RU (495) 989 48 46
Пленка на бампер

АНТИГРАВИЙНАЯ ЗАЩИТА БАМПЕРА

 

Аккумулятор для автомобиля литий ионный


Литиевый аккумулятор для автомобиля: преимущества и недостатки

Литиевый аккумулятор для автомобиля набирает все большую популярность. Легкие литиевые аккумуляторы разработаны для целого ряда транспортных средств, начиная от мотоциклов и заканчивая военной техникой. Растущий спрос на них заставил поставщиков и ученых сосредоточиться на повышении плотности энергии, рабочей температуры, безопасности, долговечности, времени зарядки и выходной мощности литий-ионных батарей.

Разработка литиевых АКБ началась с 1912 года под руководством Г.Н Льюиса, но появились первые литиевые неперезаряжаемые источники питания только в начале 1970-х годов. В 1980-х годах попытались разработать перезаряжаемый питающий элемент, но разработка не удалась из-за нестабильности в металлическом литии, используемом в качестве основного материала.

Литиевая батарея использует литий в качестве анода. АКБ Lion используют графит в качестве анода и активных материалов в катоде.

В связи с нестабильностью лития во время зарядки ученые стали использовать неметаллический раствор с использованием лития. В 1991 году фирма «SONY» запатентовала первый ион Li батарею. Продолжая развиваться, она остается популярной и перспективной на мировом рынке.

Свинцово-кислотные источники питания уступают литий-ионным автомобильным аккумуляторам по многим показателям. Вес литиевых АКБ на 80 % легче свинцово-кислотных. В батарее Lion долгое время сохраняется зарядка, срок службы достигает десяти лет.

С другой стороны, цена на автомобильные литиевые аккумуляторы в несколько раз превышает стоимость свинцово-кислотных.

Автомобильный литий-ионный аккумулятор часто используется в электромобилях. Электромобиль приводится в движение, используя энергию источника питания.

Типы батарей электромобиля

В электромобилях используется три типа аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, батареи гидрида металла никеля и литий-ионные источники питания.

Свинцово-кислотные АКБ изобретены в 1859 году и считаются привычной формой источника питания. Они использовались во всех типах автомобильного транспорта. Это вид жидких батарей, которые содержат емкости со слабым раствором серной кислоты.

Свинцовые электроды и кислота используется для производства электроэнергии в АКБ. Источник питания не имеет сложности в обслуживании и отличается небольшой стоимостью. Но содержит опасные газы, которые приводят к взрыву при неправильной эксплуатации.

Никель-металлогидридные аккумуляторы используются с 1980 года. Это маленькая, легкая и вместительная батарея, которая имеет высокую плотность и не содержит никаких токсических металлов.

Литий-ионные аккумуляторы для автомобилей используются с начала 1990 года. Они отличаются очень высокой плотностью энергии.

Из-за облегченных и низких требований к техническому обслуживанию, литий-ион используется в электронных устройствах, часто в портативных компьютерах.

Этот тип питающих элементов считается лучшим для питания электромобилей.

Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются

В настоящее время используются три вида LIB, которые отличаются материалами катода.

Катоды лития, содержащие кобальт (Limo2).

Этот тип особенно эффективен. Кобальтовый ион Со3+ маленький, поэтому катод построен таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещаются. Это важно для высокой плотности энергии и емкости, чтобы выпускать маленькие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях.

Литий-кобальтовый оксид LiCoO2 (LCO) – это тонкое устройство чувствительно к повреждениям, поэтому используется лишь в электроприборах.

Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Обеспечивая хорошую плотность энергии и высокую мощность, эти материалы используются как литиевые аккумуляторы 12 вольт для автомобиля.

Литий-Никель-Марганец-Кобальт-Оксиды (NMC) – прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом существует несколько вариантов, в которых металлы содержат никель, марганец и кобальт в различных соотношениях. Чем больше доля никеля – тем выше содержание энергии.

Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).

Этот вид также прочен, но имеет низшую плотность энергии, чем катоды LiMО2. Китайские производители используют для электромобилей городского цикла. Заряда хватает на короткие расстояния.

Катоды из оксида марганца-лития (LiMn2O4 или LMO).

Этот вид раньше использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.

В этом видео описаны подробные характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровки маркировок.

