Ли-јонски батерии

од Ким Ажурирано: Јули 9, 2022

Ли-јонските батерии се батерии за полнење кои содржат литиумски јони. Тие се користат во сè, од мобилни телефони до автомобили. Но, како функционираат тие?

Ли-јонските батерии користат процес на интеркалација за складирање на енергија. Овој процес вклучува јони на литиум кои се движат помеѓу катодата и анодата во внатрешноста на батеријата. Кога полнење, јоните се движат од анодата кон катодата, а при празнењето се движат во спротивна насока.

Но, тоа е само краток преглед. Ајде да погледнеме сè подетално.

Што е литиум-јонска батерија?

Литиум-јонските батерии деновиве се насекаде! Тие ги напојуваат нашите телефони, лап-топ компјутери, електрични возила и многу повеќе. Но, што точно се тие? Ајде да погледнеме подетално!

На основите

Литиум-јонските батерии се составени од една или повеќе ќелии, заштитно коло и неколку други компоненти:

• Електроди: Позитивно и негативно наелектризираните краеви на ќелијата. Прикачен на тековните колектори.
• Анода: Негативната електрода.
• Електролит: Течност или гел што спроведува електрицитет.
• Тековни колектори: Проводни фолии на секоја електрода на батеријата кои се поврзани со терминалите на ќелијата. Овие терминали ја пренесуваат електричната струја помеѓу батеријата, уредот и изворот на енергија што ја напојува батеријата.
• Сепаратор: порозна полимерна фолија која ги одвојува електродите додека овозможува размена на јони на литиум од едната до другата страна.

Како тоа функционира

Кога користите уред кој се напојува со литиум-јонска батерија, јоните на литиум се движат наоколу во батеријата помеѓу анодата и катодата. Во исто време, електроните се движат наоколу во надворешното коло. Ова движење на јони и електрони е она што ја создава електричната струја што го напојува вашиот уред.

Кога батеријата се празне, анодата ослободува литиумски јони во катодата, генерирајќи проток на електрони што помага да се напојува вашиот уред. Кога батеријата се полни, се случува спротивното: јоните на литиум се ослободуваат од катодата и се примаат од анодата.

Каде можете да ги најдете?

Литиум-јонските батерии деновиве се насекаде! Можете да ги најдете во телефони, лаптопи, електрични возила и многу повеќе. Затоа, следниот пат кога ќе користите некој од вашите омилени уреди, само запомнете дека се напојува од литиум-јонска батерија!

Фасцинантната историја на литиум-јонската батерија

Раните обиди на НАСА

Назад во 60-тите, НАСА веќе се обидуваше да направи литиум-јонска батерија што може да се полни. Тие развија батерија CuF2/Li, но не успеа баш.

Пробивот на М. Стенли Витингем

Во 1974 година, британскиот хемичар М. Стенли Витингем направи пробив кога користеше титаниум дисулфид (TiS2) како катоден материјал. Ова имаше слоевит структура што можеше да внесе литиумски јони без да ја промени својата кристална структура. Exxon се обиде да ја комерцијализира батеријата, но таа беше премногу скапа и сложена. Плус, тој беше склон да се запали поради присуството на метален литиум во ќелиите.

Godshall, Mizushima и Goodenough

Во 1980 година, Нед А. Годшал и сор. и Koichi Mizushima и John B. Goodenough го замениле TiS2 со литиум кобалт оксид (LiCoO2, или LCO). Ова имаше слична слоевита структура, но со повисок напон и поголема стабилност во воздухот.

Пронајдокот на Рашид Јазами

Истата година, Рашид Јазами ја демонстрирал реверзибилната електрохемиска интеркалација на литиумот во графитот и ја измислил електродата на литиум графит (анода).

Проблемот на запаливост

Проблемот со запаливост опстојуваше, па анодите од литиум метал беа напуштени. Евентуалното решение беше да се користи интеркалација анода, слична на онаа што се користеше за катодата, која спречи формирање на литиум метал при полнење на батеријата.

Дизајнот на Јошино

Во 1987 година, Акира Јошино ја патентирал она што ќе стане првата комерцијална Li-ion батерија користејќи анода од „мек јаглерод“ (материјал сличен на јаглен) заедно со катодата LCO на Goodenough и електролит базиран на карбонат естер.

