Літій-іонні акумулятори

від kim Оновлено: Липень 9, 2022

Літій-іонні акумулятори – це акумулятори, що містять іони літію. Вони використовуються у всьому, від мобільних телефонів до автомобілів. Але як вони працюють?

Літій-іонні акумулятори використовують процес інтеркаляції для накопичення енергії. Цей процес передбачає рух іонів літію між катодом і анодом всередині батареї. Коли зарядка, іони рухаються від анода до катода, а при розряді — у зворотному напрямку.

Але це лише короткий огляд. Давайте розглянемо все докладніше.

Що таке літій-іонний акумулятор?

Сьогодні літій-іонні батареї повсюди! Вони живлять наші телефони, ноутбуки, електромобілі тощо. Але які вони насправді? Давайте подивимося ближче!

Основи

Літій-іонні акумулятори складаються з одного або кількох елементів, захисної плати та кількох інших компонентів:

• Електроди: позитивно та негативно заряджені кінці клітини. Приєднується до струмоприймачів.
• Анод: негативний електрод.
• Електроліт: рідина або гель, що проводить електрику.
• Струмоприймачі: провідна фольга на кожному електроді батареї, яка з’єднана з клемами елемента. Ці клеми передають електричний струм між акумулятором, пристроєм і джерелом енергії, яке живить акумулятор.
• Сепаратор: пориста полімерна плівка, яка розділяє електроди, забезпечуючи обмін іонами літію з одного боку на інший.

Як це працює?

Коли ви використовуєте пристрій, що живиться від літій-іонної батареї, іони літію рухаються всередині батареї між анодом і катодом. У той же час електрони рухаються по зовнішньому контуру. Цей рух іонів і електронів створює електричний струм, який живить ваш пристрій.

Коли батарея розряджається, анод вивільняє іони літію на катод, створюючи потік електронів, який допомагає живити ваш пристрій. Коли батарея заряджається, відбувається навпаки: іони літію виділяються катодом і приймаються анодом.

Де ви можете їх знайти?

Сьогодні літій-іонні батареї повсюди! Ви можете знайти їх у телефонах, ноутбуках, електромобілях тощо. Тому наступного разу, коли ви будете використовувати один із ваших улюблених пристроїв, просто пам’ятайте, що він працює від літій-іонної батареї!

Захоплююча історія літій-іонної батареї

Ранні спроби NASA

Ще в 60-х роках NASA вже намагалося створити літій-іонну акумуляторну батарею. Вони розробили батарею CuF2/Li, але це не зовсім спрацювало.

М. Прорив Стенлі Віттінгема

У 1974 році британський хімік М. Стенлі Віттінгем зробив прорив, використавши дисульфід титану (TiS2) як матеріал катода. Він мав шарувату структуру, яка могла приймати іони літію без зміни його кристалічної структури. Exxon намагалася комерціалізувати акумулятор, але він був занадто дорогим і складним. Крім того, він був схильний до займання через наявність металевого літію в елементах.

Godshall, Mizushima та Goodenaugh

У 1980 році Ned A. Godshall та ін. а Коічі Мідзусіма та Джон Б. Гуденаф замінили TiS2 літій-кобальт-оксидом (LiCoO2 або LCO). Він мав подібну шарувату структуру, але з вищою напругою та більшою стабільністю на повітрі.

Винахід Рашида Язамі

Того ж року Рачід Язамі продемонстрував оборотну електрохімічну інтеркаляцію літію в графіт і винайшов літієво-графітовий електрод (анод).

Проблема горючості

Проблема займистості залишалася, тому від металевих літієвих анодів відмовилися. Остаточним рішенням було використання інтеркаляційного анода, подібного до того, що використовується для катода, який запобігав утворенню металевого літію під час заряджання акумулятора.

Дизайн Йошино

У 1987 році Акіра Йошіно запатентував те, що стане першою комерційною літій-іонною батарею, в якій використовується анод із «м’якого вугілля» (матеріал, схожий на деревне вугілля), а також LCO-катод Гуденафа та електроліт на основі карбонатного ефіру.

Комерціалізація Sony

У 1991 році Sony почала виробляти та продавати перші в світі літій-іонні батареї, що перезаряджаються, використовуючи дизайн Йошино.

