Ли-јонске батерије

би ким Ажурирано: Јула КСНУМКС, КСНУМКС

Ли-јонске батерије су пуњиве батерије које садрже литијум јоне. Користе се у свему, од мобилних телефона до аутомобила. Али како они раде?

Ли-јонске батерије користе процес интеркалације за складиштење енергије. Овај процес укључује литијум јоне који се крећу између катоде и аноде унутар батерије. Када пуњење, јони се крећу од аноде до катоде, а при пражњењу крећу се у супротном смеру.

Али то је само кратак преглед. Погледајмо све детаљније.

Шта је литијум-јонска батерија?

Литијум-јонске батерије су свуда ових дана! Они напајају наше телефоне, лаптоп, електрична возила и још много тога. Али шта су они тачно? Хајде да погледамо изблиза!

Основе

Литијум-јонске батерије се састоје од једне или више ћелија, заштитне плоче и неколико других компоненти:

• Електроде: Позитивно и негативно наелектрисани крајеви ћелије. Прикључен на струјне колекторе.
• Анода: Негативна електрода.
• Електролит: Течност или гел који спроводи електричну енергију.
• Колектори струје: Проводне фолије на свакој електроди батерије које су повезане са терминалима ћелије. Ови терминали преносе електричну струју између батерије, уређаја и извора енергије који напаја батерију.
• Сепаратор: Порозни полимерни филм који раздваја електроде истовремено омогућавајући размену литијум јона са једне стране на другу.

Како то функционише

Када користите уређај који се напаја литијум-јонском батеријом, литијум јони се крећу унутар батерије између аноде и катоде. У исто време, електрони се крећу у спољашњем колу. Ово кретање јона и електрона је оно што ствара електричну струју која напаја ваш уређај.

Када се батерија празни, анода ослобађа литијум јоне на катоду, стварајући ток електрона који помаже у напајању вашег уређаја. Када се батерија пуни, дешава се супротно: литијум јоне ослобађа катода и прима их анода.

Где их можете пронаћи?

Литијум-јонске батерије су свуда ових дана! Можете их пронаћи у телефонима, лаптоповима, електричним возилима и још много тога. Дакле, следећи пут када будете користили неки од својих омиљених уређаја, само запамтите да га напаја литијум-јонска батерија!

Фасцинантна историја литијум-јонске батерије

НАСА-ини рани покушаји

Још 60-их година НАСА је већ покушавала да направи пуњиву Ли-јонску батерију. Развили су ЦуФ2/Ли батерију, али није баш ишло.

Пробој М. Стенлија Витингема

Године 1974. британски хемичар М. Станлеи Вхиттингхам направио је пробој када је користио титанијум дисулфид (ТиС2) као катодни материјал. Ово је имало слојевиту структуру која је могла да прими литијумове јоне без промене кристалне структуре. Еккон је покушао да комерцијализује батерију, али је била прескупа и сложена. Осим тога, био је склон да се запали због присуства металног литијума у ​​ћелијама.

Годсхалл, Мизусхима и Гооденоугх

Године 1980. Нед А. Годсхалл ет ал. и Коицхи Мизусхима и Јохн Б. Гооденоугх су заменили ТиС2 са литијум кобалт оксидом (ЛиЦоО2, или ЛЦО). Ово је имало сличну слојевиту структуру, али са већим напоном и већом стабилношћу у ваздуху.

Инвенција Рацхида Иазамија

Исте године, Рацхид Иазами је демонстрирао реверзибилну електрохемијску интеркалацију литијума у ​​графит и изумео литијум графитну електроду (аноду).

Проблем запаљивости

Проблем запаљивости је и даље постојао, па су литијум металне аноде напуштене. Коначно решење је било коришћење интеркалационе аноде, сличне оној коришћеној за катоду, која је спречила стварање метала литијума током пуњења батерије.