Комерцијализација на Sony

Во 1991 година, Sony започна да ги произведува и продава првите во светот литиум-јонски батерии што се полнат користејќи го дизајнот на Јошино.

Нобеловата награда

Во 2012 година, Џон Б. Гуденаф, Рашид Јазами и Акира Јошино го добија медалот IEEE за еколошки и безбедносни технологии за 2012 година за развој на литиум-јонска батерија. Потоа, во 2019 година, Гуденаф, Витингем и Јошино ја добија Нобеловата награда за хемија за истата работа.

Глобалниот производствен капацитет

Во 2010 година, глобалниот производствен капацитет на Li-ion батерии беше 20 гигават-часови. До 2016 година, тој порасна на 28 GWh, со 16.4 GWh во Кина. Во 2020 година, глобалниот производствен капацитет беше 767 GWh, а Кина учествуваше со 75%. Во 2021 година, се проценува дека е помеѓу 200 и 600 GWh, а предвидувањата за 2023 година се движат од 400 до 1,100 GWh.

Науката зад литиум-јонските клетки од 18650 година

Што е ќелија 18650?

Ако некогаш сте слушнале за батерија на лаптоп или електрично возило, веројатно сте слушнале за ќелија од 18650 година. Овој тип на литиум-јонски ќелии има цилиндричен облик и се користи во различни апликации.

Што има внатре во ќелијата 18650?

Ќелијата 18650 е составена од неколку компоненти, од кои сите работат заедно за да го напојуваат вашиот уред:

• Негативната електрода обично е направена од графит, форма на јаглерод.
• Позитивната електрода обично е направена од метален оксид.
• Електролитот е литиумова сол во органски растворувач.
• Сепараторот го спречува скратувањето на анодата и катодата.
• Тековен колектор е парче метал што ја одделува надворешната електроника од анодата и катодата.

Што прави ќелијата 18650?

Ќелија 18650 е одговорна за напојување на вашиот уред. Тоа го прави со создавање хемиска реакција помеѓу анодата и катодата, која произведува електрони кои течат низ надворешното коло. Електролитот помага да се олесни оваа реакција, додека тековниот колектор гарантира дека електроните нема краток спој.

Иднината на ќелиите од 18650 година

Побарувачката за батерии постојано се зголемува, па истражувачите постојано бараат начини да ја подобрат густината на енергијата, работната температура, безбедноста, издржливоста, времето на полнење и цената на 18650 ќелии. Ова вклучува експериментирање со нови материјали, како графен, и истражување на алтернативни структури на електроди.

Значи, следниот пат кога ќе го користите вашиот лаптоп или електрично возило, одвојте момент да ја цените науката зад ќелијата 18650!

Видови литиум-јонски клетки

Мали цилиндрични

Овие се најчестите типови на литиум-јонски ќелии и ги има во повеќето е-велосипеди и батерии за електрични возила. Тие доаѓаат во различни стандардни големини и имаат цврсто тело без никакви терминали.

Голем цилиндричен

Овие литиум-јонски ќелии се поголеми од малите цилиндрични и имаат големи завршетоци со навој.

Рамен или торбичка

Ова се меките, рамни ќелии што ќе ги најдете во мобилните телефони и поновите лаптопи. Тие се исто така познати како литиум-јонски полимерни батерии.

Цврста пластична футрола

Овие ќелии доаѓаат со големи приклучоци со навој и обично се користат во влечните пакувања на електрични возила.

Ролна од желе

Цилиндричните ќелии се направени на карактеристичен начин на „швајцарски ролни“, кој во САД е познат и како „ролна од желе“. Ова значи дека е еден долг „сендвич“ од позитивната електрода, сепараторот, негативната електрода и сепараторот валани во една макара. Ролни од желе имаат предност што се произведуваат побрзо од ќелиите со наредени електроди.

Ќелии од торбичка

Ќелиите во торбичката имаат најголема гравиметриска густина на енергија, но им треба надворешно средство за задржување за да се спречи проширување кога нивното ниво на полнење (SOC) е високо.

Батерии за проток

Проточните батерии се релативно нов тип на литиум-јонска батерија што го суспендира катодниот или анодниот материјал во воден или органски раствор.