Преимущества литиевых аккумуляторов

  • Очень высокая плотность энергии. Превосходит в четыре раза свинцово-кислотные источники питания.
  • Высокое напряжение клеток. Литий-ионная ячейка заменяет три ячейки NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения в клетках. Чем больше напряжение в клетках, тем меньше клеток требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
  • Переносят высокие токи разряда. Это позволяет работать автомобильным приборам, таким как холодный стартер или приводы для гибридных автомобилей с маленькой емкостью АКБ.
  • Увеличивают мощность и производительность, в зависимости от требований.
  • Имеют возможность быстрой зарядки.
  • Отсутствует эффект памяти – полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
  • Низкая скорость саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
  • При заряде батареи на 100 % способна отдать энергию тока без технических повреждений.

Вариации базового химического состава (например, различные анодные и катодные материалы) позволяют разнообразить характеристики производительности для конкретных применений.

Также доступны батареи маленького размера. Материал электрода и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (оксид алюминия/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для производства энергии высокой плотности для тонких и плоских батарей.

Недостатки литий-ионных батарей

  • Чувствительность к глубокой разрядке, перегрузка и слишком высокая температура. Но на практике это редко является проблемой. Аккумуляторы уже имеют встроенную электронику, которая защищает от негативных влияний. При использовании LIB без встроенной электроники рекомендуется использовать зарядное устройство, которое для нее предназначено.
  • Повышенная чувствительность к высоким и низким температурам. Оптимальная рабочая температура в пределах 10–35 градусов. При низких температурах мощность батареи падает. Также существуют специально предназначенные ионные источники питания для низких температур, которые поддерживают заряд при температуре -40 градусов, только с ограниченными разрядными потоками.

Безопасность литиевых батарей

При перегреве или перезарядке LIB могут подвергаться разрушению. Это приведет к утечке ядовитых газов, взрыву и пожару. Чтобы этого избежать, батарея лития содержит отказоустойчивую схему, которая отключает источник питания, когда напряжение находится в опасном диапазоне.

Короткое замыкание приведет к перегреву, возгоранию и взрыву. Литий-ионные аккумуляторы, в отличие от свинцово-кислотных, изготавливаются под высоким давлением, они имеют легковоспламеняющийся жидкий электролит. Их качество строго контролируется при изготовлении.

Литий-ионный аккумулятор для автомобиля имеет множество положительных характеристик, но использование его в бензиновых и дизельных двигателях не эффективно и в данное время не применяется. Генератор, который вырабатывает переменный ток в автомобиле, не приспособлен заряжать данный вид аккумуляторов.

Это видео расскажет об использовании литий-ионных аккумуляторов для бензиновых и дизельных двигателей.

3batareiki.ru

Литиевый АКБ для автомобиля: плюсы и минусы

Обычно мы привыкли, что на автомобилях в качестве аккумуляторов используются свинцово-кислотные с различными добавками в пластинах батареи. Добавки могут быть от кальция до серебра, электролит может иметь форму геля, жидкости или быть запечатанным в AGM. Возникает логичный вопрос, вот в мобильниках используются эффективные литиевые батареи, почему такие же не ставят в автомобили?

 

Почему Литий-ионные аккумуляторы не ставят на машины

 

Литиевые батареи в автомобилях

 

Литиевые аккумуляторы – довольно непростая вещь в контексте автомобильной тематики. Их неохотное использование обросло множеством мифов, однако есть и вполне объективные причины, делающие установку таких батарей в данный момент нежелательной. На заре изобретения литиевых батарей в минусе был металлический литий, потом его сменил кокс, а сегодня всё больше распространяется графит. После добавления оксида кобальта аккумуляторы снизили свой нижний температурный порог, а также повысилось количество циклов заряд\разряд. Все литиевые батареи оснащены специальной защитной платой, контроллером. Li-ion батареи по материалу катода различают:

 

  • Кобальто литиевые – LiCoO2;
  • Литий полимерные – LiPol

 

Литий-ионные аккумуляторы

 

Отличие основное такого аккумулятора в том, что электролит у него не жидкость, а полимер. Характеристики у полимеров существенно лучше, низкий саморазряд, более высокая плотность, компактность, отсутствует эффект памяти. Рабочая температура от минус двадцати. Наиболее перспективным для оснащения автомобилей специалисты считают LiFEPO4. В этом аккумуляторе материал катода с добавлением железа, а также фосфатов. Из основных преимуществ этого варианта можно выделить:

