya zhivlennya mobilnogo telefonu Nazvu litij ionni akumulyatori oderzhali cherez te sho elektrichnij strum v zovnishnomu koli z yavlyayetsya cherez perenos litiyevih ioniv vid anoda do katoda na osnovi riznih spoluk Himichnij sklad ekspluatacijni harakteristiki vartist ta bezpechnist akumulyatoriv vidriznyayutsya zalezhno vid tipu litij ionnih akumulyatoriv Najbilsh poshirenim u perenosnij elektronici ye akumulyatori z katodom na oksidi kobaltu LiCoO2 sho mayut visoku energetichnu gustinu ale mayut nedolik z tochki zoru bezpeki ekspluataciyi osoblivo pri poshkodzhenni Litij ferum fosfatni vidomi yak litij zalizo fosfatni LiFePO4 litij mangan oksidni LiMn2O4 Li2MnO3 abo litij manganovi akumulyatori LMO ta litij nikel mangan kobalt oksidni LiNiMnCoO2 chi NMC akumulyatori sho tezh nazvani za tipom katodu proponuyut nizhchi rivni energetichnoyi gustini ale mayut dovshij zhittyevij cikl ta bezpechnishi z himichnoyi tochki zoru Taki akumulyatori shiroko zastosovuyutsya v elektroinstrumentah medichnomu obladnanni ta in NMC zokrema ye liderom za vikoristannyam v avtomobilnij promislovosti Litij nikel kobalt alyuminij oksidni LiNiCoAlO2 abo NCA sho tezh nazvanij za katodom ta litij titanatovi Li4Ti4O12 chi LTO akumulyatori nazva ostannogo za anodom specialno rozrobleni dlya pevnih nishovih rolej Novi litij sulfurni akumulyatori obicyayut najvishe vidnoshennya ekspluatacijnih harakteristik do vagi Podibna kvalifikaciya za nazvami ye ne naukovoyu a radshe marketingovoyu oskilki provodyatsya roboti z rozrobki akumulyatoriv z katodom LiFePO4 ta anodom Li4Ti4O12 sho u cij sistemi ne matime prostoyi nazvi IstoriyaPershij litij ionnij akumulyator vivela na rinok korporaciya Sony v 1991 roci Litij jonnij akumulyator Varta Altlushajm Nimechchina Cilindrichnij element 18650 pered zakrittyam Sprobi rozrobiti litiyevi elektrichni batareyi sho perezaryadzhayutsya provodilisya v 70 h r HH st ale buli nevdalimi cherez nemozhlivist zabezpechennya potribnogo rivnya bezpeki pri yih ekspluataciyi oskilki litij zanadto aktivnij i nastilki burhlivo reaguye z vodoyu sho mozhe spalahnuti Bulo vstanovleno sho v hodi cikliv zaryadu rozryadu elektrichnoyi batareyi z metalevim litiyevim elektrodom mozhe viniknuti korotke zamikannya vseredini akumulyatornoyi batareyi Pri comu temperatura vseredini akumulyatora mozhe dosyagti temperaturi plavlennya litiyu U rezultati burhlivoyi himichnoyi vzayemodiyi litiyu z elektrolitom vidbuvayetsya vibuh Osnovni harakteristikiSuchasni litij ionni akumulyatori mayut visoki pokazniki 100 180 Vt god kg i 250 400 Vt god dm robocha napruga 3 5 3 7 V Yaksho she kilka rokiv tomu rozrobniki vvazhali dosyazhnoyu yemnist litij ionnih akumulyatoriv ne bilshe kilkoh amper godin to nini bilshist prichin sho obmezhuyut zbilshennya yemnosti podolano i bagato virobnikiv pochali vipuskati akumulyatori yemnistyu v sotni amper godin Energetichna mistkist 110 200 Vt god kg Vnutrishnij opir 150 250 mOm dlya batareyi 7 2 V Chislo cikliv zaryad rozryad do vtrati 20 mistkosti 500 1000 Chas shvidkogo zaryadu 2 4 godini Dopustimij perezaryad duzhe nizkij Samorozryad pri kimnatnij temperaturi 7 v rik Napruga maksimalna v elementi 4 18 4 20 V povnistyu zaryadzhenij Napruga minimalna 