Најмалата Li-ion клетка

Во 2014 година, Panasonic ја создаде најмалата Li-ion ќелија. Тој е во облик на игла и има дијаметар од 3.5 mm и тежина од 0.6 g. Слично е на обичните литиумски батерии и обично се означува со префиксот „LiR“.

Пакети за батерии

Батериските пакувања се составени од повеќе поврзани литиум-јонски ќелии и се користат за напојување на поголеми уреди, како што се електричните автомобили. Тие содржат температурни сензори, кола за регулатор на напон, славини за напон и монитори за состојбата на полнење за да се минимизираат безбедносните ризици.

За што се користат литиум-јонските батерии?

Електроника

Литиум-јонските батерии се извор на енергија за сите ваши омилени гаџети. Од вашиот доверлив мобилен телефон до вашиот лаптоп, дигитален камера, и електричните цигари, овие батерии ја одржуваат вашата технологија да работи.

алат

Ако сте сам, знаете дека литиум-јонските батерии се вистинскиот начин. Безжичните дупчалки, брусили, пили, па дури и градинарска опрема, како што се шипки и тримери за жива ограда, се потпираат на овие батерии.

Електрични возила

Електричните автомобили, хибридните возила, електричните мотоцикли и скутери, електричните велосипеди, личните транспортери и напредните електрични инвалидски колички користат литиум-јонски батерии за да се движат наоколу. И да не заборавиме на моделите со радио контролирање, модели на авиони, па дури и на роверот Mars Curiosity!

телекомуникации

Литиум-јонските батерии се користат и како резервна енергија во телекомуникациските апликации. Плус, тие се дискутираат како потенцијална опција за складирање на мрежната енергија, иако сè уште не се прилично конкурентни.

Што треба да знаете за перформансите на литиум-јонската батерија

Енергетска густина

Кога станува збор за литиум-јонски батерии, гледате на сериозна енергетска густина! Зборуваме за 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) и 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). Тоа е доволно моќ да осветли мал град!

Напон

Литиум-јонските батерии имаат повисок напон на отворено коло од другите типови батерии, како што се олово-киселина, никел-метал хидрид и никел-кадмиум.

Внатрешен отпор

Внатрешниот отпор се зголемува и со возењето велосипед и со староста, но тоа зависи од напонот и температурата на која се чуваат батериите. Ова значи дека напонот на терминалите паѓа под оптоварување, намалувајќи ја максималната струја.

Време на полнење

Помина времето кога на литиум-јонските батерии им беа потребни два или повеќе часа за полнење. Во денешно време, можете да добиете целосно полнење за 45 минути или помалку! Во 2015 година, истражувачите дури демонстрираа батерија со капацитет од 600 mAh наполнета до 68 проценти капацитет за две минути и батерија од 3,000 mAh наполнета до 48 проценти капацитет за пет минути.

Намалување на трошоците

Литиум-јонските батерии изминаа долг пат од 1991 година. Цените се намалени за 97%, а густината на енергијата се зголеми за повеќе од три пати. Ќелиите со различна големина со иста хемија, исто така, може да имаат различна густина на енергија, така што можете да добиете повеќе бензин за вашиот долар.

Каква е работата со животниот век на литиум-јонската батерија?

На основите

Кога станува збор за литиум-јонски батерии, животниот век обично се мери во однос на бројот на циклуси на целосно полнење-празнење што се потребни за да се достигне одреден праг. Овој праг обично се дефинира како загуба на капацитет или пораст на импедансата. Производителите обично го користат терминот „век на циклус“ за да го опишат животниот век на батеријата во однос на бројот на циклуси што се потребни за да достигне 80% од нејзиниот номинален капацитет.

Складирањето на литиум-јонските батерии во наполнета состојба исто така го намалува нивниот капацитет и ја зголемува отпорноста на ќелијата. Ова е главно поради континуираниот раст на интерфејсот на цврстиот електролит на анодата. Целиот животен циклус на батеријата, вклучувајќи ги и операциите на циклусот и неактивно складирање, се нарекува календарски век.