 

  • Долговечность, батарея очень медленно теряет свою ёмкость. На длительном промежутке времени это очень заметно.
  • Стабильно держит напряжение разряда, отклонения от правильных 12,8В минимальное.
  • В составе нет кобальта, то есть батарея нетоксична, угрозы экологии нет.
  • Пиковые токи существенно выше обычных Liion.
  • Разряжается медленнее.
  • Не взрывоопасен, поскольку термическая стабильность на высоте.
  • Может работать в условиях низких температур, вплоть по минус пятидесяти градусов.

 

Из минусов внимания заслуживает меньшая удельная плотность, да и контроллер использовать обязательно.

 

Преимущества Литий-ионных аккумуляторов

 

Так свинец или литий?

 

Если брать энергетическую плотность, то здесь впереди, конечно, литиевые элементы, у них гораздо лучше дела с продолжительностью жизненного цикла, заряжаются быстрее, лучшее сопротивление, нет практически саморазряда. Однако практически не ставят их, почему? Всё, на самом деле, банально, они дорогие, к тому же хуже себя чувствуют, чем кислотные на морозе. Безопасность свинцово кислотных батарей гораздо выше, что время от времени нам показывают случаи с возгоранием аккумуляторов в смартфонах.

Другие записи по теме:

autowestnik.ru

Литиевый аккумулятор для автомобиля - Мобильные Электросистемы

Преимущества литиевых аккумуляторов хорошо известны. При равной номинальной емкости литиевая батарея весит в три раза меньше свинцово-кислотной и занимает в два раза меньше места. Заряжаемый током  0,5С литиевый АКБ выдерживает в 20 раз больше циклов чем  свинцово-кислотный, поэтому с учетом срока службы он на сегодня самый дешевый и выгодный.

Характеристики литиевых аккумуляторов делают их идеальными источниками автономного питания на автомобилях с дополнительным бортовым оборудованием и на тех транспортных средствах где свободного места для установки массивной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи недостаточно.

Содержание статьи

Количество циклов литиевого АКБ

Срок службы аккумулятора измеряют в циклах заряда – разряда. Аккумулятор считается непригодным для дальнейшего использования когда его емкость падает ниже 80% от первоначального номинального значения. Количество циклов можно рассматривать как способность ячеек сохранять и передавать энергию потребителям. Литиевые батареи обычно выдерживают не менее 1000 циклов.

Результаты испытаний нескольких аккумуляторов глубокого разряда разного типа. Специальное устройство разряжало четыре аккумулятора током 25 А до 10,5 вольт и затем заряжало их таким же током до 14,4 Вольт. В реальной жизни аккумуляторы часто подвергаются таким же нагрузкам. В испытаниях участвовали недорогой жидко-кислотный аккумулятор, две модели AGM и LiFePo4 аккумулятор. Аккумулятор с жидким электролитом вышел из строя после 18 циклов. AGM — после 180. Состояние литиевого аккумулятора не изменилось

Со временем ячейки стареют. Активные химические вещества в них разрушаются, емкость падает, а внутреннее сопротивление возрастает. На скорость старения влияют величина зарядного и разрядного тока, температура и глубина разряда. Устройством, продлевающим срок службы литиевого аккумулятора, является BMS. Хорошо продуманная электронная система управления контролирует состояние батареи, предотвращает ее перезарядку и защищает ячейки от повреждения при глубоком разряде

Зарядка LiFePO4 аккумулятора

Электрическую энергию можно «накачать» в аккумулятор быстро. Однако химические реакции не протекают мгновенно, поэтому состояние электролита между электродами окажется разным. Ближайшие к электродам слои «зарядятся», а расположенные дальше нет. Разница будет особенно заметна в ячейках с большой емкостью и объемом электролита.

Графики тока и напряжения во время зарядки LiFePO4 аккумулятора

Высокий зарядный ток не сильно ускоряет полную зарядку аккумулятора. Хотя заданное напряжение достигается быстрее, этап насыщения занимает больше времени. При высоком токе первая стадия оказывается короче, но зато вторая длиннее.