Нобелівська премія

У 2012 році Джон Б. Гуденаф, Рачід Язамі та Акіра Йошіно отримали медаль IEEE 2012 року за екологічні та безпечні технології за розробку літій-іонної батареї. Потім, у 2019 році, Гуденаф, Віттінгем і Йошіно отримали Нобелівську премію з хімії за те саме.

Глобальна виробнича потужність

У 2010 році світова виробнича потужність літій-іонних батарей становила 20 гігават-годин. До 2016 року він зріс до 28 ГВт-год, з 16.4 ГВт-год у Китаї. У 2020 році світова виробнича потужність становила 767 ГВт-год, причому на Китай припадало 75%. У 2021 році він становитиме від 200 до 600 ГВт-год, а прогнози на 2023 рік коливаються від 400 до 1,100 ГВт-год.

Наука, що стоїть за літій-іонними елементами 18650

Що таке клітинка 18650?

Якщо ви коли-небудь чули про батарею для ноутбука чи електромобіль, швидше за все, ви чули про елемент 18650. Цей тип літій-іонних елементів має циліндричну форму і використовується в різних сферах застосування.

Що всередині комірки 18650?

Комірка 18650 складається з кількох компонентів, які працюють разом для живлення вашого пристрою:

• Негативний електрод зазвичай виготовляється з графіту, різновиду вуглецю.
• Позитивний електрод зазвичай виготовляється з оксиду металу.
• Електроліт - сіль літію в органічному розчиннику.
• Сепаратор запобігає замиканню анода і катода.
• Струмоприймач - це шматок металу, який відокремлює зовнішню електроніку від анода та катода.

Що робить клітинка 18650?

Осередок 18650 відповідає за живлення вашого пристрою. Він досягає цього шляхом створення хімічної реакції між анодом і катодом, яка виробляє електрони, які протікають через зовнішнє коло. Електроліт сприяє цій реакції, а струмознімач гарантує, що електрони не замикаються.

Майбутнє 18650 Cell

Попит на батареї постійно зростає, тому дослідники постійно шукають способи покращити щільність енергії, робочу температуру, безпеку, довговічність, час заряджання та вартість елементів 18650. Це включає експерименти з новими матеріалами, такими як графен, і дослідження альтернативних структур електродів.

Отже, наступного разу, коли ви будете використовувати свій ноутбук або електромобіль, знайдіть хвилинку, щоб оцінити науку, що стоїть за клітиною 18650!

Типи літій-іонних елементів

Малий циліндричний

Це найпоширеніший тип літій-іонних елементів, і вони містяться в більшості електровелосипедів і акумуляторів електромобілів. Вони бувають різних стандартних розмірів і мають міцний корпус без будь-яких клем.

Великий циліндричний

Ці літій-іонні елементи більші, ніж маленькі циліндричні, і мають великі різьбові клеми.

Плоский або мішечок

Це м’які плоскі комірки, які ви знайдете в мобільних телефонах і нових ноутбуках. Вони також відомі як літій-іонні полімерні батареї.

Жорсткий пластиковий корпус

Ці елементи постачаються з великими різьбовими клемами і зазвичай використовуються в тягових комплектах електромобілів.

Jelly Roll

Циліндричні комірки виготовляються характерним способом «свіс-рол», який у США також називають «желе-ролом». Це означає, що це один довгий «сендвіч» із позитивного електрода, сепаратора, негативного електрода та сепаратора, згорнутих в одну котушку. Желейні булочки мають перевагу в тому, що виготовляються швидше, ніж клітини з електродами, розташованими стопкою.

Сумкові клітини

Пакетні клітини мають найвищу гравіметричну щільність енергії, але їм потрібні зовнішні засоби утримання, щоб запобігти розширенню, коли рівень їх заряду (SOC) високий.

Проточні акумулятори

Проточні батареї — це відносно новий тип літій-іонних батарей, які суспендують матеріал катода або анода у водному або органічному розчині.

Найменший літій-іонний елемент

У 2014 році Panasonic створила найменшу літій-іонну батарею. Він має форму шпильки, має діаметр 3.5 мм і вагу 0.6 г. Він схожий на звичайні літієві батареї та зазвичай позначається префіксом «LiR».

