Литий-ионный аккамулятор

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

напряжение единичного элемента:
номинальное: 3,7 В (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 В номинальное напряжение равно 3,8 В) (при разряде до середины ёмкости током, по величине равной пятой части ёмкости аккумулятора);
максимальное: 4,2 В или 4,4 В (у аккумуляторов на 4,35 В);
минимальное: 2,5-2,75-3,0 В (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
удельная энергоёмкость: 110 … 243 Втч/кг;
внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/Ач;
число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости: 600;
время быстрого заряда: 15 мин … 1 час;
саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25 °C и заряде 100% ≈1,6 % в месяц;
ток нагрузки относительно ёмкости С представленной в Ач:
постоянный: до 65С;
импульсный: до 500С;
оптимальный: до 1С;
диапазон рабочих температур: от −20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

Из-за превышения напряжения при зарядке аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения себестоимости или увеличения ёмкости производители могут не устанавливать её.

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства банок могут немного отличаться, и какая-то банка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Он шунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,05—4,2 В для детектирования наличия аккумулятора.

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литийионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литийионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
литий-феррофосфат LiFePO4.

Электро-химические схемы литий-ионных аккумуляторов:

литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6
литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

Преимущества

Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
Низкий саморазряд.
Не требуют обслуживания.

Недостатки

1. Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литийионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литийионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

Эффект памяти

Разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов и может приводить к преждевременному исчерпанию ресурса. Химия литийионных аккумуляторов более чувствительна к температурам заряжания, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.

По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) было обнаружено, что литийионные аккумуляторы имеют эффект памяти. Как отмечают авторы исследования, для Li-Ion аккумуляторов:

…фактически эффект крохотный: относительное отклонение в напряжении составляет всего несколько единиц на тысячу.

Речь идёт исключительно о принципиальном наличии эффекта, а не о его сколько-нибудь существенном влиянии на работу аккумулятора.

Ключевой идеей исследования был поиск эффекта как такового.

Как показало исследование, частые циклы неполной зарядки и последующей разрядки приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки.

Во время заряжания ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарное напряжение батареи.

Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

Большую роль в долговечности и исправной работе аккумулятора играет его эксплуатация. Многие специалисты выделяют два простых правила, которые помогут продлить срок службы батареи:

Нельзя допускать полного разряда батареи.
Нельзя заряжать батарею возле работающих радиаторов отопления, нагретых предметов и в других горячих местах.

Старение

Температурный режим заряда литий-полимерных и литийионных аккумуляторов влияет на их ёмкость: ёмкость снижается при зарядке на холоде или в жару. Глубокий разряд полностью выводит из строя литийионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать. Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C. Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 4 % ёмкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке стоит посмотреть на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.

Снижение ёмкости при низких температурах

При снижении температуры окружающего воздуха ниже 0 °C происходит снижение мощности литийионного аккумулятора до 40-50 %. Владельцы носимой электроники менее всего подвержены отрицательным последствиям использования техники в условиях низких температур, а сегменты промышленности, задействованные в производстве беспилотных летательных аппаратов, роботизированных систем и космической техники, крайне нуждаются в новых подогреваемых аккумуляторах. Для решения этой проблемы созданы конструкции аккумуляторов с внутренним подогревом.

Взрывоопасность Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию. Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова что может приводить к тяжким последствиям. Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.

Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих энергию для саморазогрева, кислород и горючие газы. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Цель тушения снизить температуру аккумулятора и предотвратить распространение пламени.