Максимально допустимый зарядный ток для аккумуляторов принято выражать в долях емкости. Например, если для литиевого аккумулятора емкостью 100 Ач указан ток 0,5C (где C — емкость аккумулятора), то его непрерывной ток зарядки не должен превышать 50 А. Как правило для литий-железо фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов максимальный ток равен 0,5-1С

Повышенная температура сигнализирует о неправильном алгоритме зарядки или о внутренних проблемах аккумулятора

LiFePO4 аккумулятор в автомобиле

Литиевые аккумуляторные батареи чувствительны к величине тока и напряжения зарядки. Несоблюдение рекомендованных значений сокращает срок службы ячеек, уменьшает их емкость и может даже разрушить, причинив много дорогостоящих повреждений.

Источник зарядки аккумуляторов в автомобиле – это генератор двигателя. Стандартный регулятор автомобильного генератора настроен на 14,0-14,4 Вольта, что позволяет быстро заряжать стартовый аккумулятор и защищает его от сульфатации. Небольшой перезаряд для свинцово-кислотного аккумулятора не страшен, поэтому напряжение остается постоянным в течении всего времени работы двигателя.

Реле развязки соединяет стартовый и сервисный аккумуляторы. Но оно не обеспечивает литиевый аккумулятор правильным зарядным напряжением и не защищает его от высокого тока. Реле не увеличивает напряжение, если оно слишком низкое и не уменьшает его до безопасного уровня, когда оно слишком высокое. Полностью заряженный литиевый аккумулятор остается под тем же напряжением как и во время зарядки. Реле не ограничивает ток генератора, поэтому ток получаемый аккумулятором может в несколько раз превзойти безопасный уровень, определенный производителем. При такой схеме подключения литиевый аккумулятор заряжается неправильно и подвергается опасности во время эксплуатации

14,4 Вольта подходит и для заряда LiFePO4 аккумуляторов. Но заряженный на 100% литиевый аккумулятор не должен постоянно находится под таким напряжением. Оно опасно для батареи и может повредить ее во время продолжительной поездки.

Несовместимость между зарядным напряжением и требованиями LiFePO4 аккумулятора возрастает еще сильнее на автомобилях с двигателями Euro 5/6+. Напряжение на «интеллектуальном» генераторе во время движения колеблется от 12 до 16 Вольт, а значит прежде чем заряжать LiFePO4 аккумулятор напряжение нужно как-то выровнять. Необходимо промежуточное устройство, связывающее BMS аккумулятора с системой зарядки автомобиля.

Зарядное устройство устраняет недостатки реле. Ток, получаемый аккумулятором, ограничен номиналом устройства. Напряжение завит от состояния аккумулятора и изменяется по заданному алгоритму. Сначала зарядка аккумулятора идет максимальным током до 14,4 Вольт. После того как аккумулятор полностью зарядится напряжение уменьшается до 13,8 Вольт.

Задача буферного устройства обеспечить литиевый АКБ правильными профилями напряжения и тока. BMS же позаботится о безопасности ячеек и предотвратит неисправности, которые могут возникнуть. Промежуточное устройство – это управляемый микропроцессором DC-DC конвертер. Он поддерживает на выходе заданное стабильное напряжение и при слишком высоком, и при слишком низком напряжении генератора. Конвертер не только заряжает LiFePO4 аккумулятор по правильному алгоритму, но и ограничивает ток, не давая мощному автомобильному генератору повредить аккумуляторную батарею.

Модель BBW1212 BB1230 BB1260
Максимальный ток, А 28 30 60
Входное напряжение, В 12 12 12
Выходное напряжение, В 12 12 12
Тип аккумуляторов LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 6 режимов зарядки LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 9 режимов зарядки LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 9 режимов зарядки
Вес, кг 3,5 1,2 1,4
Размеры, мм 190 х 160 х 50 190 х 160 х 50 190 х 160 х 70
ЗАКАЗАТЬ ЗАКАЗАТЬ ЗАКАЗАТЬ

Как выбрать литиевый АКБ в автомобиль

Чтобы полностью использовать в автомобиле возможности LiFePO4 аккумулятора, нужно хорошо понимать как он будет эксплуатироваться и с какой нагрузкой ему предстоит работать. При создании электрической системы, работающей от дополнительного аккумулятора необходимо обращать внимание на следующее

