Первые эксперименты с литиевыми батареями были начаты еще в 1912 году группой ученых под руководством Дж. Н. Льюиса (G.N. Lewis). Но только в начале 1970-х годов появились первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать литиевые и литий-ионные аккумуляторы вплоть до 1980-х годов заканчивались неудачами. Это было связано с проблемами их безопасности.
Литий-ионные Li-ion аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, старение, основные преимущества и недостатки.
Литий — самый легкий из металлов. Он имеет превосходный электрохимический потенциал и обеспечивает наилучшую энергетическую плотность на единицу массы. В литиевых аккумуляторных батареях применялись отрицательные пластины из металлического лития. Такие батареи обладали более высоким напряжением на каждом элементе и высокой емкостью по сравнению с батареями других типов.
После многочисленных испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых батарей «закручена» вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития. Процессы, происходившие при старении и износе электродов, в конце концов, нарушали температурную стабильность химических процессов, происходивших внутри аккумуляторной батареи.
В результате температура элемента достигала точки плавления лития, и происходила бурная реакция, получившая название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 году на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых батарей, которые впервые применили в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавшего лицо пользователю мобильного телефона.
Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумуляторной батареи без его применения, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные батареи обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые батареи, тем не менее они безопасны при соблюдении правильных режимов заряда и разряда.
Особенности устройства литий-ионных Li-ion аккумуляторов.
В 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерческий выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. За ней последовали и другие компании. В настоящее время производство литий-ионных аккумуляторных батарей представляет собой быстрорастущий и многообещающий сегмент рынка.
Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза превышает энергетическую плотность стандартных никель-кадмиевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором активных материалов электродов, в перспективе позволит увеличить это соотношение до трех раз.
Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на нагрузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они нетребовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов.
У них отсутствует «эффект памяти». Для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы. И, наконец, саморазряд литий-ионных батарей, который вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей, делает их незаменимыми при использовании во многих устройствах.
Высокое напряжение на элементе батареи позволяет производителям выпускать аккумуляторные источники питания, состоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники используются во многих моделях современных мобильных телефонов. А простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.
Литий-ионные Li-ion аккумуляторы разных конструкций.
В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 года в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита.
Графитовые пластины позволяют обеспечить более плоскую характеристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графитовыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда. Они меньше нагреваются и обладают меньшим саморазрядом.
Устройство литий-ионного Li-ion аккумулятора в цилиндрическом корпусе.
В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «прощают» ошибки при эксплуатации.
Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более низкая стоимость сырья, чем для производства батарей с литие-кобальтовыми пластинами.
Процесс заряда литий-ионного Li-ion аккумулятора.
Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батарей на основе свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.
Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защиты, встроенная в корпус батареи, ограничивает пиковое напряжение на каждом элементе в процессе заряда и предупреждает падение напряжения ниже допустимого значения при разряде.
Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи. Обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают образование металлического лития при перезаряде, опасность вентиляции с выбросом пламени или взрыва.
Старение литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.
Большинству типов литий-ионных батарей и аккумуляторов свойственно старение. По неизвестным причинам производители батарей информацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пишут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не использовалась.
Через 2-3 года литий-ионные аккумуляторы чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химические процессы, приводящие батареи в негодное состояние.
Хранение литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.
Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других типов. Производители рекомендуют хранить батареи при температуре 15 градусов. При этом батареи должны быть подзаряжены.
Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации. То есть их следует периодически переворачивать. При покупке батареи потребитель должен быть предупрежден производителем о сроке ее замены. К сожалению, информация о дате выпуска часто кодируется среди цифр серийного номера или отдельно, что не позволяет конечному потребителю определить дату выпуска без использования справочной литературы.
Производители постоянно работают над улучшением качества литий-ионных аккумуляторных батарей. Примерно каждые полгода они используют новые или улучшенные химические составы. При таких темпах сложно, а подчас и невозможно уследить за данными об изменениях в сроке хранения и эксплуатации.
Особенности использования литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.
Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилиндрические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматические литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндрических. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (тоньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.
Преимущества литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей:
Высокая энергетическая плотность.
Низкий саморазряд.
Отсутствует «эффект памяти».
Простота обслуживания.
Недостатки литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей:
Необходимость схемы защиты по току и напряжению.
Относительно быстрое старение. Хранение батареи в прохладном месте снижает процесс старения примерно на 40%.
Умеренный ток разряда.
Более высокая цена. На 40 % выше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями.
Конструкция не доведена до совершенства.
Меры предосторожности при работе с литий-ионными Li-ion аккумуляторами и батареями.
При работе с литий-ионными аккумуляторами и батареями следует соблюдать меры предосторожности:
Нельзя замыкать их выводы накоротко.
Допускать перезаряд.
Разбирать.
Прикладывать напряжение обратной полярности.
Нагревать.
Следует использовать только литий-ионные батареи, имеющие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламеняем.
Литий-ионные Li-ion аккумуляторы с разными типами корпусов.
Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами. Из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм). Элементы этого типоразмера обычно имеют емкость от 1800 мАч. Емкость более крупных элементов типоразмера 26650 диаметром 26 мм обычно начинается с 3200 мАч.
По материалам книги Аккумуляторы.
Хрусталев Д.А.
