Литиево-йонни батерии

от ким Обновено: Юли 9, 2022

Литиево-йонните батерии са презареждаеми батерии, които съдържат литиеви йони. Те се използват във всичко - от мобилни телефони до автомобили. Но как работят?

Литиево-йонните батерии използват процес на интеркалиране за съхраняване на енергия. Този процес включва литиеви йони, движещи се между катода и анода в батерията. Кога зареждане, йоните се движат от анода към катода, а при разреждане се движат в обратна посока.

Но това е само кратък преглед. Нека разгледаме всичко по-подробно.

Какво е литиево-йонна батерия?

Литиево-йонните батерии са навсякъде в наши дни! Те захранват нашите телефони, лаптопи, електрически превозни средства и др. Но какви точно са те? Нека да разгледаме по-отблизо!

Основите

Литиево-йонните батерии се състоят от една или повече клетки, защитна платка и няколко други компонента:

• Електроди: Положително и отрицателно заредените краища на клетката. Прикрепени към токоотводи.
• Анод: Отрицателният електрод.
• Електролит: течност или гел, който провежда електричество.
• Токови колектори: Проводими фолиа на всеки електрод на батерията, които са свързани към клемите на клетката. Тези клеми предават електрически ток между батерията, устройството и източника на енергия, който захранва батерията.
• Разделител: Порест полимерен филм, който разделя електродите, като същевременно позволява обмен на литиеви йони от едната страна към другата.

Как работи

Когато използвате устройство, захранвано от литиево-йонна батерия, литиевите йони се движат в батерията между анода и катода. В същото време във външната верига се движат електрони. Това движение на йони и електрони е това, което създава електрическия ток, който захранва вашето устройство.

Когато батерията се разрежда, анодът освобождава литиеви йони към катода, генерирайки поток от електрони, който помага за захранването на вашето устройство. Когато батерията се зарежда, се случва обратното: литиевите йони се освобождават от катода и се приемат от анода.

Къде можете да ги намерите?

Литиево-йонните батерии са навсякъде в наши дни! Можете да ги намерите в телефони, лаптопи, електрически превозни средства и др. Така че следващия път, когато използвате някое от любимите си устройства, просто не забравяйте, че то се захранва от литиево-йонна батерия!

Очарователната история на литиево-йонната батерия

Ранните опити на НАСА

През 60-те години НАСА вече се опитваше да направи презареждаема литиево-йонна батерия. Те разработиха CuF2/Li батерия, но не се получи съвсем.

М. Пробивът на Стенли Уитингам

През 1974 г. британският химик М. Стенли Уитингам прави пробив, когато използва титанов дисулфид (TiS2) като катоден материал. Имаше слоеста структура, която можеше да поема литиеви йони, без да променя кристалната си структура. Exxon се опита да комерсиализира батерията, но беше твърде скъпа и сложна. Освен това беше податлив на запалване поради наличието на метален литий в клетките.

Godshall, Mizushima и Goodenough

През 1980 г. Ned A. Godshall et al. и Koichi Mizushima и John B. Goodenough замениха TiS2 с литиев кобалтов оксид (LiCoO2 или LCO). Това имаше подобна слоеста структура, но с по-високо напрежение и повече стабилност във въздуха.

Изобретението на Рачид Язами

Същата година Rachid Yazami демонстрира обратимо електрохимично интеркалиране на литий в графит и изобретява литиево-графитен електрод (анод).

Проблемът с запалимостта

Проблемът със запалимостта продължаваше да съществува, така че литиевите метални аноди бяха изоставени. Евентуалното решение беше да се използва интеркалационен анод, подобен на този, използван за катода, който предотвратяваше образуването на метален литий по време на зареждане на батерията.

Дизайнът на Йошино

През 1987 г. Акира Йошино патентова това, което ще стане първата търговска литиево-йонна батерия, използваща анод от „мек въглен“ (подобен на въглен материал) заедно с LCO катода на Goodenough и електролит на основата на карбонатен естер.

Комерсиализацията на Sony

През 1991 г. Sony започва да произвежда и продава първите в света акумулаторни литиево-йонни батерии, използвайки дизайна на Йошино.