Иосхино'с Десигн

Године 1987, Акира Иосхино је патентирао оно што ће постати прва комерцијална Ли-јонска батерија користећи аноду од „меког угљеника“ (материјал налик угљу) заједно са Гооденоугх-овом ЛЦО катодом и електролитом на бази карбонатног естра.

Комерцијализација компаније Сони

Године 1991. Сони је почео да производи и продаје прве пуњиве литијум-јонске батерије на свету користећи Иосхинов дизајн.

Нобелову награду

Године 2012, Џон Б. Гуденаф, Рашид Јазами и Акира Јошино добили су 2012 ИЕЕЕ медаљу за еколошке и безбедносне технологије за развој литијум-јонске батерије. Затим, 2019. године, Гооденоугх, Вхиттингхам и Иосхино су добили Нобелову награду за хемију за исту ствар.

Глобални производни капацитет

У 2010. години, глобални производни капацитет литијум-јонских батерија био је 20 гигават-часова. До 2016. порастао је на 28 ГВх, са 16.4 ГВх у Кини. У 2020. години, глобални производни капацитет је био 767 ГВх, а Кина је чинила 75%. У 2021. години процењује се да ће бити између 200 и 600 ГВх, а предвиђања за 2023. крећу се од 400 до 1,100 ГВх.

Наука иза 18650 литијум-јонских ћелија

Шта је 18650 ћелија?

Ако сте икада чули за батерију за лаптоп или електрично возило, велике су шансе да сте чули за ћелију 18650. Ова врста литијум-јонске ћелије је цилиндричног облика и користи се у разним апликацијама.

Шта је унутар ћелије 18650?

Ћелија 18650 се састоји од неколико компоненти, од којих све раде заједно да напајају ваш уређај:

• Негативна електрода је обично направљена од графита, облика угљеника.
• Позитивна електрода је обично направљена од металног оксида.
• Електролит је литијумова со у органском растварачу.
• Сепаратор спречава кратки спој аноде и катоде.
• Колектор струје је комад метала који одваја спољашњу електронику од аноде и катоде.

Шта ради ћелија 18650?

18650 ћелија је одговорна за напајање вашег уређаја. То ради стварањем хемијске реакције између аноде и катоде, која производи електроне који теку кроз спољашње коло. Електролит помаже да се ова реакција олакша, док колектор струје осигурава да електрони не дођу до кратког споја.

Будућност 18650 ћелија

Потражња за батеријама је све већа, тако да истраживачи стално траже начине да побољшају густину енергије, радну температуру, сигурност, издржљивост, време пуњења и цену 18650 ћелија. Ово укључује експериментисање са новим материјалима, као што је графен, и истраживање алтернативних структура електрода.

Дакле, следећи пут када будете користили свој лаптоп или електрично возило, одвојите тренутак да цените науку која стоји иза 18650 ћелије!

Врсте литијум-јонских ћелија

Смалл Цилиндрицал

Ово су најчешћи тип литијум-јонских ћелија и налазе се у већини е-бицикала и батерија за електрична возила. Долазе у различитим стандардним величинама и имају чврсто тело без икаквих терминала.

Ларге Цилиндрицал

Ове литијум-јонске ћелије су веће од малих цилиндричних и имају велике навојне терминале.

Стан или торбица

Ово су меке, равне ћелије које ћете наћи у мобилним телефонима и новијим лаптоповима. Такође су познате као литијум-јонске полимерне батерије.

Чврсто пластично кућиште

Ове ћелије долазе са великим навојним терминалима и обично се користе у пакетима за вучу електричних возила.

Јелли Ролл

Цилиндричне ћелије су направљене на карактеристични начин „швајцарске ролне“, који је у САД познат и као „желе ролна“. То значи да је то један дугачки „сендвич“ позитивне електроде, сепаратора, негативне електроде и сепаратора умотаног у једну калем. Желе ролне имају предност што се производе брже од ћелија са наслаганим електродама.

Поуцх Целлс

Поуцх ћелије имају највећу гравиметријску густину енергије, али им је потребно спољно средство за задржавање да би се спречило ширење када је њихов ниво напуњености (СОЦ) висок.