2 5 2 75 V povnistyu rozryadzhenij Strum navantazhennya vidnosno mistkosti S pikovij ponad 2S najbilshe dopustimij do 1S Diapazon robochih temperatur 20 60 C obslugovuvannya ne reglamentuyetsya Suchasni malogabaritni akumulyatori pracezdatni pri strumah rozryadu do 2S potuzhni do 10 20S Diapazon robochih temperatur vid 20 do 60 S Ale bagato virobnikiv vzhe rozrobili akumulyatori pracezdatni pri 40 S Mozhlive rozshirennya temperaturnogo diapazonu i v bik vishih temperatur V osnovnomu Li ion akumulyatori krashe vsogo funkcionuyut pri kimnatnij temperaturi Robota pri pidvishenij temperaturi skorochuye termin diyi yih vikoristannya Pidvishena temperatura timchasovo protidiye vnutrishnomu oporu akumulyatora zbilshennya yakogo prizvodit do jogo znosu Samorozryad stanovit 4 6 za pershij misyac potim znachno menshe za 12 misyaciv akumulyatori vtrachayut 10 20 zapasenoyi yemnosti Vtrati yemnosti v kilka raziv menshi nizh u nikel kadmiyevih akumulyatoriv yak pri 20 S tak i pri 40 S Resurs 500 1000 cikliv Vsi litiyevi akumulyatori mayut dosit prijnyatni dlya zberigannya parametri Vtrata yemnosti za rahunok samorozryadu 5 10 za rik Navedeni pokazniki varto rozglyadati yak deyaki seredni oriyentiri Dlya kozhnogo konkretnogo akumulyatora napriklad rozryadna napruga zalezhit vid strumu rozryadu rivnya rozryadzhenosti temperaturi resurs zalezhit vid rezhimiv strumiv rozryadu j zaryadu temperaturi glibini rozryadu diapazon robochih temperatur vid rivnya viroblenogo resursu ta pripustimih robochih naprug Do nedolikiv Li ion akumulyatoriv varto vidnesti chutlivist do perezaryadzhennya i silnogo rozryadu cherez ce voni povinni mati obmezhuvachi zaryadu j rozryadu Princip robotiPrincip roboti Li ion akumulyatoriv zasnovanij na peremishenni pozitivno zaryadzhenih ioniv litiyu Li mizh pozitivnimi j negativnimi elektrodami v procesi rozryadki j zaryadki Metalevij litij u cih procesah uchasti ne bere tomu ne vinikaye bud yakih problem z vidnovlennyam elektrodiv sho zabezpechuye stabilnist i bezpeku pri vikoristanni batareyi Nayavnist negativnogo elektroda yakij prijmaye i viddaye ioni ye zagalnim dlya vsih sistem ale isnuye shirokij vibir materialiv pridatnih dlya realizaciyi pozitivnogo elektroda j zdatnih zabezpechuvati riznicyu potencialiv mizh elektrodami do 3 V Dlya normalnoyi roboti bud yakoyi elektrohimichnoyi batareyi neobhidno yak minimum tri komponenti dva elektrodi j elektrolit sho zabezpechuye perenos ioniv U malogabaritnih batareyah elektrolit mozhe buti tverdim ridkim i zhelepodibnim Ridki elektroliti zastosovuyutsya yak pravilo u kleyenih cilindrichnih batareyah ale cherez visoku nebezpeku zajmannya voni ne znajshli zastosuvannya v inshih sistemah Dlya rozrobki tverdih elektrolitiv dlya litiyevih akumulyatoriv sho mayut mozhlivist perezaryadzhannya pishlo dva desyatilittya napruzhenih doslidzhen Na yih osnovi stalo mozhlivim stvorennya tonkih i plaskih batarej ale z nevelikim diapazonom robochih temperatur ta maloyu potuzhnistyu Formati litij ionnih akumulyatoriv Konstrukciya Li ion akumulyatorivNissan Leaf z litij ionnim akumulyatorom Litij ionni akumulyatori dostupni v riznih form faktorah yaki v cilomu mozhna rozdiliti na chotiri grupi neveliki cilindrichni