Нобелова награда

През 2012 г. John B. Goodenough, Rachid Yazami и Akira Yoshino получиха 2012 IEEE медал за екологични и безопасни технологии за разработването на литиево-йонна батерия. След това през 2019 г. Goodenough, Whittingham и Yoshino бяха удостоени с Нобелова награда за химия за същото нещо.

Глобалният производствен капацитет

През 2010 г. глобалният производствен капацитет на литиево-йонни батерии беше 20 гигаватчаса. До 2016 г. той е нараснал до 28 GWh, като 16.4 GWh са в Китай. През 2020 г. глобалният производствен капацитет е 767 GWh, като Китай представлява 75%. През 2021 г. се очаква да бъде между 200 и 600 GWh, а прогнозите за 2023 г. варират от 400 до 1,100 GWh.

Науката зад 18650 литиево-йонни клетки

Какво е клетка 18650?

Ако някога сте чували за батерия за лаптоп или електрическо превозно средство, вероятно сте чували за клетка 18650. Този тип литиево-йонна клетка е с цилиндрична форма и се използва в различни приложения.

Какво има вътре в клетка 18650?

Клетката 18650 се състои от няколко компонента, всички от които работят заедно, за да захранват вашето устройство:

• Отрицателният електрод обикновено е направен от графит, форма на въглерод.
• Положителният електрод обикновено е направен от метален оксид.
• Електролитът е литиева сол в органичен разтворител.
• Разделител предпазва анода и катода от късо съединение.
• Токоприемникът е парче метал, което разделя външната електроника от анода и катода.

Какво прави клетка 18650?

Клетка 18650 отговаря за захранването на вашето устройство. Той прави това чрез създаване на химическа реакция между анода и катода, която произвежда електрони, които преминават през външната верига. Електролитът спомага за улесняването на тази реакция, докато токоприемникът гарантира, че електроните нямат късо съединение.

Бъдещето на 18650 клетки

Търсенето на батерии непрекъснато нараства, така че изследователите непрекъснато търсят начини за подобряване на енергийната плътност, работната температура, безопасността, издръжливостта, времето за зареждане и цената на 18650 клетки. Това включва експериментиране с нови материали, като графен, и изследване на алтернативни електродни структури.

Така че следващия път, когато използвате своя лаптоп или електрическо превозно средство, отделете малко време, за да оцените науката зад клетката 18650!

Видове литиево-йонни клетки

Малък цилиндричен

Това са най-често срещаният тип литиево-йонни клетки и се намират в повечето електрически велосипеди и батерии за електрически превозни средства. Предлагат се в различни стандартни размери и имат солидно тяло без никакви клеми.

Голям цилиндричен

Тези литиево-йонни клетки са по-големи от малките цилиндрични и имат големи клеми с резба.

Плосък или торбичка

Това са меките, плоски клетки, които ще намерите в мобилни телефони и по-нови лаптопи. Те са известни също като литиево-йонни полимерни батерии.

Твърд пластмасов калъф

Тези клетки се доставят с големи клеми с резба и обикновено се използват в тягови пакети за електрически превозни средства.

Желито руло

Цилиндричните клетки се изработват по характерния начин на „швейцарско руло“, което в САЩ е известно още като „желирано руло“. Това означава, че това е единичен дълъг „сандвич“ от положителен електрод, сепаратор, отрицателен електрод и сепаратор, навити в една макара. Желираните рула имат предимството да се произвеждат по-бързо от клетките с подредени електроди.

Пауч клетки

Пауч клетките имат най-високата гравиметрична енергийна плътност, но те се нуждаят от външни средства за задържане, за да предотвратят разширяването, когато нивото им на заряд (SOC) е високо.

Поточни батерии

Проточните батерии са сравнително нов тип литиево-йонна батерия, която суспендира катодния или анодния материал във воден или органичен разтвор.

Най-малката литиево-йонна клетка

През 2014 г. Panasonic създаде най-малката литиево-йонна клетка. Има форма на карфица с диаметър 3.5 mm и тегло 0.6 g. Подобно е на обикновените литиеви батерии и обикновено се обозначава с префикс „LiR“.