Батерије за проток

Проточне батерије су релативно нов тип литијум-јонских батерија које суспендују катодни или анодни материјал у воденом или органском раствору.

Најмања Ли-јонска ћелија

2014. Панасониц је направио најмању Ли-јонску ћелију. У облику је игле, пречника 3.5 мм и тежине 0.6 г. Слично је обичним литијумским батеријама и обично се означава префиксом „ЛиР“.

Батерија

Батерије се састоје од више повезаних литијум-јонских ћелија и користе се за напајање већих уређаја, као што су електрични аутомобили. Они садрже сензоре температуре, кола регулатора напона, славине напона и мониторе стања напуњености како би се минимизирали сигурносни ризици.

За шта се користе литијум-јонске батерије?

Електроника

Литијум-јонске батерије су главни извор напајања за све ваше омиљене гаџете. Од вашег поузданог мобилног телефона до вашег лаптопа, дигитално камера, и електричне цигарете, ове батерије одржавају вашу технику у раду.

Електричне алате

Ако сте ДИИер, знате да су литијум-јонске батерије прави начин. Акумулаторске бушилице, брусилице, тестере, па чак и баштенска опрема као што су маказе и маказе за живу ограду, сви се ослањају на ове батерије.

Елецтриц Вехицлес

Електрични аутомобили, хибридна возила, електрични мотоцикли и скутери, електрични бицикли, лични транспортери и напредна електрична инвалидска колица користе литијум-јонске батерије за кретање. И не заборавимо на радио-контролисане моделе, моделе авиона, па чак и на ровер Марс Цуриосити!

Telekomunikacije

Литијум-јонске батерије се такође користе као резервно напајање у телекомуникацијским апликацијама. Осим тога, о њима се расправља као о потенцијалној опцији за складиштење енергије у мрежи, иако још увек нису сасвим конкурентни.

Шта треба да знате о перформансама литијум-јонске батерије

Густина енергије

Када су у питању литијум-јонске батерије, гледате на озбиљну густину енергије! Говоримо о 100-250 В·х/кг (360-900 кЈ/кг) и 250-680 В·х/Л (900-2230 Ј/цм3). То је довољно снаге да осветли мали град!

Волтажа

Литијум-јонске батерије имају већи напон отвореног кола од других типова батерија, као што су оловно-киселинске, никл-метал-хидридне и никл-кадмијумске.

Унутрашњи отпор

Унутрашњи отпор расте и са бициклизмом и са годинама, али то зависи од напона и температуре на којој се батерије чувају. То значи да напон на терминалима опада под оптерећењем, смањујући максималну потрошњу струје.

Време пуњења

Прошли су дани када је литијум-јонским батеријама требало два сата или више да се пуне. Данас, можете добити потпуно пуњење за 45 минута или мање! 2015. истраживачи су чак демонстрирали батерију капацитета 600 мАх која је напуњена до 68 процената капацитета за два минута и батерија од 3,000 мАх која је напуњена до 48 процената за пет минута.

Смањење трошкова

Литијум-јонске батерије су прешле дуг пут од 1991. Цене су пале за 97%, а густина енергије се више него утростручила. Ћелије различите величине са истом хемијом такође могу имати различите густине енергије, тако да можете добити више новца за свој новац.

Шта је са животним веком литијум-јонске батерије?

Основе

Када је реч о литијум-јонским батеријама, животни век се обично мери бројем циклуса пуњења-пражњења који су потребни да би се достигао одређени праг. Овај праг се обично дефинише као губитак капацитета или пораст импедансе. Произвођачи обично користе термин „животни век” да опишу животни век батерије у смислу броја циклуса који су потребни да достигне 80% свог номиналног капацитета.

Чување литијум-јонских батерија у напуњеном стању такође смањује њихов капацитет и повећава отпор ћелија. Ово је углавном због континуираног раста интерфејса чврстог електролита на аноди. Цео животни циклус батерије, укључујући и циклус и неактивне операције складиштења, назива се календарским животним веком.