tverdi tila bez terminaliv takih yak batareyi dlya portativnih komp yuteriv veliki cilindrichni tverde tilo z velikimi gvintovimi klemami v chohlah m yaki ploski tila taki yak ti yaki vikoristovuyutsya v mobilnih telefonah prizmatichni napivzhorstkij plastikovij korpus z velikimi gvintovimi klemami napriklad u gabariti 6T dlya bronetehniki Konstruktivno Li ion akumulyatori yak i luzhni Ni Cd Ni MH vigotovlyayutsya v cilindrichnomu i prizmatichnomu variantah U cilindrichnih akumulyatorah zgornutij u viglyadi rulonu paket elektrodiv i separatora vbudovanij u stalevij abo alyuminiyevij korpus z yakim z yednanij negativnij elektrod Pozitivnij polyus akumulyatora vivedenij cherez izolyator na krishku Prizmatichni akumulyatori vigotovlyayutsya shlyahom skladannya pryamokutnih plastin odna na odnu Voni zabezpechuyut shilnishe upakuvannya v akumulyatornij batareyi ale na vidminu vid cilindrichnih akumulyatoriv skladnishe vitrimuyut stiskuyuchi zusillya na elektrodi U deyakih prizmatichnih akumulyatorah zastosovuyetsya rulonne skladannya paketa elektrodiv sho skruchuyetsya v eliptichnu spiral Deyaki konstruktivni zahodi zvichajno zastosovuyut i dlya zapobigannya shvidkomu rozigrivu i zabezpechennya bezpechnoyi roboti Li ion akumulyatoriv Pid krishkoyu akumulyatora ye pristrij sho reaguye na pozitivnij temperaturnij koeficiyent zbilshennyam oporu i yakij rozrivaye elektrichnij zv yazok mizh katodom i pozitivnoyu klemoyu pri pidvishenni tisku gaziv vseredini akumulyatora vishe dopustimoyi normi Dlya pidvishennya rivnya bezpeki ekspluataciyi Li ion akumulyatoriv u skladi batareyi obov yazkovo zastosovuyetsya takozh i zovnishnij elektronnij zahist meta yakogo ne dopustiti perezaryadzhennya j pererozryadzhennya korotkogo zamikannya j nadmirnogo rozigrivannya Konstrukciya Li ion ta inshih litiyevih akumulyatoriv yak i konstrukciya vsih pervinnih batarej z litiyevim anodom vidriznyayetsya absolyutnoyu germetichnistyu Vimoga absolyutnoyi germetichnosti viznachayetsya yak nepripustimistyu vitikannya ridkogo elektrolitu negativno diyuchogo na priladi i nedopustimist potraplyannya v akumulyator kisnyu i vologi z navkolishnogo seredovisha oskilki voni reaguyut iz materialami elektrodiv j elektrolitu povnistyu vivodyachi akumulyator iz ladu Vbudovani sistemi zahistuLi ion akumulyatorni batareyi komercijnogo priznachennya mayut najbilsh doskonalij zahist porivnyano z usima tipami batarej Yak pravilo u shemi zahistu Li ion batarej vikoristovuyetsya klyuch na polovomu tranzistori yakij pri dosyagnenni na elementi batareyi naprugi 4 30 V vidkrivayetsya j tim samim pererivaye proces zaryadu Krim togo nayavnij termozapobizhnik yakij pri nagrivanni batareyi do 90 S vid yednuye kolo yiyi navantazhennya zabezpechuyuchi yiyi termozahist Deyaki akumulyatori mayut vimikach yakij spracovuye pri dosyagnenni granichnogo rivnya tisku vseredini korpusa rivnogo 1034 kPa 10 5 kg m i rozrivaye lancyug navantazhennya Ye j shema zahistu vid glibokogo rozryadu sho stezhit za naprugoyu akumulyatornoyi batareyi j rozrivaye lancyug navantazhennya yaksho napruga na element znizitsya do rivnya 2 5 V Vnutrishnij opir shemi zahistu akumulyatornoyi batareyi mobilnogo telefonu v uvimknenomu stani dorivnyuye 