Батерии

Батерийните пакети са съставени от множество свързани литиево-йонни клетки и се използват за захранване на по-големи устройства, като електрически автомобили. Те съдържат температурни сензори, вериги за регулиране на напрежението, кранове за напрежение и монитори за състоянието на заряда, за да се сведат до минимум рисковете за безопасността.

За какво се използват литиево-йонните батерии?

Потребителска електроника

Литиево-йонните батерии са основният източник на енергия за всички ваши любими джаджи. От вашия надежден мобилен телефон до вашия лаптоп, цифрово стаяи електрически цигари, тези батерии поддържат вашата техника работеща.

Електрически инструменти

Ако сте DIYer, знаете, че литиево-йонните батерии са правилният начин. Акумулаторни бормашини, шлайфмашини, триони и дори градинско оборудване като ножици и ножици за жив плет разчитат на тези батерии.

Електрически превозни средства

Електрическите автомобили, хибридните превозни средства, електрическите мотоциклети и скутери, електрическите велосипеди, личните транспортьори и усъвършенстваните електрически инвалидни колички използват литиево-йонни батерии, за да се придвижват. И да не забравяме за радиоуправляеми модели, авиомодели и дори роувъра Mars Curiosity!

Телекомуникации

Литиево-йонните батерии се използват и като резервно захранване в телекомуникационни приложения. Плюс това, те се обсъждат като потенциален вариант за мрежово съхранение на енергия, въпреки че все още не са съвсем конкурентни по отношение на разходите.

Какво трябва да знаете за производителността на литиево-йонната батерия

Плътност на енергията

Когато става дума за литиево-йонни батерии, вие гледате на сериозна енергийна плътност! Говорим за 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) и 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). Това е достатъчно мощност, за да освети малък град!

Волтаж

Литиево-йонните батерии имат по-високо напрежение на отворена верига от други видове батерии, като оловно-киселинни, никел-метал хидридни и никел-кадмиеви.

Вътрешно съпротивление

Вътрешното съпротивление се увеличава както с цикъла, така и с възрастта, но това зависи от напрежението и температурата, при които се съхраняват батериите. Това означава, че напрежението на клемите пада при натоварване, намалявайки максималното потребление на ток.

Време за зареждане

Отминаха дните, когато зареждането на литиево-йонните батерии отнемаше два часа или повече. В наши дни можете да получите пълно зареждане за 45 минути или по-малко! През 2015 г. изследователите дори демонстрираха батерия с капацитет от 600 mAh, заредена до 68 процента капацитет за две минути, и батерия от 3,000 mAh, заредена до 48 процента капацитет за пет минути.

Намаляване на разходите

Литиево-йонните батерии са изминали дълъг път от 1991 г. насам. Цените са спаднали с 97%, а енергийната плътност се е увеличила повече от три пъти. Клетки с различни размери и една и съща химия също могат да имат различни енергийни плътности, така че можете да получите повече печалба за парите си.

Каква е сделката с живота на литиево-йонната батерия?

Основите

Когато става дума за литиево-йонни батерии, продължителността на живота обикновено се измерва по отношение на броя на циклите на пълно зареждане-разреждане, необходими за достигане на определен праг. Този праг обикновено се определя като загуба на капацитет или повишаване на импеданса. Производителите обикновено използват термина „цикличен живот“, за да опишат продължителността на живота на батерията по отношение на броя цикли, необходими за достигане на 80% от нейния номинален капацитет.

Съхраняването на литиево-йонни батерии в заредено състояние също намалява техния капацитет и увеличава устойчивостта на клетката. Това се дължи главно на непрекъснатото нарастване на повърхността на твърдия електролит върху анода. Целият жизнен цикъл на батерията, включително цикъла и неактивните операции за съхранение, се нарича календарен живот.