Акумулятори

Акумуляторні блоки складаються з кількох з’єднаних літій-іонних елементів і використовуються для живлення великих пристроїв, таких як електромобілі. Вони містять датчики температури, схеми регуляторів напруги, відводи напруги та монітори стану заряду, щоб мінімізувати ризики безпеки.

Для чого використовуються літій-іонні акумулятори?

Побутова електроніка

Літій-іонні батареї є основним джерелом живлення для всіх ваших улюблених гаджетів. Від вашого надійного мобільного телефону до вашого ноутбука, цифровий кімнатаі електричні сигарети, ці батареї забезпечують роботу вашої техніки.

Електроінструменти

Якщо ви домашній майстер, то знаєте, що літій-іонні батареї – це ваш шлях. Акумуляторні дрилі, шліфувальні машини, пилки та навіть садове обладнання, як-от кущорізи та ножиці для живої огорожі, все покладається на ці акумулятори.

Електричні транспортні засоби

Електромобілі, гібридні транспортні засоби, електричні мотоцикли та скутери, електричні велосипеди, персональні транспортери та вдосконалені електричні інвалідні візки використовують для пересування літій-іонні батареї. І не забуваймо про радіокеровані моделі, моделі літаків і навіть марсохід Curiosity!

Зв'язок

Літій-іонні батареї також використовуються як резервне живлення в телекомунікаційних програмах. Крім того, вони обговорюються як потенційний варіант для зберігання енергії в мережі, хоча вони ще не зовсім конкурентоспроможні за ціною.

Що вам потрібно знати про продуктивність літій-іонного акумулятора

Щільність енергії

Коли справа доходить до літій-іонних батарей, ви дивитесь на серйозну щільність енергії! Ми говоримо про 100-250 Вт·год/кг (360-900 кДж/кг) і 250-680 Вт·год/л (900-2230 Дж/см3). Цього достатньо, щоб освітлити маленьке місто!

Напруга

Літій-іонні акумулятори мають вищу напругу холостого ходу, ніж інші типи акумуляторів, наприклад свинцево-кислотні, нікель-метал-гідридні та нікель-кадмієві.

Внутрішній опір

Внутрішній опір збільшується як із використанням циклу, так і з віком, але це залежить від напруги та температури, при якій зберігаються батареї. Це означає, що напруга на клемах падає під навантаженням, зменшуючи максимальне споживання струму.

Час зарядки

Пройшли ті часи, коли літій-іонні акумулятори заряджалися від двох годин і більше. Сьогодні ви можете отримати повний заряд за 45 хвилин або менше! У 2015 році дослідники навіть продемонстрували, що акумулятор ємністю 600 мАг заряджається до 68% за дві хвилини, а акумулятор ємністю 3,000 мАг заряджається до 48% за п’ять хвилин.

Зменшення витрат

З 1991 року літій-іонні батареї пройшли довгий шлях. Ціни впали на 97%, а щільність енергії зросла більш ніж утричі. Клітини різного розміру з однаковою хімічною структурою також можуть мати різну щільність енергії, тому ви можете отримати більше віддачі за свої гроші.

Яка угода з терміном служби літій-іонної батареї?

Основи

Що стосується літій-іонних акумуляторів, термін служби зазвичай вимірюється кількістю повних циклів заряду-розряду, необхідних для досягнення певного порогу. Цей поріг зазвичай визначається як втрата ємності або зростання імпедансу. Виробники зазвичай використовують термін «циклічний термін служби» для опису терміну служби батареї в термінах кількості циклів, необхідних для досягнення 80% номінальної ємності.

Зберігання літій-іонних акумуляторів у зарядженому стані також зменшує їх ємність і підвищує опір елементів. Це в основному через безперервне зростання межі розділу твердого електроліту на аноді. Весь життєвий цикл акумулятора, включаючи цикл і неактивні операції зберігання, називається календарним терміном служби.

