Литий-ионные аккумуляторы

Ким Обновлено: Июль 9, 2022

Литий-ионные аккумуляторы — это перезаряжаемые батареи, содержащие ионы лития. Они используются во всем, от сотовых телефонов до автомобилей. Но как они работают?

В литий-ионных батареях для хранения энергии используется процесс интеркаляции. В этом процессе участвуют ионы лития, перемещающиеся между катодом и анодом внутри батареи. Когда зарядка, ионы движутся от анода к катоду, а при разряде движутся в обратном направлении.

Но это только краткий обзор. Давайте рассмотрим все более подробно.

Что такое литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные аккумуляторы сегодня повсюду! Они питают наши телефоны, ноутбуки, электромобили и многое другое. Но что именно они собой представляют? Давайте посмотрим поближе!

Основы

Литий-ионные батареи состоят из одного или нескольких элементов, защитной печатной платы и нескольких других компонентов:

• Электроды: положительно и отрицательно заряженные концы клетки. Крепится к токосъемникам.
• Анод: отрицательный электрод.
• Электролит: жидкость или гель, проводящий электричество.
• Токосъемники: проводящая фольга на каждом электроде батареи, соединенная с клеммами элемента. Эти клеммы передают электрический ток между батареей, устройством и источником энергии, который питает батарею.
• Сепаратор: пористая полимерная пленка, разделяющая электроды и обеспечивающая обмен ионов лития с одной стороны на другую.

Как это работает

Когда вы используете устройство с питанием от литий-ионной батареи, ионы лития перемещаются внутри батареи между анодом и катодом. В то же время электроны движутся во внешней цепи. Это движение ионов и электронов создает электрический ток, питающий ваше устройство.

Когда аккумулятор разряжается, анод выбрасывает ионы лития на катод, создавая поток электронов, который помогает питать ваше устройство. Когда аккумулятор заряжается, происходит обратное: ионы лития высвобождаются катодом и принимаются анодом.

Где их найти?

Литий-ионные аккумуляторы сегодня повсюду! Вы можете найти их в телефонах, ноутбуках, электромобилях и многом другом. Поэтому в следующий раз, когда вы будете использовать одно из ваших любимых устройств, просто помните, что оно питается от литий-ионного аккумулятора!

Увлекательная история литий-ионной батареи

Ранние попытки НАСА

Еще в 60-х НАСА уже пыталось создать перезаряжаемую литий-ионную батарею. Они разработали батарею CuF2/Li, но она не совсем сработала.

Прорыв М. Стэнли Уиттингема

В 1974 г. британский химик М. Стэнли Уиттингем совершил прорыв, применив дисульфид титана (TiS2) в качестве катодного материала. Он имел слоистую структуру, которая могла принимать ионы лития без изменения своей кристаллической структуры. Exxon пыталась коммерциализировать батарею, но она была слишком дорогой и сложной. Кроме того, он был склонен к возгоранию из-за наличия в элементах металлического лития.

Годшалл, Мидзусима и Гуденаф

В 1980 г. Нед А. Годшалл и соавт. а Коити Мидзусима и Джон Б. Гуденаф заменили TiS2 на оксид лития-кобальта (LiCoO2 или LCO). У него была похожая многослойная структура, но с более высоким напряжением и большей стабильностью в воздухе.

Изобретение Рашида Язами

В том же году Рашид Язами продемонстрировал обратимую электрохимическую интеркалацию лития в графит и изобрел литий-графитовый электрод (анод).

Проблема воспламеняемости

Проблема воспламеняемости сохранялась, поэтому от металлических литиевых анодов отказались. Конечным решением было использование интеркаляционного анода, аналогичного тому, который использовался для катода, который предотвращал образование металлического лития во время зарядки аккумулятора.

Дизайн Йошино

В 1987 году Акира Йошино запатентовал то, что впоследствии стало первой коммерческой литий-ионной батареей, использующей анод из «мягкого углерода» (подобного древесному углю материала) вместе с катодом Goodenough LCO и электролитом на основе эфира карбоната.

Коммерциализация Sony

В 1991 году Sony начала производить и продавать первые в мире перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы с использованием конструкции Йошино.