Фактори који утичу на животни век батерије

На животни век батерије утиче неколико фактора, као што су:

• Температура
• Струја пражњења
• Напајање струјом
• Опсег стања напуњености (дубина пражњења)

У апликацијама из стварног света, као што су паметни телефони, лаптопови и електрични аутомобили, батерије нису увек потпуно напуњене и испражњене. Због тога дефинисање трајања батерије у смислу циклуса пуног пражњења може бити погрешно. Да би избегли ову забуну, истраживачи понекад користе кумулативно пражњење, што је укупна количина напуњености (Ах) коју батерија испоручује током свог животног века или еквивалентних пуних циклуса.

Деградација батерије

Батерије се постепено деградирају током свог животног века, што доводи до смањеног капацитета и, у неким случајевима, нижег радног напона ћелије. То је због разних хемијских и механичких промена на електродама. Деградација у великој мери зависи од температуре, а високи нивои пуњења такође убрзавају губитак капацитета.

Неки од најчешћих процеса деградације укључују:

• Смањење органског карбонатног електролита на аноди, што резултира порастом интерфејса чврстог електролита (СЕИ). Ово узрокује повећање омске импедансе и смањење цикличног Ах наелектрисања.

• Покривање литијумом металом, што такође доводи до губитка залиха литијума (циклично пуњење Ах) и унутрашњег кратког споја.

• Губитак (негативних или позитивних) електроактивних материјала услед растварања, пуцања, љуштења, одвајања или чак редовне промене запремине током циклуса. Ово се показује као и пуњење и напајање (повећани отпор).

• Корозија/растварање негативног бакарног струјног колектора при ниским напонима ћелије.

• Деградација ПВДФ везива, што може изазвати одвајање електроактивних материјала.

Дакле, ако тражите батерију која ће трајати, водите рачуна о свим факторима који могу утицати на њен животни век!

Опасности литијум-јонских батерија

Шта су литијум-јонске батерије?

Литијум-јонске батерије су електране нашег модерног света. Налазе се у свему, од паметних телефона до електричних аутомобила. Али, као и све моћне ствари, оне долазе са неколико ризика.

Који су ризици?

Литијум-јонске батерије садрже запаљиви електролит и могу бити под притиском ако се оштете. То значи да ако се батерија пребрзо напуни, то може изазвати кратак спој и довести до експлозија и пожара.

Ево неких од начина на које литијум-јонске батерије могу постати опасне:

• Термичка злоупотреба: Лоше хлађење или спољашња ватра
• Злоупотреба електричне енергије: прекомерно пуњење или спољни кратак спој
• Механичко злостављање: Пробијање или судар
• Унутрашњи кратки спој: мане у производњи или старење

Шта може да се уради?

Стандарди за тестирање литијум-јонских батерија су строжи од оних за батерије са киселим електролитом. Ограничења испоруке су такође наметнули безбедносни регулатори.

У неким случајевима, компаније су морале да повуку производе због проблема са батеријом, као што је опозив Самсунг Галаки Ноте 7 2016.

У току су истраживачки пројекти за развој незапаљивих електролита за смањење опасности од пожара.

Ако су литијум-јонске батерије оштећене, згњечене или изложене већем електричном оптерећењу без заштите од препуњавања, онда могу настати проблеми. Кратки спој батерије може довести до њеног прегревања и могућег запаљења.

Резиме

Литијум-јонске батерије су моћне и револуционисале су наш свет, али носе одређене ризике. Важно је да будете свесни ових ризика и да предузмете кораке да их смањите.

Утицај литијум-јонских батерија на животну средину

Шта су литијум-јонске батерије?

Литијум-јонске батерије су извор енергије за многе наше свакодневне уређаје, од телефона и лаптопа до електричних аутомобила. Састоје се од литијума, никла и кобалта и познати су по својој високој густини енергије и дугом веку.

Који су утицаји на животну средину?