Аккумуляторная батарея большей емкости работает дольше, а время ее зарядки меньше. C DC-DС зарядным устройством переносной бензиновый генератор становится не нужен. Ведь под капотом уже имеется автомобильный генератор мощностью 1500-3000 Вт. Все что необходимо – это организовать доступ к такому мощному источнику энергии. Правильно подобранное зарядное устройство не только передает сервисным аккумуляторам большую мощность, но и представляет доступ к энергии генератора вспомогательным устройствам, например инвертору. Пусть в автомобиле установлен дополнительный литиевый аккумулятор емкостью 100 Ач, DC-DС зарядное устройство номиналом 30А и инвертор мощностью 2000 Вт. Суммарная мощность устройств переменного тока, подключенных к инвертору, 1,5 кВт. Когда все они работают одновременно, инвертор потребляет 150 А, и заряда аккумулятора хватает на 45 минут. Если завести двигатель, то через зарядное устройство от генератора потребителям поступит 25 А, а 125 А отдаст в цепь аккумулятор. В результате аккумуляторная батарея разрядится за 48 минут. Предположим зарядное устройство на 30А заменили максимально допустимой для этого аккумулятора моделью на 60А. Если нагрузка не изменилась, то от генератора через зарядное устройство будет поступать уже 50 А, а 100 А предоставит аккумуляторная батарея. Время работы аккумуляторов увеличится до 60 мин. В дополнение к уже имеющемуся литиевому аккумулятору можно установить точно такой же второй, увеличив тем самым емкость батареи до 200 Ач. Большая емкость позволит использовать зарядное устройство номиналом 120 А. При такой установке 100 А поступит потребителям от генератора, а 50 А даст аккумуляторная батарея и время ее непрерывной работы возрастет до 4 часов

BMS, рассчитанная на высокий ток. Непрерывный ток разряда и заряда аккумулятора должен быть 0,5 — 1C . Необходимо смотреть именно на непрерывный, а не максимальный рейтинг аккумулятора. Максимальное значение бессмысленно, если не указывается время в течении которого проводилось испытание. Хорошая BMS должна отключать аккумулятор при перегрузке, перезарядке, перегреве и слишком высоком напряжении. Для аккумулятора это жизненно важно

Стоимость. Один литиевый аккумулятор может быть почти в два раза дороже другого. Если это так, то очевидно, что в технологии изготовления и в способах использования аккумуляторов существуют различия. Однако нет смысла устанавливать дорогую модель, если более дешевая справится со своими задачами. Важно понять, что для вашей системы имеет решающее значение.

Максимальная скорость зарядки — одна из важных характеристик литиевого аккумулятора. У дешевых моделей ток зарядки может составлять всего 0,3C (30 А для аккумулятора емкостью 100 Aч). У дорогих — 1С или 100 А для аккумулятора той же емкости. Если необходимо максимально быстро заряжать единственный аккумулятор, потребуется модель рассчитанная на высокий ток. Но если в автомобиле есть место, то два менее дорогих аккумулятора  так же дадут возможность использовать ток силой 100 А,  скорость зарядки снизится, но зато емкость батареи увеличится до 200 Ач.

На автомобиле может быть установлено две сервисных аккумуляторных батареи, одна 12, а другая 24-вольтовая. Для их зарядки потребуется два устройства: 12-12 и 12-24 с суммарным номиналом не превышающим возможности генератора. В противном случае для эффективной работы у генератора не останется избыточной мощности. Это не создаст технических проблем, но расчеты придется скорректировать соответствующим образом

Время работы аккумулятора без подзарядки. В отличии от свинцово-кислотного у литиевого аккумулятора доступно 100% емкости. Параллельно можно соединять любое количество аккумуляторов. При последовательном соединении менее дорогие модели часто имеют ограничение в 48 В

Мощность получаемая от генератора. Эта характеристика влияет как на емкость литиевой батареи,  так и на выбор зарядного устройства. Современные автомобильные генераторы имеют мощность около 2000 Вт. Если в автомобиле есть место только для одного дополнительного аккумулятора емкостью 100 Ач, то для его зарядки подойдет устройство номиналом 30 А. С его помощью генератор сможет заряжать дополнительный аккумулятор током примерно 25 А  и будет передавать аккумуляторам 350 Вт. Модель, номиналом 60 А, увеличит передаваемую мощность до 800 Вт. Для аккумулятора емкостью 100 Ач с максимальным током 0,5С этого окажется достаточно