Нобелевская премия

В 2012 году Джон Б. Гуденаф, Рашид Язами и Акира Йошино получили медаль IEEE 2012 года за технологии защиты окружающей среды и безопасности за разработку литий-ионной батареи. Затем, в 2019 году, Гуденаф, Уиттингем и Йошино были удостоены Нобелевской премии по химии за то же самое.

Глобальная производственная мощность

В 2010 году мировая производственная мощность литий-ионных аккумуляторов составляла 20 гигаватт-часов. К 2016 году он вырос до 28 ГВтч, из них 16.4 ГВтч в Китае. В 2020 году мировая производственная мощность составила 767 ГВтч, из которых 75% пришлось на Китай. По оценкам, в 2021 году она составит от 200 до 600 ГВтч, а прогнозы на 2023 год — от 400 до 1,100 ГВтч.

Наука, стоящая за литий-ионными элементами 18650

Что такое ячейка 18650?

Если вы когда-либо слышали об аккумуляторе для ноутбука или электромобиле, скорее всего, вы слышали о ячейке 18650. Этот тип литий-ионного элемента имеет цилиндрическую форму и используется в различных приложениях.

Что внутри ячейки 18650?

Ячейка 18650 состоит из нескольких компонентов, которые вместе обеспечивают питание вашего устройства:

• Отрицательный электрод обычно изготавливается из графита, разновидности углерода.
• Положительный электрод обычно изготавливается из оксида металла.
• Электролит представляет собой соль лития в органическом растворителе.
• Сепаратор предотвращает короткое замыкание анода и катода.
• Токосъемник — это кусок металла, который отделяет внешнюю электронику от анода и катода.

Что делает ячейка 18650?

Ячейка 18650 отвечает за питание вашего устройства. Он делает это, создавая химическую реакцию между анодом и катодом, в результате которой образуются электроны, проходящие через внешнюю цепь. Электролит помогает облегчить эту реакцию, а токосъемник предотвращает короткое замыкание электронов.

Будущее ячеек 18650

Спрос на аккумуляторы постоянно растет, поэтому исследователи постоянно ищут способы улучшить плотность энергии, рабочую температуру, безопасность, долговечность, время зарядки и стоимость элементов 18650. Это включает в себя эксперименты с новыми материалами, такими как графен, и изучение альтернативных конструкций электродов.

Итак, в следующий раз, когда вы будете использовать свой ноутбук или электромобиль, найдите время, чтобы оценить науку, стоящую за ячейкой 18650!

Типы литий-ионных элементов

Маленький цилиндрический

Это наиболее распространенный тип литий-ионных элементов, и они используются в большинстве аккумуляторов для электровелосипедов и электромобилей. Они бывают разных типоразмеров и имеют прочный корпус без каких-либо клемм.

Большой цилиндрический

Эти литий-ионные элементы больше маленьких цилиндрических и имеют большие резьбовые клеммы.

Квартира или сумка

Это мягкие плоские ячейки, которые вы найдете в сотовых телефонах и новых ноутбуках. Они также известны как литий-ионные полимерные батареи.

Жесткий пластиковый корпус

Эти элементы поставляются с большими резьбовыми клеммами и обычно используются в тяговых блоках электромобилей.

Желе-ролл

Цилиндрические ячейки выполнены в характерной манере «швейцарского рулета», которая также известна в США как «желейный рулет». Это означает, что это единый длинный «бутерброд» из положительного электрода, сепаратора, отрицательного электрода и сепаратора, свернутый в одну катушку. Преимущество рулонов с желе заключается в том, что они производятся быстрее, чем ячейки со штабелированными электродами.

Ячейки мешочка

Ячейки мешочка имеют самую высокую гравиметрическую плотность энергии, но им нужны внешние средства сдерживания, чтобы предотвратить расширение, когда их уровень заряда (SOC) высок.

Расходные батареи

Проточные батареи представляют собой относительно новый тип литий-ионных аккумуляторов, в которых материал катода или анода подвешен в водном или органическом растворе.