Фактори, що впливають на термін служби батареї

На термін служби батареї впливає кілька факторів, як-от:

• температура
• Випускний струм
• Зарядний струм
• Діапазони стану заряду (глибина розряду)

У реальних програмах, таких як смартфони, ноутбуки та електромобілі, батареї не завжди повністю заряджені та розряджені. Ось чому визначення терміну служби батареї в термінах повних циклів розряду може ввести в оману. Щоб уникнути цієї плутанини, дослідники іноді використовують кумулятивний розряд, який є загальною кількістю заряду (А·год), що постачається батареєю протягом усього терміну служби або еквівалентних повних циклів.

Деградація батареї

Батареї поступово розкладаються протягом терміну служби, що призводить до зменшення ємності та, у деяких випадках, до зниження робочої напруги елемента. Це пов’язано з різними хімічними та механічними змінами електродів. Деградація сильно залежить від температури, і високий рівень заряду також прискорює втрату ємності.

Деякі з найпоширеніших процесів деградації включають:

• Зменшення органічного карбонатного електроліту на аноді, що призводить до зростання межі розділу твердого електроліту (SEI). Це спричиняє збільшення омічного опору та зменшення циклічного заряду Ач.

• Металеве покриття літієм, що також призводить до втрати запасів літію (заряд А-год, який можна циклізувати) і внутрішнього короткого замикання.

• Втрата (негативних чи позитивних) електроактивних матеріалів через розчинення, розтріскування, відшарування, відшарування або навіть регулярну зміну об’єму під час циклічного циклу. Це проявляється у вигляді зменшення заряду та потужності (збільшення опору).

• Корозія/розчинення негативного мідного колектора струму при низькій напрузі елемента.

• Деградація зв’язуючого PVDF, що може спричинити від’єднання електроактивних матеріалів.

Отже, якщо ви шукаєте акумулятор, який прослужить вам, переконайтеся, що стежите за всіма факторами, які можуть вплинути на термін його служби!

Небезпека літій-іонних батарей

Що таке літій-іонні акумулятори?

Літій-іонні батареї – це електростанції нашого сучасного світу. Вони є у всьому, від смартфонів до електромобілів. Але, як і всі потужні речі, вони пов’язані з деякими ризиками.

Які ризики?

Літій-іонні батареї містять легкозаймистий електроліт і можуть опинитися під тиском у разі пошкодження. Це означає, що якщо акумулятор заряджається надто швидко, це може спричинити коротке замикання та призвести до вибухів і пожеж.

Ось деякі з способів, як літій-іонні батареї можуть стати небезпечними:

• Перегрівання: погане охолодження або зовнішнє вогонь
• Зловживання електрикою: перезаряд або зовнішнє коротке замикання
• Механічне зловживання: проникнення або зіткнення
• Внутрішнє коротке замикання: дефекти виробництва або старіння

Що можна зробити?

Стандарти тестування для літій-іонних акумуляторів суворіші, ніж для кислотно-електролітних акумуляторів. Регулятори безпеки також ввели обмеження на доставку.

У деяких випадках компаніям доводилося відкликати продукти через проблеми, пов’язані з акумулятором, як-от відкликання Samsung Galaxy Note 7 у 2016 році.

Виконуються дослідницькі проекти з розробки незаймистих електролітів для зменшення небезпеки пожежі.

Якщо літій-іонні батареї пошкоджуються, розчавлюються або піддаються високому електричному навантаженню без захисту від перезаряду, можуть виникнути проблеми. Коротке замикання батареї може призвести до її перегріву та можливого займання.

Bottom Line

Літій-іонні батареї є потужними та революціонізували наш світ, але вони пов’язані з деякими ризиками. Важливо знати про ці ризики та вживати заходів для їх зменшення.

Вплив літій-іонних батарей на навколишнє середовище

Що таке літій-іонні акумулятори?

Літій-іонні акумулятори є джерелом живлення для багатьох наших повсякденних пристроїв, від телефонів і ноутбуків до електромобілів. Вони складаються з літію, нікелю та кобальту та відомі своєю високою щільністю енергії та тривалим терміном служби.

Які впливи на навколишнє середовище?

