Литий-ионный аккумулятор не требует особого обслуживания, и это преимущество, на которое не могут претендовать большинство других химических аккумуляторов. Аккумулятор не имеет памяти и не требует тренировок (намеренной полной разрядки) для поддержания его в хорошей форме. Саморазряд в два раза меньше, чем у систем на основе никеля, и это полезно для датчиков уровня топлива. Номинальное напряжение элемента 3,60 В может напрямую питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, что обеспечивает упрощение и снижение затрат по сравнению с многоячеечными конструкциями. Недостатками являются необходимость в схемах защиты для предотвращения злоупотреблений, а также высокая цена.
Типы литий-ионных аккумуляторов
Рисунок 1 иллюстрирует этот процесс.
Литий-ионный аккумулятор не требует особого обслуживания, и это преимущество, на которое не могут претендовать большинство других химических аккумуляторов. Аккумулятор не имеет памяти и не требует тренировок (намеренной полной разрядки) для поддержания его в хорошей форме. Саморазряд в два раза меньше, чем у систем на основе никеля, и это полезно для датчиков уровня топлива. Номинальное напряжение элемента 3,60 В может напрямую питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, что обеспечивает упрощение и снижение затрат по сравнению с многоячеечными конструкциями. Недостатками являются необходимость в схемах защиты для предотвращения злоупотреблений, а также высокая цена.
В оригинальной литий-ионной батарее Sony в качестве анода использовался кокс (угольный продукт). С 1997 года большинство производителей литий-ионных аккумуляторов, включая Sony, перешли на графит, чтобы добиться более пологой кривой разряда. Графит — это форма углерода, которая имеет долговременную циклическую стабильность и используется в графитовых карандашах. Это наиболее распространенный углеродный материал, за которым следуют твердый и мягкий углерод. Углеродные нанотрубки еще не нашли коммерческого применения в литий-ионных батареях, поскольку они имеют тенденцию запутываться и влиять на производительность. Будущим материалом, который обещает повысить производительность литий-ионных аккумуляторов, является графен.
На рисунке 2 показана кривая разряда современного литий-ионного аккумулятора с графитовым анодом и ранней коксовой версии.
Было опробовано несколько добавок, в том числе сплавы на основе кремния, для улучшения характеристик графитового анода. Для связи с одним ионом лития требуется шесть атомов углерода (графита); один атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития. Это означает, что кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графит, но расширение анода во время зарядки является проблемой. Поэтому аноды из чистого силикона непрактичны, и для достижения хорошего срока службы к аноду на основе кремния обычно добавляют только 3–5 процентов кремния.
Использование наноструктурированного титаната лития в качестве анодной добавки демонстрирует многообещающий срок службы, хорошую нагрузочную способность, отличные низкотемпературные характеристики и превосходную безопасность, но удельная энергия низка, а стоимость высока.
Экспериментирование с материалом катода и анода позволяет производителям улучшить внутренние качества, но одно усовершенствование может поставить под угрозу другое. Так называемый «энергетический элемент» оптимизирует удельную энергию (емкость) для достижения длительного времени автономной работы, но при более низкой удельной мощности; «Power Cell» обеспечивает исключительную удельную мощность, но при меньшей мощности. «Гибридная ячейка» представляет собой компромисс и предлагает и то, и другое.
Производители могут относительно легко добиться высокой удельной энергии и низкой стоимости, добавляя никель вместо более дорогого кобальта, но это делает элемент менее стабильным. Хотя начинающая компания может сосредоточиться на высокой удельной энергии и низкой цене, чтобы быстро добиться признания на рынке, безопасность и долговечность не могут быть поставлены под угрозу. Авторитетные производители уделяют большое внимание безопасности и долговечности.
Большинство литий-ионных аккумуляторов имеют схожую конструкцию, состоящую из металлооксидного положительного электрода (катода), нанесенного на алюминиевый токосъемник, отрицательного электрода (анода), изготовленного из углерода/графита, нанесенного на медный токосъёмник, сепаратора и электролита. изготовлен из литиевой соли в органическом растворителе. Дополнительную информацию можно получить на сайте teda Battery.com.
В таблице 3 суммированы преимущества и ограничения литий-ионных аккумуляторов.
Время публикации: 26 июня 2022 г.