Производња литијум-јонских батерија може имати озбиљан утицај на животну средину, укључујући:

• Екстракција литијума, никла и кобалта може бити опасна по водени живот, што доводи до загађења воде и респираторних проблема.
• Нуспродукти рударства могу изазвати деградацију екосистема и оштећење пејзажа.
• Неодржива потрошња воде у сушним регионима.
• Огромно стварање нуспроизвода екстракције литијума.
• Потенцијал глобалног загревања производње литијум-јонских батерија.

Шта можемо да урадимо?

Можемо помоћи у смањењу утицаја литијум-јонских батерија на животну средину:

• Рециклирање литијум-јонских батерија како би се смањио угљенични отисак производње.
• Поновна употреба батерија уместо да их рециклирате.
• Безбедно складиштење истрошених батерија ради смањења ризика.
• Користећи пирометалуршке и хидрометалуршке методе за одвајање компоненти батерије.
• Рафинирање шљаке из процеса рециклаже за употребу у индустрији цемента.

Утицај екстракције литијума на људска права

Опасности за локално становништво

Екстракција сировина за литијум-јонске батерије може бити опасна за локално становништво, посебно за староседеоце. Кобалт из Демократске Републике Конго се често копа уз мало безбедносних мера, што доводи до повреда и смрти. Загађење из ових рудника изложило је људе токсичним хемикалијама које могу изазвати урођене мане и тешкоће у дисању. Такође је пријављено да се у овим рудницима користи дечији рад.

Недостатак слободног претходног и информисаног пристанка

Студија у Аргентини показала је да држава можда није заштитила право аутохтоних народа на слободан претходни и информисани пристанак, и да компаније за екстракцију контролишу приступ информацијама заједнице и постављају услове за дискусију о пројектима и поделу користи.

Протести и тужбе

Развој рудника литијума Тхацкер Пасс у Невади наишао је на протесте и тужбе неколико домородачких племена која кажу да им није дат бесплатни претходни и информисани пристанак и да пројекат угрожава културна и света места. Људи су такође изразили забринутост да ће пројекат створити ризик за жене урођеника. Демонстранти су окупирали локацију од јануара 2021.

Утицај екстракције литијума на људска права

Опасности за локално становништво

Екстракција сировина за литијум-јонске батерије може бити права невоља за локално становништво, посебно за староседеоце. Кобалт из Демократске Републике Конго се често копа уз мало безбедносних мера, што доводи до повреда и смрти. Загађење из ових рудника изложило је људе токсичним хемикалијама које могу изазвати урођене мане и тешкоће у дисању. Такође је пријављено да се у овим рудницима користи дечији рад. Јао!

Недостатак слободног претходног и информисаног пристанка

Студија у Аргентини показала је да држава можда није дала аутохтоним народима право на слободан претходни и информисани пристанак и да компаније за екстракцију контролишу приступ информацијама и постављају услове за дискусију о пројектима и подјелу користи. Није кул.

Протести и тужбе

Развој рудника литијума Тхацкер Пасс у Невади наишао је на протесте и тужбе неколико домородачких племена која кажу да им није дат бесплатни претходни и информисани пристанак и да пројекат угрожава културна и света места. Људи су такође изразили забринутост да ће пројекат створити ризик за жене урођеника. Демонстранти су окупирали локацију од јануара 2021. и не изгледа да планирају да ускоро оду.

Разлике

Ли-Ион батерије против Липо

Када су у питању Ли-ион вс ЛиПо батерије, то је битка титана. Ли-јонске батерије су невероватно ефикасне, пакују тону енергије у мало паковање. Али, могу бити нестабилне и опасне ако се пробије баријера између позитивне и негативне електроде. С друге стране, ЛиПо батерије су много безбедније, јер не пате од истог ризика од сагоревања. Такође не пате од „ефекта меморије“ који имају Ли-јонске батерије, што значи да се могу пунити више пута без губитка капацитета. Осим тога, имају дужи век трајања од литијум-јонских батерија, тако да не морате да бринете о њиховој честој замени. Дакле, ако тражите батерију која је сигурна, поуздана и дуготрајна, ЛиПо је прави избор!