Виробництво літій-іонних акумуляторів може мати серйозний вплив на навколишнє середовище, зокрема:

• Видобуток літію, нікелю та кобальту може бути небезпечним для водних організмів, спричиняючи забруднення води та проблеми з диханням.
• Побічні продукти видобутку можуть спричинити деградацію екосистеми та пошкодження ландшафту.
• Нераціональне споживання води в посушливих регіонах.
• Масове утворення побічного продукту екстракції літію.
• Потенціал глобального потепління виробництва літій-іонних батарей.

Що ми можемо зробити?

Ми можемо допомогти зменшити вплив літій-іонних батарей на навколишнє середовище:

• Переробка літій-іонних батарей для зменшення вуглецевого сліду виробництва.
• Повторне використання акумуляторів замість їх переробки.
• Зберігайте використані батареї безпечно, щоб зменшити ризики.
• Використання пірометалургійних і гідрометалургійних методів розділення компонентів батареї.
• Очищення шлаку з процесу переробки для використання в цементній промисловості.

Вплив видобутку літію на права людини

Небезпека для місцевого населення

Видобуток сировини для літій-іонних акумуляторів може бути небезпечним для місцевого населення, особливо для корінного населення. Кобальт із Демократичної Республіки Конго часто видобувається з незначними заходами безпеки, що призводить до травм і смертей. Забруднення з цих шахт піддало людей впливу токсичних хімікатів, які можуть спричинити вроджені дефекти та проблеми з диханням. Також повідомлялося, що в цих шахтах використовується дитяча праця.

Відсутність безкоштовної попередньої та інформованої згоди

Дослідження в Аргентині виявило, що держава, можливо, не захищала права корінних народів на вільну попередню та інформовану згоду, і що видобувні компанії контролювали доступ громади до інформації та встановлювали умови для обговорення проектів і розподілу вигод.

Протести та позови

Розробка літієвої шахти Thacker Pass у Неваді викликала протести та судові позови з боку кількох корінних племен, які стверджують, що їм не було надано вільної попередньої та інформованої згоди та що проект загрожує культурним і священним місцям. Люди також висловили занепокоєння, що проект створить ризик для жінок корінного населення. Протестувальники займають місце з січня 2021 року.

Вплив видобутку літію на права людини

Небезпека для місцевого населення

Видобуток сировини для літій-іонних акумуляторів може стати справжнім обломом для місцевого населення, особливо для корінного населення. Кобальт із Демократичної Республіки Конго часто видобувається з незначними заходами безпеки, що призводить до травм і смертей. Забруднення з цих шахт піддало людей впливу токсичних хімікатів, які можуть спричинити вроджені дефекти та проблеми з диханням. Також повідомлялося, що в цих шахтах використовується дитяча праця. ой!

Відсутність безкоштовної попередньої та інформованої згоди

Дослідження в Аргентині показало, що держава, можливо, не надала корінним народам права на вільну попередню та інформовану згоду, і що видобувні компанії контролювали доступ громади до інформації та встановлювали умови для обговорення проектів і розподілу вигод. Не круто.

Протести та позови

Розробка літієвої шахти Thacker Pass у Неваді викликала протести та судові позови з боку кількох корінних племен, які стверджують, що їм не було надано вільної попередньої та інформованої згоди та що проект загрожує культурним і священним місцям. Люди також висловили занепокоєння, що проект створить ризик для жінок корінного населення. Протестувальники окупували місце з січня 2021 року, і, схоже, вони не планують найближчим часом залишати його.

Відмінності

Літій-іонні акумулятори проти Lipo

Коли справа доходить до Li-ion проти LiPo акумуляторів, це битва титанів. Літій-іонні батареї неймовірно ефективні, вміщуючи тонну енергії в маленьку упаковку. Але вони можуть бути нестабільними та небезпечними, якщо порушується бар’єр між позитивним і негативним електродами. З іншого боку, акумулятори LiPo набагато безпечніші, оскільки вони не страждають від такого ж ризику займання. Вони також не страждають від «ефекту пам’яті», як літій-іонні батареї, тобто їх можна перезаряджати більше разів без втрати ємності. Крім того, вони мають довший термін служби, ніж літій-іонні акумулятори, тому вам не доведеться турбуватися про їхню часту заміну. Отже, якщо ви шукаєте акумулятор, який є безпечним, надійним і довговічним, LiPo – це ваш шлях!