Фактори, влияещи върху живота на батерията

Животът на батерията се влияе от няколко фактора, като например:

• температура
• Ток на разтоварване
• Заряден ток
• Диапазони на състоянието на заряд (дълбочина на разреждане)

В приложения от реалния свят, като смартфони, лаптопи и електрически автомобили, батериите не винаги са напълно заредени и разредени. Ето защо определянето на живота на батерията от гледна точка на пълни цикли на разреждане може да бъде подвеждащо. За да избегнат това объркване, изследователите понякога използват кумулативен разряд, който е общото количество заряд (Ah), доставен от батерията през целия й живот или еквивалентни пълни цикли.

Деградация на батерията

Батериите се разграждат постепенно през целия си живот, което води до намален капацитет и в някои случаи до по-ниско работно напрежение на клетките. Това се дължи на различни химични и механични промени в електродите. Разграждането е силно зависимо от температурата и високите нива на заряд също ускоряват загубата на капацитет.

Някои от най-честите процеси на разграждане включват:

• Намаляване на органичния карбонатен електролит на анода, което води до нарастване на интерфейса на твърдия електролит (SEI). Това води до увеличаване на омичния импеданс и намаляване на цикличния Ah заряд.

• Литиево метално покритие, което също води до загуба на литиеви запаси (цикличен Ah заряд) и вътрешно късо съединение.

• Загуба на (отрицателни или положителни) електроактивни материали поради разтваряне, напукване, ексфолиране, отделяне или дори редовна промяна на обема по време на цикъл. Това се проявява като заряд и мощност избледняват (повишено съпротивление).

• Корозия/разтваряне на отрицателния меден колектор на ток при ниски напрежения на клетката.

• Разграждане на PVDF свързващото вещество, което може да причини отделяне на електроактивните материали.

Така че, ако търсите батерия, която ще издържи, не забравяйте да следите всички фактори, които могат да повлияят на нейния цикъл на живот!

Опасностите от литиево-йонните батерии

Какво представляват литиево-йонните батерии?

Литиево-йонните батерии са силовите центрове на нашия модерен свят. Те се намират във всичко - от смартфони до електрически автомобили. Но като всички мощни неща, те идват с няколко риска.

Какви са рисковете?

Литиево-йонните батерии съдържат запалим електролит и могат да изпаднат под налягане, ако се повредят. Това означава, че ако батерията се зареди твърде бързо, това може да причини късо съединение и да доведе до експлозии и пожари.

Ето някои от начините, по които литиево-йонните батерии могат да станат опасни:

• Термично злоупотреба: Лошо охлаждане или външен пожар
• Електрическа злоупотреба: Презареждане или външно късо съединение
• Механична злоупотреба: Проникване или катастрофа
• Вътрешно късо съединение: производствени дефекти или стареене

Какво може да се направи?

Стандартите за изпитване на литиево-йонни батерии са по-строги от тези за киселинно-електролитни батерии. Ограниченията за доставка също са наложени от регулаторите за безопасност.

В някои случаи компаниите трябваше да изтеглят продукти поради проблеми, свързани с батерията, като изтеглянето на Samsung Galaxy Note 7 през 2016 г.

В ход са изследователски проекти за разработване на незапалими електролити за намаляване на опасността от пожар.

Ако литиево-йонните батерии са повредени, смачкани или подложени на по-голямо електрическо натоварване без защита от презареждане, тогава могат да възникнат проблеми. Късото съединение на батерията може да доведе до нейното прегряване и евентуално запалване.

Долната линия

Литиево-йонните батерии са мощни и са революционизирали нашия свят, но те носят някои рискове. Важно е да сте наясно с тези рискове и да предприемете стъпки за намаляването им.

Въздействието на литиево-йонните батерии върху околната среда

Какво представляват литиево-йонните батерии?

Литиево-йонните батерии са източник на енергия за много от ежедневните ни устройства, от телефони и лаптопи до електрически автомобили. Те са съставени от литий, никел и кобалт и са известни със своята висока енергийна плътност и дълъг живот.

Какви са въздействията върху околната среда?