Использовать в автомобиле дорогой LiFePO4 аккумулятор выгодно, когда все три параметра — мощность генератора, номинал зарядного устройства и допустимый ток зарядки аккумуляторов соответствуют друг другу. Например, если мощность автомобильного генератора 1400 Вт, а номинал зарядного устройства 120 А, то для аккумуляторной батареи емкостью 100 Ач с рейтингом 0,5С зарядный ток окажется недопустимо высоким. Но для аккумулятора с рейтингом 1С выбранное оборудование вполне подойдет.

Установка литиевого аккумулятора

Таблица значений длительно допустимого постоянного тока в зависимости от сечения медного кабеля при напряжении 12 Вольт и температуре 60 С

Перед установкой аккумулятора необходимо убедится, что выбранные зарядные профили и разрядный ток соответствуют его характеристикам. Если это не так, BMS просто отключит аккумулятор из соображений безопасности. Если литиевый АКБ планируется заряжать от автомобильного генератора, особенно на автомобилях EURO 6,  необходимо использовать специальное зарядное устройство.

Вместо корпуса автомобиля в качестве отрицательного проводника, лучше использовать кабель, идущий от отрицательной клеммы сервисного к отрицательной клемме стартового аккумулятора.

Все кабели, подключенные к литиевой батарее, необходимо защищать предохранителями, установленными как можно ближе к аккумуляторной клемме. Номинал предохранителя должен на 30% превосходить максимально ожидаемый в цепи ток. Например, если к литиевому аккумулятору емкостью 100Ач подключено зарядное устройство на 60 А, то на входе и выходе устройства ставят предохранители по 80А

advanced-power.ru

техническая характеристика, классификация, инструкция по использованию, спецификация, установка и особенности эксплуатации

Для многих транспортных средств вес аккумуляторной батареи и скорость ее разрядки играют немаловажную роль. Специально для таких автомобилей производителями были созданы литиевые системы. В чем их преимущество перед кислотными АКБ, можно ли их эксплуатировать на современных машинах?

Что представляют собой литиевые батареи?

Литий-ионные аккумуляторы для авто в эпоху гибридных и электрических моделей отнюдь не являются новшеством: их можно встретить во многих машинах, с успехом дебютирующих на рынках. Батареи такого типа являются отличными источниками питания для электроавтомобилей. При этом их использование в обычных машинах потребует внесения определенных изменений в конструкцию.

История создания литиевых АКБ

Первые модели литий-ионных аккумуляторных батарей появились в 70-х годах прошлого века. Аккумуляторы, выполненные на их основе, обладали серьезными проблемами, устранить которые удалось только к 90-м годам. Причиной подобных проблем была высокая активность лития: при высоком токе могло произойти воспламенение батареи, в связи с чем производители отказались от применения чистого лития, перейдя на его ионы, что дало наименование АКБ.

В сравнении с литиевыми аккумуляторами, литий-ионные обладают меньшей энергетической плотностью, но более безопасны при условии соблюдения режимов заряда и разряда. В их состав не входит металлический литий, а процесс разряда и заряда заключается в переносе с одного электрода на другой ионов лития.

Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы

Первые модели литий-ионных автомобильных аккумуляторов состояли из катодного материала на алюминиевой фольге и анодного на медной фольге, помещенных внутрь корпуса и разделенных специальным сепаратором, пропитанным жидким электролитом.

Герметичный корпус АКБ оснащался клапаном сброса внутреннего давления. К клеммам анод и катод подключались токосъемниками.

В литиевых ионных автомобильных аккумуляторах заряд переносится положительно заряженными ионами лития, которые внедряются в кристаллические решетки других материалов - солей и кислот металлов, графита, образуя с ними химическую связь.

Изначально роль отрицательных пластин выполнял металлический литий, который впоследствии сменился на каменноугольный кокс и графит. Использование осксида кобальта позволило увеличить температурный диапазон работы АКБ и повысить количество циклов заряда/разряда.

В комплекте с литиевыми ионными аккумуляторами для авто имеются защитные платы типа BMS.