Літій-іонні акумулятори проти свинцево-кислотних

Свинцево-кислотні батареї дешевші за літій-іонні батареї, але вони не так добре працюють. Свинцево-кислотні акумулятори можуть заряджатися до 10 годин, тоді як літій-іонні акумулятори можуть заряджатися всього за кілька хвилин. Це тому, що літій-іонні батареї можуть сприймати вищу швидкість струму, заряджаючись швидше, ніж свинцево-кислотні батареї. Отже, якщо ви шукаєте акумулятор, який заряджається швидко та ефективно, літій-іонний – це ваш вибір. Але якщо у вас обмежений бюджет, свинцева кислота є більш доступним варіантом.

FAQ

Чи є літій-іонний акумулятор таким же, як літій?

Ні, літій-іонні та літієві батареї – це не одне й те саме! Літієві батареї є основними елементами, тобто вони не перезаряджаються. Отже, як тільки ви їх використаєте, вони готові. З іншого боку, літій-іонні акумулятори є вторинними елементами, тобто їх можна перезаряджати та використовувати знову і знову. Крім того, літій-іонні батареї дорожчі та виробляються довше, ніж літієві. Отже, якщо ви шукаєте акумулятор, який можна заряджати, літій-іонний – це ваш вибір. Але якщо ви хочете щось дешевше і довше, літій стане вашим кращим вибором.

Чи потрібен спеціальний зарядний пристрій для літієвих акумуляторів?

Ні, вам не потрібен спеціальний зарядний пристрій для літієвих акумуляторів! З літієвими акумуляторами iTechworld вам не доведеться оновлювати всю систему заряджання та витрачати додаткові гроші. Все, що вам потрібно, це наявний свинцево-кислотний зарядний пристрій, і все готово. Наші літієві батареї мають спеціальну систему керування батареєю (BMS), яка забезпечує правильну зарядку батареї наявним зарядним пристроєм.
Єдиний зарядний пристрій, який ми не рекомендуємо використовувати, призначений для кальцієвих акумуляторів. Це тому, що вхідна напруга зазвичай вища, ніж рекомендована для літієвих батарей глибокого циклу. Але не хвилюйтеся, якщо ви випадково використаєте кальцієвий зарядний пристрій, BMS виявить високу напругу та перейде в безпечний режим, захищаючи вашу батарею від будь-яких пошкоджень. Тож не витрачайте гроші, купуючи спеціальний зарядний пристрій – просто використовуйте наявний, і все буде готово!

Який термін служби літій-іонної батареї?

Літій-іонні батареї – це потужність ваших повсякденних гаджетів. Але як довго вони тривають? Що ж, середня літій-іонна батарея повинна витримувати від 300 до 500 циклів зарядки/розрядки. Це як заряджати телефон раз на день протягом року! Крім того, вам не доведеться турбуватися про проблеми з пам’яттю, як раніше. Просто тримайте акумулятор розрядженим і охолодженим, і все буде готово. Тож, якщо ви добре доглядаєте за ним, ваш літій-іонний акумулятор прослужить вам довго.

Який головний недолік літій-іонного акумулятора?

Основним недоліком літій-іонних акумуляторів є їх вартість. Вони приблизно на 40% дорожчі за Ni-Cd, тому, якщо у вас обмежений бюджет, ви можете шукати в іншому місці. Крім того, вони схильні до старіння, тобто можуть втратити працездатність і вийти з ладу через кілька років. Ні в кого немає на це часу! Отже, якщо ви збираєтеся інвестувати в літій-іонні, обов’язково проведіть дослідження та отримайте найкращу віддачу за свої гроші.

Висновок

Підсумовуючи, літій-іонні акумулятори — це революційна технологія, яка живить наші повсякденні пристрої, від мобільних телефонів до електромобілів. Маючи відповідні знання, ці батареї можна використовувати безпечно та ефективно, тож не бійтеся зважитися та досліджувати світ літій-іонних батарей!

Привіт, я Кім, мама та ентузіаст стоп-моушну з досвідом створення медіа та веб-розробки. Я маю величезну пристрасть до малювання та анімації, і тепер я з головою занурююся у світ стоп-моушну. У своєму блозі я ділюся з вами своїми знаннями.