Самый маленький литий-ионный аккумулятор

В 2014 году Panasonic создала самый маленький литий-ионный аккумулятор. Он имеет форму булавки, диаметр 3.5 мм и вес 0.6 г. Он похож на обычные литиевые батареи и обычно обозначается префиксом «LiR».

пакеты для батарей

Аккумуляторы состоят из нескольких соединенных литий-ионных элементов и используются для питания более крупных устройств, таких как электромобили. Они содержат датчики температуры, цепи регулятора напряжения, отводы напряжения и мониторы состояния заряда, чтобы свести к минимуму риски для безопасности.

Для чего используются литий-ионные батареи?

Бытовая электроника

Литий-ионные аккумуляторы — это источник питания для всех ваших любимых гаджетов. От вашего надежного мобильного телефона до вашего ноутбука, цифрового камера, и электрические сигареты, эти батареи обеспечивают работу вашей техники.

Электроинструмент

Если вы занимаетесь домашними делами, вы знаете, что литий-ионные аккумуляторы — это то, что вам нужно. Аккумуляторные дрели, шлифовальные машины, пилы и даже садовая техника, такая как ножницы для обрезки и кусторезы, зависят от этих аккумуляторов.

Электрические транспортные средства

Электромобили, гибридные автомобили, электрические мотоциклы и скутеры, электрические велосипеды, личные транспортеры и усовершенствованные электрические инвалидные коляски — все они используют для передвижения литий-ионные батареи. И давайте не будем забывать о радиоуправляемых моделях, авиамоделях и даже марсоходе Curiosity!

Телекоммуникации

Литий-ионные батареи также используются в качестве резервного источника питания в телекоммуникационных приложениях. Кроме того, они обсуждаются как потенциальный вариант для хранения энергии в сети, хотя они еще не совсем конкурентоспособны по стоимости.

Что нужно знать о производительности литий-ионных аккумуляторов

Плотность энергии

Когда дело доходит до литий-ионных аккумуляторов, вы имеете дело с серьезной плотностью энергии! Речь идет о 100–250 Вт·ч/кг (360–900 кДж/кг) и 250–680 Вт·ч/л (900–2230 Дж/см3). Этой мощности достаточно, чтобы осветить небольшой город!

напряжение

Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокое напряжение холостого хода, чем другие типы аккумуляторов, такие как свинцово-кислотные, никель-металлогидридные и никель-кадмиевые.

внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление увеличивается как с циклами, так и с возрастом, но это зависит от напряжения и температуры, при которых хранятся батареи. Это означает, что напряжение на клеммах падает под нагрузкой, уменьшая максимальное потребление тока.

Время зарядки

Прошли те времена, когда для зарядки литий-ионных аккумуляторов требовалось два часа и более. В настоящее время вы можете получить полную зарядку за 45 минут или меньше! В 2015 году исследователи даже продемонстрировали, что батарея емкостью 600 мАч заряжается до 68 процентов емкости за две минуты, а батарея емкостью 3,000 мАч заряжается до 48 процентов емкости за пять минут.

Снижение цены

С 1991 года литий-ионные аккумуляторы прошли долгий путь. Цены упали на 97%, а плотность энергии увеличилась более чем в три раза. Клетки разного размера с одинаковым химическим составом также могут иметь разную плотность энергии, поэтому вы можете получить больше отдачи от затраченных средств.

Как обстоят дела со сроком службы литий-ионных аккумуляторов?

Основы

Когда дело доходит до литий-ионных аккумуляторов, срок службы обычно измеряется количеством полных циклов зарядки-разрядки, необходимых для достижения определенного порога. Этот порог обычно определяется как потеря емкости или повышение импеданса. Производители обычно используют термин «жизненный цикл» для описания срока службы батареи с точки зрения количества циклов, необходимых для достижения 80% ее номинальной емкости.

Хранение литий-ионных аккумуляторов в заряженном состоянии также снижает их емкость и увеличивает сопротивление элемента. Это происходит в основном из-за непрерывного роста границы твердого электролита на аноде. Весь жизненный цикл батареи, включая как цикл, так и неактивные операции хранения, называется календарным сроком службы.