Фактори кои влијаат на животниот век на циклусот на батеријата

Животниот век на батеријата е под влијание на неколку фактори, како што се:

• температура
• Потрошувачка струја
• Струја на полнење
• Опсези на состојбата на полнење (длабочина на празнење)

Во апликациите од реалниот свет, како што се паметните телефони, лаптопите и електричните автомобили, батериите не се секогаш целосно наполнети и испразнети. Ова е причината зошто дефинирањето на траењето на батеријата во однос на циклусите на целосно празнење може да биде погрешно. За да се избегне оваа забуна, истражувачите понекогаш користат кумулативно празнење, што е вкупната количина на полнење (Ah) испорачана од батеријата во текот на целиот нејзин животен век или еквивалентни целосни циклуси.

Деградација на батеријата

Батериите постепено се деградираат во текот на нивниот животен век, што доведува до намален капацитет и, во некои случаи, помал напон на работната ќелија. Ова се должи на различни хемиски и механички промени на електродите. Деградацијата е силно зависна од температурата, а високите нивоа на полнење исто така го забрзуваат губењето на капацитетот.

Некои од најчестите процеси на деградација вклучуваат:

• Намалување на органскиот карбонат електролит на анодата, што резултира со раст на цврстиот електролитен интерфејс (SEI). Ова предизвикува зголемување на омската импеданса и намалување на цикличното полнење Ah.

• Позлата со литиум, што исто така доведува до губење на залихите на литиум (циклично полнење Ah) и внатрешен краток спој.

• Губење на (негативни или позитивни) електроактивни материјали поради растворање, пукање, ексфолијација, одлепување или дури и редовна промена на волуменот за време на возењето велосипед. Ова се појавува кога и полнењето и моќноста исчезнуваат (зголемен отпор).

• Корозија/распуштање на негативниот бакарен струен колектор при ниски напони на ќелиите.

• Деградација на врзивото PVDF, што може да предизвика одлепување на електроактивните материјали.

Значи, ако барате батерија што ќе трае, внимавајте на сите фактори кои можат да влијаат на нејзиниот животен век!

Опасностите од литиум-јонските батерии

Што се литиум-јонски батерии?

Литиум-јонските батерии се моќни центри на нашиот модерен свет. Ги има во сè, од паметни телефони до електрични автомобили. Но, како и сите моќни работи, тие доаѓаат со неколку ризици.

Кои се ризиците?

Литиум-јонските батерии содржат запалив електролит и може да се под притисок доколку се оштетат. Ова значи дека ако батеријата се наполни премногу брзо, може да предизвика краток спој и да доведе до експлозии и пожари.

Еве неколку начини на кои литиум-јонските батерии можат да станат опасни:

• Термичка злоупотреба: лошо ладење или надворешен оган
• Злоупотреба на струја: Преполнување или надворешен краток спој
• Механичка злоупотреба: пенетрација или несреќа
• Внатрешен краток спој: Производни недостатоци или стареење

Што може да се направи?

Стандардите за тестирање за литиум-јонски батерии се построги од оние за киселинско-електролитните батерии. Ограничувања за испорака се наметнати и од регулаторите за безбедност.

Во некои случаи, компаниите мораа да ги повлечат производите поради проблеми поврзани со батеријата, како што е отповикувањето на Samsung Galaxy Note 7 во 2016 година.

Во тек се истражувачки проекти за развој на незапаливи електролити за да се намалат опасностите од пожари.

Ако литиум-јонските батерии се оштетени, згмечени или подложени на поголемо електрично оптоварување без заштита од преполнување, тогаш може да настанат проблеми. Краткиот спој на батеријата може да предизвика таа да се прегрее и евентуално да се запали.

Во крајна линија

Литиум-јонските батерии се моќни и го револуционизираа нашиот свет, но тие се со одредени ризици. Важно е да бидете свесни за овие ризици и да преземете чекори за нивно намалување.

Влијанието на литиум-јонските батерии врз животната средина

Што се литиум-јонски батерии?

Литиум-јонските батерии се извор на енергија за многу од нашите секојдневни уреди, од телефони и лаптопи до електрични автомобили. Тие се составени од литиум, никел и кобалт и се познати по нивната висока енергетска густина и долг животен век.

Кои се влијанијата врз животната средина?