0 05 0 1 Om Konstruktivno vona skladayetsya z dvoh klyuchiv z yednanih poslidovno Odin z nih spracovuye pri dosyagnenni verhnogo a inshij nizhnogo porogiv naprugi na batareyi Zagalnij opir cih klyuchiv faktichno stvoryuye podvoyennya yiyi vnutrishnogo oporu osoblivo yaksho batareya skladayetsya lishe z odnogo akumulyatora U deyakih Li ion batareyah v yakih vikoristovuyut marganec sho mayut 1 2 elementi shema zahistu ne zastosovuyetsya Zamist cogo v nih ustanovleno lishe odin zapobizhnik I taki batareyi ye bezpechnimi zavdyaki yih nevelikim gabaritam ta yemnosti Krim togo marganec dosit terplyachij do porushen pravil ekspluataciyi Li ion batareyi Vidsutnist shemi zahistu zmenshuye vartist Li ion batareyi ale porodzhuye novi problemi Pri vikoristanni nedorogih zaryadnih pristroyiv priznachenih dlya pidzaryadki vid merezhi abo vid bortovoyi merezhi avtomobilya mozhna buti vpevnenim sho za nayavnosti v batareyi shemi zahistu vona vidklyuchit yiyi pri dosyagnenni naprugi kincya zaryadu Yaksho shemu zahistu v akumulyatori ne peredbacheno stanetsya perezaryad batareyi i yak naslidok yiyi nezvorotnij vihid z ladu Cej proces suprovodzhuyetsya pidvishenim nagrivannyam i rozduttyam korpusa batareyi Tehnologichni operaciyi virobnictvaTehnologichni operaciyi virobnictva elektrodiv ta inshih detalej a takozh skladannya akumulyatoriv provodyat v osoblivih suhih kimnatah abo germetichnih boksah v atmosferi chistogo argonu Pri skladanni akumulyatoriv zastosovuyut skladni suchasni tehnologiyi zvaryuvannya ta konstrukciyi germovivodiv Zakladka aktivnih mas elektrodiv ye kompromisom mizh bazhannyam dosyagti maksimumu rozryadnoyi yemnosti akumulyatora j vimogoyu garantuvati bezpechnu jogo robotu dlya zapobigannya utvorennya metalevogo litiyu i tim samim mozhlivosti zajmannya Zbilshennya aktivnih mas potencijno znizhuye riven bezpeki pri ekspluataciyi akumulyatora Akumulyatori zbirayut u rozryadzhenomu stani Dlya privedennya v diyu yih neobhidno zaryaditi Pri pershomu cikli zaryadu rozryadu litij ionni akumulyatori vtrachayut chastinu yemnosti tomu sho u procesi pershogo zaryadu krim vprovadzhennya litiyu v strukturu vuglecevogo materialu vidbuvayetsya rozkladannya elektrolitu z utvorennyam plivki sho maye lishe ionnu providnist Utvorennya pasivnoyi plivki prizvodit do nezvorotnoyi vtrati do 20 30 zakladenoyi yemnosti Dlya znizhennya cih vtrat rekomenduyut yak dobavki v elektrolit tak i riznogo rodu obrobku poverhni vuglecevogo materialu Pochinayuchi iz drugogo ciklu proces rozryadu i zaryadu litij ionnogo akumulyatora zvoditsya do perenosu ioniv litiyu vid anoda do katoda j nazad Koeficiyent vikoristannya po strumu pri comu blizkij do odinici Innovacijni sposobi virobnictva 2018 roku inzheneri z Tehaskogo ta Dyukskogo universitetiv nadrukuvala braslet zi svitlodiodom ta litij ionnim akumulyatorom na 3D printeri Cej pristrij viprominyuvav svitlo vprodovzh 60 sekund Rozrobniki viznayut sho cogo zamalo abi pochinati bodaj mriyati pro komercijne zastosuvannya na comu etapi ta voni mayut kilka idej yak zbilshiti yemnist Napriklad hochut zaminiti materiali na osnovi polilaktidiv na 3D drukovani pasti Himichni procesi Li ion akumulyatorivDlya togo shob napruga akumulyatora bula