Производството на литиево-йонни батерии може да има сериозно въздействие върху околната среда, включително:

• Добивът на литий, никел и кобалт може да бъде опасен за водните организми, което води до замърсяване на водата и респираторни проблеми.
• Страничните продукти от добива могат да причинят деградация на екосистемата и увреждане на ландшафта.
• Неустойчиво потребление на вода в сухите райони.
• Огромно генериране на страничен продукт от екстракцията на литий.
• Потенциал за глобално затопляне при производството на литиево-йонни батерии.

Какво можем да направим?

Ние можем да помогнем за намаляване на въздействието върху околната среда на литиево-йонните батерии чрез:

• Рециклиране на литиево-йонни батерии за намаляване на въглеродния отпечатък от производството.
• Повторно използване на батериите вместо рециклирането им.
• Съхранявайте използваните батерии безопасно, за да намалите рисковете.
• Използване на пирометалургични и хидрометалургични методи за разделяне на компонентите на батерията.
• Рафиниране на шлака от процеса на рециклиране за използване в циментовата промишленост.

Въздействието на извличането на литий върху човешките права

Опасности за местните хора

Добивът на суровини за литиево-йонни батерии може да бъде опасен за местното население, особено за коренното население. Кобалтът от Демократична република Конго често се добива с малки предпазни мерки, което води до наранявания и смърт. Замърсяването от тези мини е изложило хората на токсични химикали, които могат да причинят вродени дефекти и затруднения в дишането. Съобщава се също, че в тези мини се използва детски труд.

Липса на безплатно предварително и информирано съгласие

Проучване в Аржентина установи, че държавата може да не е защитила правото на местното население на безплатно предварително и информирано съгласие и че добивните компании контролират достъпа на общността до информация и определят условията за обсъждане на проектите и споделяне на ползите.

Протести и съдебни дела

Разработването на литиевата мина Thacker Pass в Невада беше посрещнато с протести и съдебни дела от няколко местни племена, които твърдят, че не са получили безплатно предварително и информирано съгласие и че проектът застрашава културни и свещени места. Хората също изразиха опасения, че проектът ще създаде рискове за жените от коренното население. Протестиращите окупират мястото от януари 2021 г.

Въздействието на извличането на литий върху човешките права

Опасности за местните хора

Добивът на суровини за литиево-йонни батерии може да бъде истинска беда за местното население, особено за коренното население. Кобалтът от Демократична република Конго често се добива с малки предпазни мерки, което води до наранявания и смърт. Замърсяването от тези мини е изложило хората на токсични химикали, които могат да причинят вродени дефекти и затруднения в дишането. Съобщава се също, че в тези мини се използва детски труд. Ех!

Липса на безплатно предварително и информирано съгласие

Проучване в Аржентина установи, че държавата може да не е дала на коренното население правото на безплатно предварително и информирано съгласие и че добивните компании контролират достъпа на общността до информация и определят условията за обсъждане на проектите и споделяне на ползите. Не е готино.

Протести и съдебни дела

Разработването на литиевата мина Thacker Pass в Невада беше посрещнато с протести и съдебни дела от няколко местни племена, които твърдят, че не са получили безплатно предварително и информирано съгласие и че проектът застрашава културни и свещени места. Хората също изразиха опасения, че проектът ще създаде рискове за жените от коренното население. Протестиращите окупират мястото от януари 2021 г. и не изглежда, че планират да го напуснат скоро.

Разлики

Литиево-йонни батерии срещу Lipo

Когато става дума за Li-ion срещу LiPo батерии, това е битка на титаните. Литиево-йонните батерии са невероятно ефективни, събирайки тон енергия в малка опаковка. Но те могат да бъдат нестабилни и опасни, ако бариерата между положителните и отрицателните електроди бъде нарушена. От друга страна, LiPo батериите са много по-безопасни, тъй като не страдат от същия риск от изгаряне. Те също така не страдат от „ефекта на паметта“, както литиево-йонните батерии, което означава, че могат да се зареждат повече пъти, без да губят капацитета си. Освен това те имат по-дълъг живот от литиево-йонните батерии, така че не е нужно да се притеснявате да ги сменяте толкова често. Така че, ако търсите батерия, която е безопасна, надеждна и дълготрайна, LiPo е правилният начин!