Ли-јонске батерије против оловне киселине

Оловне батерије су јефтиније од литијум-јонских батерија, али не раде тако добро. Пуњење оловних батерија може трајати до 10 сати, док се литијум-јонским батеријама може напунити за само неколико минута. То је зато што литијум-јонске батерије могу прихватити већу брзину струје, брже се пуне од оловних батерија. Дакле, ако тражите батерију која се пуни брзо и ефикасно, литијум-јонски је прави избор. Али ако имате буџет, оловна киселина је приступачнија опција.

FAQ

Да ли је литијум-јонска батерија иста као литијумска?

Не, Ли-јонске батерије и литијумске батерије нису исто! Литијумске батерије су примарне ћелије, што значи да се не могу пунити. Дакле, када их једном употребите, они су готови. С друге стране, Ли-јонске батерије су секундарне ћелије, што значи да се могу пунити и користити изнова и изнова. Осим тога, литијум-јонске батерије су скупље и потребно им је више времена за израду од литијумских батерија. Дакле, ако тражите батерију која се може пунити, Ли-ион је прави избор. Али ако желите нешто што је јефтиније и траје дуже, литијум је ваш најбољи избор.

Да ли вам је потребан посебан пуњач за литијумске батерије?

Не, не треба вам посебан пуњач за литијумске батерије! Са иТецхворлд литијумским батеријама, не морате да надоградите цео систем пуњења и потрошите додатни новац. Све што вам треба је ваш постојећи пуњач за оловну киселину и спремни сте. Наше литијумске батерије имају посебан систем за управљање батеријама (БМС) који обезбеђује да се ваша батерија правилно пуни са постојећим пуњачем.
Једини пуњач који не препоручујемо да користите је онај који је дизајниран за калцијумске батерије. То је зато што је улазни напон обично већи од онога што се препоручује за литијумске батерије дубоког циклуса. Али не брините, ако случајно користите пуњач са калцијумом, БМС ће детектовати висок напон и прећи у безбедан режим, штитећи вашу батерију од било каквог оштећења. Дакле, немојте губити банку куповином специјалног пуњача – само користите свој постојећи и бићете спремни!

Колики је животни век литијум-јонске батерије?

Литијум-јонске батерије су снага која стоји иза ваших свакодневних уређаја. Али колико дуго трају? Па, просечна литијум-јонска батерија треба да издржи између 300 и 500 циклуса пуњења/пражњења. То је као да пуните телефон једном дневно више од годину дана! Осим тога, не морате да бринете о проблемима са меморијом као некада. Само држите батерију напуњену и хладну и бићете спремни. Дакле, ако добро водите рачуна о томе, ваша литијум-јонска батерија би требало да вам дуго траје.

Шта је главни недостатак Ли-јонске батерије?

Главни недостатак Ли-ион батерија је њихова цена. Они су око 40% скупљи од Ни-Цд, тако да ако имате буџет, можда бисте желели да потражите негде другде. Осим тога, они су склони старењу, што значи да могу изгубити капацитет и пропасти након неколико година. Нико нема времена за то! Дакле, ако ћете инвестирати у Ли-јон, обавезно истражите и остварите најбољи резултат за свој новац.

Zakljucak

Закључно, Ли-јонске батерије су револуционарна технологија која напаја наше свакодневне уређаје, од мобилних телефона до електричних возила. Уз право знање, ове батерије се могу користити безбедно и ефикасно, тако да се не плашите да се одлучите и истражите свет литијум-јонских батерија!

Здраво, ја сам Ким, мама и заљубљеник у стоп-мотион са искуством у креирању медија и развоју веба. Имам огромну страст за цртање и анимацију, а сада зарањам главом у свет стоп-моутион-а. Са својим блогом, делим своја сазнања са вама.