dostatno visokoyu doslidniki vikoristali oksid kobaltu yak aktivnij material pozitivnogo elektroda Litijovanij oksid kobaltu tochnishe kobaltat litiyu maye potencial blizko 4 V vidnosno litiyevogo elektroda tomu robocha napruga Li ion akumulyatora maye harakterne znachennya 3 V i vishe Materiali na osnovi kobaltu vimagayut kontrolera dlya keruvannya procesami zaryad rozryad Li NiO2 litij oksid nikelyu maye vishu yemnist nizh oksid kobaltu ale vin skladnij u vigotovlenni j mozhe mati problemi v plani tehniki bezpeki Tomu dlya pidvishennya bezpeki v akumulyatorah velikoyi yemnosti pochali vikoristovuvati zmishani oksidi kobaltu j nikelyu 20 30 nikelyu Pri rozryadi Li ion akumulyatora vidbuvayetsya deinterkalyaciya viluchennya litiyu z vuglecevogo materialu na negativnomu elektrodi ta interkalyaciya uprovadzhennya litiyu v oksid na pozitivnomu elektrodi Pri zaryadi akumulyatora procesi prohodyat u zvorotnomu napryamku Otzhe u vsij sistemi vidsutnij metalevij nul valentnij litij a procesi rozryadu j zaryadu zvodyatsya do perenosu ioniv litiyu z odnogo elektroda na inshij Tomu taki akumulyatori oderzhali nazvu litij ionni Procesi na negativnomu elektrodi Li ion akumulyatora Dlya vsih tipiv Li ion akumulyatoriv yaki dovedeni do komercializaciyi negativnij elektrod vigotovlyayetsya z vuglecevih materialiv Interkalyaciya litiyu u vuglecevih materialah ce skladnij proces mehanizm i kinetika yakogo istotno zalezhat vid prirodi vuglecevogo materialu i prirodi elektrolitu Vugleceva matricya yaka zastosovuyetsya v anodi mozhe mati vporyadkovanu sharuvatu strukturu yak u prirodnogo abo sintetichnogo grafitu nevporyadkovanu amorfnu abo chastkovo vporyadkovanu koks piroliznij abo mezofaznij vuglec sazha ta in Ioni litiyu pri vprovadzhenni rozshtovhuyut shari vuglecevoyi matrici i roztashovuyutsya mizh nimi utvoryuyuchi interkalyati riznomanitnih struktur Pitomij obsyag vuglecevih materialiv u procesi interkalyaciyi deinterkalyaciyi ioniv litiyu znachno ne zminyuyetsya Krim vuglecevih materialiv yak matricyu negativnogo elektroda vikoristovuyut strukturi na osnovi olova sribla i yih splaviv sulfidi olova fosfati kobaltu kompoziti vuglecyu z nanochastkami kremniyu Procesi na pozitivnomu elektrodi Li ion akumulyatora Yaksho v pervinnih litiyevih batareyah zastosovuyutsya riznomanitni aktivni materiali dlya pozitivnogo elektroda to v litiyevih akumulyatorah vibir materialu pozitivnogo elektroda obmezhenij Pozitivni elektrodi litij ionnih akumulyatoriv stvoryuyutsya vinyatkovo z litijovanih oksidiv kobaltu abo nikelyu i z litij margancevih shpinelej U danij chas yak katodni materiali vse chastishe zastosovuyutsya materiali na osnovi zmishanih oksidiv abo fosfativ 3 praktiki vidno sho z vikoristannya katodiv zi zmishanih oksidiv dosyagayutsya najkrashi harakteristiki akumulyatora Osvoyuyutsya i tehnologiyi pokrittya poverhni katodiv tonkodispersnimi oksidami Pri zaryadi Li ion akumulyatora vidbuvayutsya reakciyi na pozitivnih plastinah LiCoO2 Li 1 hSoO2 xLi he i na negativnih plastinah S xLi he CLix Pri prikladenni postijnoyi naprugi ioni litiyu vihodyat z anoda prohodyat cherez elektrolit i osidayut u grafiti zaryadzhayuchi jogo Pri vidklyuchenni naprugi v elektroliti