Литиево-йонни батерии срещу оловно-киселинни

Оловно-киселинните батерии са по-евтини от литиево-йонните батерии, но не работят толкова добре. Зареждането на оловно-киселинните батерии може да отнеме до 10 часа, докато литиево-йонните батерии могат да се заредят само за няколко минути. Това е така, защото литиево-йонните батерии могат да приемат по-бърз ток, зареждайки се по-бързо от оловно-киселинните батерии. Така че, ако търсите батерия, която се зарежда бързо и ефективно, литиево-йонната е правилният избор. Но ако имате ограничен бюджет, оловната киселина е по-достъпният вариант.

Често задавани въпроси

Литиево-йонната батерия същата ли е като литиевата?

Не, литиево-йонните и литиевите батерии не са едно и също! Литиевите батерии са първични клетки, което означава, че не могат да се презареждат. И така, след като ги използвате, те са готови. От друга страна, литиево-йонните батерии са вторични клетки, което означава, че могат да се презареждат и използват отново и отново. Освен това литиево-йонните батерии са по-скъпи и отнемат повече време за производство от литиевите батерии. Така че, ако търсите батерия, която може да се презарежда, Li-ion е правилният избор. Но ако искате нещо, което е по-евтино и издържа по-дълго, литият е най-добрият ви залог.

Имате ли нужда от специално зарядно за литиеви батерии?

Не, нямате нужда от специално зарядно за литиеви батерии! С литиеви батерии на iTechworld не е необходимо да надграждате цялата си система за зареждане и да харчите допълнителни пари. Всичко, от което се нуждаете, е вашето съществуващо зарядно устройство с оловна киселина и сте готови. Нашите литиеви батерии имат специална система за управление на батерията (BMS), която гарантира, че вашата батерия се зарежда правилно със съществуващото зарядно устройство.
Единственото зарядно устройство, което не препоръчваме да използвате, е предназначено за калциеви батерии. Това е така, защото входното напрежение обикновено е по-високо от това, което се препоръчва за литиеви батерии с дълбок цикъл. Но не се притеснявайте, ако случайно използвате калциево зарядно устройство, BMS ще открие високото напрежение и ще премине в безопасен режим, предпазвайки батерията ви от всякакви повреди. Така че не разваляй банката, купувайки специално зарядно устройство – просто използвай съществуващото и ще си готов!

Колко дълъг е животът на литиево-йонна батерия?

Литиево-йонните батерии са силата зад вашите ежедневни джаджи. Но колко дълго издържат? Е, средната литиево-йонна батерия трябва да издържи между 300 и 500 цикъла на зареждане/разреждане. Това е като да зареждате телефона си веднъж на ден в продължение на повече от година! Освен това не е нужно да се тревожите за проблеми с паметта, както преди. Просто дръжте батерията си заредена и охладена и ще сте готови. Така че, ако се грижите добре за нея, вашата литиево-йонна батерия трябва да ви издържи дълго време.

Какъв е основният недостатък на литиево-йонната батерия?

Основният недостатък на литиево-йонните батерии е тяхната цена. Те са с около 40% по-скъпи от Ni-Cd, така че ако имате ограничен бюджет, може да потърсите другаде. Освен това те са склонни към стареене, което означава, че могат да загубят капацитет и да се провалят след няколко години. Никой няма време за това! Така че, ако ще инвестирате в литиево-йонни, не забравяйте да направите своето проучване и да получите най-доброто за парите си.

Заключение

В заключение, литиево-йонните батерии са революционна технология, която захранва нашите ежедневни устройства, от мобилни телефони до електрически превозни средства. С правилните познания тези батерии могат да се използват безопасно и ефективно, така че не се страхувайте да се гмурнете и да изследвате света на литиево-йонните батерии!

Здравейте, аз съм Ким, майка и ентусиаст на stop-motion с опит в създаването на медии и уеб разработката. Имам огромна страст към рисуването и анимацията и сега се гмуркам с главата напред в света на стоп-кадъра. С моя блог споделям наученото с вас, момчета.