Факторы, влияющие на срок службы батареи

Срок службы батареи зависит от нескольких факторов, таких как:

• Температура
• разрядный ток
• ток заряда
• Диапазоны состояния заряда (глубина разряда)

В реальных приложениях, таких как смартфоны, ноутбуки и электромобили, аккумуляторы не всегда полностью заряжены и разряжены. Вот почему определение срока службы батареи с точки зрения полных циклов разрядки может ввести в заблуждение. Чтобы избежать этой путаницы, исследователи иногда используют кумулятивный разряд, который представляет собой общее количество заряда (Ач), отдаваемое аккумулятором в течение всего срока его службы или эквивалентных полных циклов.

Деградация батареи

Аккумуляторы постепенно деградируют в течение срока службы, что приводит к снижению емкости и, в некоторых случаях, к снижению рабочего напряжения элемента. Это связано с различными химическими и механическими изменениями в электродах. Деградация сильно зависит от температуры, а высокие уровни заряда также ускоряют потерю емкости.

Некоторые из наиболее распространенных процессов деградации включают в себя:

• Восстановление органического карбонатного электролита на аноде, что приводит к росту границы твердого электролита (SEI). Это приводит к увеличению омического сопротивления и уменьшению циклируемого заряда в ампер-часах.

• Литий-металлическое покрытие, которое также приводит к потере литиевого запаса (перезаряжаемый заряд А·ч) и внутреннему короткому замыканию.

• Потеря (отрицательных или положительных) электроактивных материалов из-за растворения, растрескивания, расслоения, отслоения или даже регулярного изменения объема во время циклирования. Это проявляется как исчезновение заряда и мощности (повышенное сопротивление).

• Коррозия/растворение отрицательного медного токосъемника при низком напряжении элемента.

• Деструкция связующего ПВДФ, что может вызвать отслоение электроактивных материалов.

Итак, если вы ищете долговечную батарею, обязательно следите за всеми факторами, которые могут повлиять на ее срок службы!

Опасности литий-ионных аккумуляторов

Что такое литий-ионные батареи?

Литий-ионные аккумуляторы — электростанция нашего современного мира. Их можно найти во всем, от смартфонов до электромобилей. Но, как и все мощные вещи, они сопряжены с некоторыми рисками.

Каковы риски?

Литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющийся электролит и при повреждении могут оказаться под давлением. Это означает, что если аккумулятор заряжается слишком быстро, это может вызвать короткое замыкание и привести к взрывам и пожарам.

Вот некоторые из способов, которыми литий-ионные батареи могут стать опасными:

• Тепловое воздействие: плохое охлаждение или внешний огонь
• Неправильное обращение с электричеством: перезарядка или внешнее короткое замыкание
• Механическое насилие: проникновение или авария
• Внутреннее короткое замыкание: производственные дефекты или старение

Что можно сделать?

Стандарты испытаний для литий-ионных аккумуляторов более строгие, чем для кислотно-электролитных аккумуляторов. Ограничения по доставке также были введены регуляторами безопасности.

В некоторых случаях компаниям приходилось отзывать продукты из-за проблем с аккумулятором, например, отзыв Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году.

Ведутся исследовательские проекты по разработке негорючих электролитов для снижения пожароопасности.

Если литий-ионные аккумуляторы повреждены, раздавлены или подвергнуты более высокой электрической нагрузке без защиты от перезаряда, могут возникнуть проблемы. Короткое замыкание аккумулятора может привести к его перегреву и возгоранию.

Выводы

Литий-ионные батареи мощные и произвели революцию в нашем мире, но они сопряжены с некоторыми рисками. Важно знать об этих рисках и принимать меры для их снижения.

Воздействие литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду

Что такое литий-ионные батареи?

Литий-ионные аккумуляторы являются источником питания для многих наших повседневных устройств, от телефонов и ноутбуков до электромобилей. Они состоят из лития, никеля и кобальта и известны своей высокой плотностью энергии и долгим сроком службы.

Каковы воздействия на окружающую среду?