Производството на литиум-јонски батерии може да има сериозно влијание врз животната средина, вклучувајќи:

• Екстракцијата на литиум, никел и кобалт може да биде опасно за водниот живот, што доведува до загадување на водата и респираторни проблеми.
• Нуспроизводите од рударството може да предизвикаат деградација на екосистемот и оштетување на пределот.
• Неодржлива потрошувачка на вода во сушните региони.
• Масовно генерирање на нуспроизвод за екстракција на литиум.
• Потенцијал за глобално затоплување на производството на литиум-јонски батерии.

Што можеме да направиме?

Можеме да помогнеме да се намали влијанието на литиум-јонските батерии врз животната средина со:

• Рециклирање на литиум-јонски батерии за намалување на јаглеродниот отпечаток на производството.
• Повторно користење на батериите наместо нивно рециклирање.
• Чувајте ги користените батерии безбедно за да ги намалите ризиците.
• Користење на пирометалуршки и хидрометалуршки методи за одвојување на компонентите на батеријата.
• Рафинирање на згура од процесот на рециклирање за употреба во цементната индустрија.

Влијанието на екстракцијата на литиум врз човековите права

Опасности за локалното население

Извлекувањето суровини за литиум-јонски батерии може да биде опасно за локалното население, особено за домородните луѓе. Кобалтот од Демократска Република Конго често се ископува со мали безбедносни мерки, што доведува до повреди и смртни случаи. Загадувањето од овие рудници ги изложи луѓето на токсични хемикалии кои можат да предизвикаат вродени дефекти и тешкотии со дишењето. Исто така, објавено е дека во овие рудници се користи детски труд.

Недостаток на бесплатна претходна и информирана согласност

Студија во Аргентина покажа дека државата можеби не го заштитила правото на домородните народи на слободна претходна и информирана согласност, и дека компаниите за извлекување го контролираат пристапот на заедницата до информации и ги поставуваат условите за дискусија за проектите и споделување на придобивките.

Протести и тужби

Развојот на рудникот за литиум Такер Пас во Невада беше дочекан со протести и тужби од неколку домородни племиња кои велат дека не им била дадена слободна претходна и информирана согласност и дека проектот ги загрозува културните и светите места. Луѓето, исто така, изразија загриженост дека проектот ќе создаде ризици за домородните жени. Демонстрантите го окупираа местото од јануари 2021 година.

Влијанието на екстракцијата на литиум врз човековите права

Опасности за локалното население

Извлекувањето суровини за литиум-јонски батерии може да биде вистинска штета за локалното население, особено домородните луѓе. Кобалтот од Демократска Република Конго често се ископува со мали безбедносни мерки, што доведува до повреди и смртни случаи. Загадувањето од овие рудници ги изложи луѓето на токсични хемикалии кои можат да предизвикаат вродени дефекти и тешкотии со дишењето. Исто така, објавено е дека во овие рудници се користи детски труд. Дај!

Недостаток на бесплатна претходна и информирана согласност

Студија во Аргентина покажа дека државата можеби не им дала на домородните народи право на слободна претходна и информирана согласност, и дека компаниите за извлекување го контролираат пристапот на заедницата до информациите и ги поставуваат условите за дискусија за проектите и споделување на придобивките. Не е кул.

Протести и тужби

Развојот на рудникот за литиум Такер Пас во Невада беше дочекан со протести и тужби од неколку домородни племиња кои велат дека не им била дадена слободна претходна и информирана согласност и дека проектот ги загрозува културните и светите места. Луѓето, исто така, изразија загриженост дека проектот ќе создаде ризици за домородните жени. Демонстрантите ја окупираа локацијата од јануари 2021 година и се чини дека не планираат да ја напуштат во скоро време.

Разликите

Li-Ion батерии против Lipo

Кога станува збор за Li-ion vs LiPo батериите, тоа е битка на титаните. Ли-јонските батерии се неверојатно ефикасни, собирајќи тон енергија во мало пакување. Но, тие можат да бидат нестабилни и опасни доколку се пробие бариерата помеѓу позитивните и негативните електроди. Од друга страна, LiPo батериите се многу побезбедни, бидејќи не страдаат од истиот ризик од согорување. Тие, исто така, не страдаат од „меморискиот ефект“ што го прават ли-јонските батерии, што значи дека можат да се полнат повеќе пати без губење на нивниот капацитет. Плус, тие имаат подолг животен век од Li-ion батериите, така што не мора да се грижите за нивна толку често замена. Значи, ако барате батерија која е безбедна, сигурна и долготрајна, LiPo е вистинскиот начин!