utvoryuyetsya podvijnij shar yakij ne dozvolyaye ionam perebigti nazad Rozryadka vidbuvayetsya praktichno tilki za rahunok elektrichnogo strumu cherez zovnishnye kolo MarkuvannyaVidpovidno do principiv poznachen MEK Mizhnarodnoyi elektrotehnichnoyi komisiyi u najmenuvanni litij ionnih akumulyatoriv persha bukva I oznachaye elektrohimichnu sistemu druga material katoda S N abo M dlya kobaltu nikelyu abo margancyu tretya bukva R abo R konstruktivne vikonannya cilindrichne abo prizmatichne Cifri pislya bukv poznachayut u cilindrichnih akumulyatorah diametr mm dvi cifri i visotu desyatih mm tri cifri prizmatichnih dovzhinu shirinu j visotu mm poslidovno Bagato kompanij uvodyat svoyi literni poznachennya tipiv ale cifri v yih najmenuvannyah vidpovidayut vimogam MEK Zahodi bezpeki pri povodzhenni z akumulyatoromDlya zapobigannya vitoku elektrolitu nagrivannya j vibuhu potribno dotrimuvatis takih pravil bezpeki ne zanuryuvati akumulyator u vodu zberigati jogo v suhomu proholodnomu misci yaksho vin ne vikoristovuyetsya ne vikoristovuvati i ne zalishati akumulyator poblizu dzherel vidkritogo vognyu abo tepla dlya zaryadzhennya vikoristovuvati tilki priznacheni dlya cogo akumulyatora zaryadni pristroyi ne pidklyuchati akumulyator do pristroyiv ne priznachenih dlya zhivlennya vid nogo ne kidati akumulyator u vogon i ne nagrivati jogo ne zamikati mizh soboyu pozitivnij i negativnij vivodi akumulyatora metalevimi predmetami abo drotami ne zberigati akumulyator razom z metalevimi predmetami takimi yak skripki abo shpilki ne zchavlyuvati ne kidati j ne piddavati akumulyator mehanichnim vplivam ne payati akumulyator ta ne prokolyuvati jogo gostrimi predmetami Najposhirenishi mehanizmi znizhennya yemnosti akumulyatoraPri ciklah zaryad rozryad Li ion akumulyatoriv sered mozhlivih mehanizmiv znizhennya yemnosti najchastishe rozglyadayutsya taki rujnuvannya kristalichnoyi strukturi katodnogo materialu osoblivo LiMn2O4 rozsharuvannya grafitu naroshuvannya plivki na oboh elektrodah prizvodit do znizhennya aktivnoyi poverhni elektrodiv i blokuvannya dribnih por osadzhennya metalevogo litiyu mehanichni zmini strukturi elektroda v rezultati ob yemnih kolivan aktivnogo materialu pri ciklah zaryad rozryad Tilki tochne vikonannya rekomendovanih umov ekspluataciyi virobnika elektrichnoyi batareyi zabezpechit bezperervnij prognozovanij chas avtonomnoyi roboti pristroyu PrimitkiShembel O M Osnovni harakteristiki suchasnih himichnih dzherel strumu riznih elektrohimichnih sistem ukr O M Shembel V A Bilogurov Suchasna specialna tehnika 2009 2 17 S 66 86 Arhiv originalu za 1 zhovtnya 2016 Procitovano 16 veresnya 2016 Andrea 2010 s 2 Cell boards for various cell formats Elithion com Arhiv originalu za 13 serpnya 2013 Procitovano 8 zhovtnya 2011 Slyusar V I 2019 PDF Defense Express 2019 8 serpen s 38 41 Arhiv originalu PDF za 1 serpnya 2019 Procitovano 2 serpnya 2019 ukr 1 listopada 2018 Arhiv originalu za 7 listopada 2018 Procitovano 6 listopada 2018 PosilannyaYak pravilno zaryadzhati akumulyatori dlya smartfoniv i noutbukiv shobi voni prosluzhili dovshe 13 listopada 2018 u Wayback Machine lithium ion battery 2022 02 19 u Wayback Machine Div takozhLitiyeva batareya Nanodrotinnij akumulyator