Производство литий-ионных аккумуляторов может иметь серьезные последствия для окружающей среды, в том числе:

• Извлечение лития, никеля и кобальта может быть опасным для водных организмов, приводя к загрязнению воды и проблемам с дыханием.
• Побочные продукты добычи полезных ископаемых могут вызвать деградацию экосистемы и ущерб ландшафту.
• Неустойчивое потребление воды в засушливых регионах.
• Массовое образование побочных продуктов при экстракции лития.
• Потенциал глобального потепления производства литий-ионных аккумуляторов.

Что мы можем сделать?

Мы можем помочь уменьшить воздействие литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду следующим образом:

• Переработка литий-ионных аккумуляторов для уменьшения углеродного следа производства.
• Повторное использование батарей вместо их переработки.
• Безопасное хранение использованных батарей для снижения рисков.
• Использование пирометаллургических и гидрометаллургических методов для разделения компонентов батареи.
• Шлак рафинирования от процесса рециркуляции для использования в цементной промышленности.

Влияние добычи лития на права человека

Опасности для местных жителей

Добыча сырья для литий-ионных аккумуляторов может быть опасна для местного населения, особенно для коренного населения. Кобальт из Демократической Республики Конго часто добывают с минимальными мерами предосторожности, что приводит к травмам и смертельным исходам. Загрязнение от этих шахт подвергает людей воздействию токсичных химических веществ, которые могут вызывать врожденные дефекты и проблемы с дыханием. Сообщалось также, что на этих шахтах используется детский труд.

Отсутствие свободного предварительного и осознанного согласия

Исследование, проведенное в Аргентине, показало, что государство, возможно, не защитило право коренных народов на свободное предварительное и осознанное согласие, и что добывающие компании контролировали доступ населения к информации и устанавливали условия для обсуждения проектов и распределения выгод.

Протесты и судебные процессы

Разработка литиевого рудника Thacker Pass в Неваде была встречена протестами и судебными исками со стороны нескольких коренных племен, которые заявляют, что им не дали добровольного предварительного и осознанного согласия, и что проект угрожает культурным и священным местам. Люди также выразили обеспокоенность тем, что проект создаст риски для женщин из числа коренного населения. Протестующие занимают это место с января 2021 года.

Влияние добычи лития на права человека

Опасности для местных жителей

Добыча сырья для литий-ионных аккумуляторов может стать настоящей проблемой для местного населения, особенно для коренного населения. Кобальт из Демократической Республики Конго часто добывают с минимальными мерами предосторожности, что приводит к травмам и смертельным случаям. Загрязнение от этих шахт подвергает людей воздействию токсичных химических веществ, которые могут вызывать врожденные дефекты и проблемы с дыханием. Сообщалось также, что на этих шахтах используется детский труд. Ой!

Отсутствие свободного предварительного и осознанного согласия

Исследование, проведенное в Аргентине, показало, что государство, возможно, не предоставило коренным народам право на свободное предварительное и осознанное согласие, и что добывающие компании контролировали доступ населения к информации и устанавливали условия для обсуждения проектов и распределения выгод. Не круто.

Протесты и судебные процессы

Разработка литиевого рудника Thacker Pass в Неваде была встречена протестами и судебными исками со стороны нескольких коренных племен, которые заявляют, что им не дали добровольного предварительного и осознанного согласия, и что проект угрожает культурным и священным местам. Люди также выразили обеспокоенность тем, что проект создаст риски для женщин из числа коренного населения. Протестующие занимают это место с января 2021 года, и не похоже, что они планируют уходить в ближайшее время.

Различия

Литий-ионные батареи против Lipo

Когда дело доходит до аккумуляторов Li-ion и LiPo, это битва титанов. Литий-ионные аккумуляторы невероятно эффективны, упаковывая массу энергии в крошечный корпус. Но они могут быть нестабильными и опасными, если барьер между положительным и отрицательным электродами нарушен. С другой стороны, LiPo батареи намного безопаснее, так как они не подвержены такому же риску возгорания. Они также не страдают от «эффекта памяти», как у литий-ионных аккумуляторов, что означает, что их можно перезаряжать больше раз без потери емкости. Кроме того, они имеют более длительный срок службы, чем литий-ионные аккумуляторы, поэтому вам не нужно беспокоиться об их замене так часто. Итак, если вы ищете безопасный, надежный и долговечный аккумулятор, LiPo — это то, что вам нужно!