Li-Ion батерии против оловна киселина

Батериите со оловна киселина се поевтини од литиум-јонските батерии, но тие не работат толку добро. На батериите со оловна киселина може да им требаат до 10 часа за полнење, додека литиум-јонските батерии може да се полнат за само неколку минути. Тоа е затоа што литиум јонските батерии можат да прифатат поголема брзина на струја, побрзо да се полнат од батериите со оловна киселина. Значи, ако барате батерија што се полни брзо и ефикасно, литиум јоните е вистинскиот начин. Но, ако сте со буџет, оловната киселина е поприфатлива опција.

Често поставувани прашања

Дали Li-ion батеријата е иста како литиум?

Не, Li-ion батериите и литиумските батерии не се исти! Литиумските батерии се примарни ќелии, што значи дека не се полнат. Значи, штом ќе ги користите, тие се готови. Од друга страна, литиум-јонските батерии се секундарни ќелии, што значи дека може да се полнат и користат повторно и повторно. Плус, Li-ion батериите се поскапи и им треба подолго време за да се направат од литиумските батерии. Значи, ако барате батерија што може да се наполни, Li-ion е вистинскиот начин. Но, ако сакате нешто што е поевтино и трае подолго, литиумот е вашата најдобра опција.

Дали ви треба специјален полнач за литиумски батерии?

Не, не ви треба посебен полнач за литиумски батерии! Со литиумските батерии iTechworld, не мора да го надградувате целиот систем за полнење и да трошите дополнителни пари. Сè што ви треба е вашиот постоечки полнач за оловна киселина и вие сте подготвени. Нашите литиумски батерии имаат специјален систем за управување со батерии (BMS) кој обезбедува правилно полнење на вашата батерија со вашиот постоечки полнач.
Единствениот полнач што не го препорачуваме да го користите е оној дизајниран за калциумови батерии. Тоа е затоа што влезот на напонот е обично повисок од она што се препорачува за батерии со длабок циклус на литиум. Но, не грижете се, ако случајно користите полнач за калциум, BMS ќе го открие високиот напон и ќе премине во безбеден режим, заштитувајќи ја вашата батерија од какво било оштетување. Затоа, немојте да купувате специјален полнач - само користете го постоечкиот и ќе бидете подготвени!

Колку долго трае литиум-јонската батерија?

Литиум-јонските батерии се моќта зад вашите секојдневни гаџети. Но, колку долго траат? Па, просечната литиум-јонска батерија треба да трае помеѓу 300 и 500 циклуси на полнење/празнење. Тоа е како да го полните телефонот еднаш дневно повеќе од една година! Плус, не треба да се грижите за проблеми со меморијата како порано. Само чувајте ја батеријата наполнета и ладна и ќе бидете подготвени. Значи, ако добро се грижите за тоа, вашата литиум-јонска батерија треба да ви трае долго.

Кој е најголемиот недостаток на Li-ion батеријата?

Главниот недостаток на Li-ion батериите е нивната цена. Тие се околу 40% поскапи од Ni-Cd, па ако сте со буџет, можеби ќе сакате да побарате на друго место. Плус, тие се склони кон стареење, што значи дека може да го изгубат капацитетот и да пропаднат по неколку години. Никој нема време за тоа! Значи, ако сакате да инвестирате во Li-ion, погрижете се да го направите вашето истражување и да го добиете најдоброто за вашиот долар.

Заклучок

Како заклучок, Li-ion батериите се револуционерна технологија која ги напојува нашите секојдневни уреди, од мобилни телефони до електрични возила. Со вистинското знаење, овие батерии може да се користат безбедно и ефикасно, затоа не плашете се да се нафрлите и да го истражувате светот на Li-ion батериите!

Здраво, јас сум Ким, мајка и ентузијаст за стоп-моушн со искуство во креирање медиуми и развој на веб. Имам огромна страст за цртање и анимација, а сега нуркам со глава во светот на стоп-моушн. Со мојот блог, јас го споделувам моето учење со вас момци.