Литий-ионные батареи против свинцово-кислотных

Свинцово-кислотные батареи дешевле литий-ионных, но они не так эффективны. Для зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов может потребоваться до 10 часов, а для литий-ионных аккумуляторов — всего несколько минут. Это связано с тем, что ионно-литиевые батареи могут потреблять более высокую скорость тока и заряжаться быстрее, чем свинцово-кислотные батареи. Поэтому, если вы ищете аккумулятор, который заряжается быстро и эффективно, ионно-литиевый — это то, что вам нужно. Но если у вас ограниченный бюджет, свинцово-кислотный вариант является более доступным вариантом.

FAQ

Является ли литий-ионный аккумулятор таким же, как литиевый?

Нет, литий-ионные аккумуляторы и литиевые аккумуляторы — это не одно и то же! Литиевые батареи являются первичными элементами, то есть они не подлежат перезарядке. Итак, как только вы их используете, они сделаны. С другой стороны, литий-ионные аккумуляторы являются вторичными элементами, то есть их можно перезаряжать и использовать снова и снова. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы дороже и требуют больше времени для производства, чем литиевые. Итак, если вы ищете аккумулятор, который можно перезаряжать, литий-ионный — это то, что вам нужно. Но если вы хотите что-то более дешевое и долговечное, литий — лучший выбор.

Вам нужно специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов?

Нет, специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов не требуется! С литиевыми батареями iTechworld вам не нужно обновлять всю систему зарядки и тратить дополнительные деньги. Все, что вам нужно, это существующее свинцово-кислотное зарядное устройство, и все готово. Наши литиевые батареи имеют специальную систему управления батареями (BMS), которая обеспечивает правильную зарядку вашей батареи с помощью существующего зарядного устройства.
Единственное зарядное устройство, которое мы не рекомендуем использовать, предназначено для кальциевых аккумуляторов. Это связано с тем, что входное напряжение обычно выше рекомендуемого для литиевых батарей глубокого цикла. Но не волнуйтесь, если вы случайно используете кальциевое зарядное устройство, BMS обнаружит высокое напряжение и перейдет в безопасный режим, защищая аккумулятор от любого повреждения. Так что не экономьте на покупке специального зарядного устройства — просто используйте имеющееся, и все готово!

Каков срок службы литий-ионного аккумулятора?

Литий-ионные аккумуляторы — это источник энергии для ваших повседневных гаджетов. Но как долго они длятся? Что ж, средняя литий-ионная батарея должна работать от 300 до 500 циклов зарядки/разрядки. Это как заряжать телефон раз в день в течение года! Кроме того, вам не нужно беспокоиться о проблемах с памятью, как раньше. Просто держите батарею заряженной и прохладной, и все будет готово. Так что, если вы хорошо о нем позаботитесь, ваш литий-ионный аккумулятор прослужит вам долгое время.

В чем главный недостаток литий-ионных аккумуляторов?

Основным недостатком литий-ионных аккумуляторов является их стоимость. Они примерно на 40% дороже, чем никель-кадмиевые, поэтому, если у вас ограниченный бюджет, вы можете поискать в другом месте. Кроме того, они склонны к старению, а это означает, что они могут потерять емкость и выйти из строя через несколько лет. Ни у кого нет на это времени! Поэтому, если вы собираетесь инвестировать в литий-ионные аккумуляторы, убедитесь, что вы провели исследование и получили максимальную отдачу от затраченных средств.

Заключение

В заключение следует отметить, что литий-ионные аккумуляторы — это революционная технология, которая питает наши повседневные устройства, от мобильных телефонов до электромобилей. При наличии необходимых знаний эти батареи можно использовать безопасно и эффективно, поэтому не бойтесь делать решительный шаг и исследовать мир литий-ионных аккумуляторов!

Привет, я Ким, мама и энтузиаст покадровой анимации с опытом создания медиа и веб-разработки. У меня огромная страсть к рисованию и анимации, и теперь я с головой погружаюсь в мир покадровой анимации. В моем блоге я делюсь своими знаниями с вами, ребята.