Виды литиевых батарей

Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу катодного материала:

  • LiCoO2. В качестве электролита используются твердые растворы на основе никелата лития.
  • LiMnO4 с литий-марганцевой шпинелью.
  • LiPol, литий-полимерный. Отличается от Li-Ion только полимерным, а не жидким электролитом. По характеристикам он значительно лучше своих аналогов: широкий температурный диапазон работы, различные форы корпуса, низкий саморазряд, большая плотность энергии на единицу массы.

LiFePO4

Литий-железо-фосфатный, или литий-феррофосфатный аккумулятор считается одним из наиболее перспективных и подходящих для установки на автомобиль. Катод включает железо и фосфаты и обладает следующими преимуществами:

  • большой эксплуатационный ресурс и медленная потеря емкости - даже спустя несколько лет работы его емкость больше, чем у Li-Ion аналогов;
  • стабильное напряжение на ячейки 3,2-3,3 В. При подключении всех четырех создает стандартное напряжение 12,8 В;
  • кобальт в подобных батареях не используется, соответственно, АКБ не наносит вреда окружающей среде;
  • пиковые точки более высокие, в отличие от аналогов;
  • небольшая скорость разряда;
  • термическая стабильность - не перегревается, не взрывается;
  • может работать в широком температурном диапазоне.

Конечно, у него есть и свои минусы - к примеру, его удельная плотность энергии меньше, чем у обычного литий-аккумулятора для автомобиля, на 14-15%. К тому же его эксплуатация требует обязательной установки плат защиты.

Преимущества литиевых АКБ

Для литий-ионных аккумуляторов для автомобиля характерны следующие достоинства:

  • небольшой вес, что снижает массу автомобиля;
  • сохранение заряда на протяжении длительного времени;
  • выдерживают большое количество циклов заряда и разряда.

Соотношение выхода безопасного тока к номинальной емкости у литий-ионных аккумуляторов значительно выше. Соответственно, на выполнение конкретного объема работы им требуется значительно меньше времени, чем кислотным батареям. Такие АКБ могут поглощать и сбрасывать большое количество тока. Впрочем, литий-ионные аккумуляторы для автомобиля не являются панацеей и обладают своими недостатками.

Минусы Li-Ion батарей

Литиевые АКБ сильно зависят от температуры окружающей среды: при понижении температуры падает их мощность. Внутри локальных ячеек нередко происходят сбои, из-за которых такие источники питания требовательны к качеству зарядки. Стоимость литий-ионных аккумуляторов для автомобиля значительно выше, чем цена стандартных батарей, ввиду чего литий-ионные АКБ являются неконкурентоспособными.

Генераторы, устанавливаемые на автомобили, не способны выработать достаточный переменный ток для заряда литиевого аккумулятора, поскольку не приспособлены для этого. Литиевые АКБ, эксплуатируемые в основном в теплом климате, оснащаются конвектором заряда, создающего переменный ток и преобразующего его для использования в литий-ионных аккумуляторах для автомобиля. Заряд уравновешивается благодаря специальной цепи, равномерно распределяясь между четырьмя основными ячейками. Масса такого источника значительно меньше свинцового, что является дополнительным преимуществом.

Особенности эксплуатации

Литиевые батареи заряжаются при минимальном напряжении 2,7 В и максимальном 4,2 В. Диапазон был значительно снижен производителями (до 3,3-4,1 В) с целью продления сроков эксплуатации. Заряд литиевых аккумуляторов, устанавливаемых на современных автомобилях, должен постоянно находиться в пределах 45% для сохранения максимального рабочего ресурса АКБ.

Учитывая, что литий обладает высокой активностью, разбор аккумуляторной батареи необходимо проводить только при наличии определенных навыков. Лицо и руки обязательно должны быть закрыты специальными защитными средствами. Конструкция подобных элементов питания подразумевает наличие элементов, способных нанести вред окружающей среде, ввиду чего подобные батареи необходимо утилизировать, а не выбрасывать.

Требуемые изменения

Установка литий-ионного аккумулятора для автомобиля обладает определенными преимуществами и недостатками. Основным достоинством такого типа АКБ является их небольшой вес, что позволяет снизить общую массу автомобиля, пусть и ненамного.

Вес аккумуляторной батареи играет немалую роль в том случае, если автомобиль будет использоваться для скоростной езды. Спорным моментом, отмечаемым в отзывах о литий-ионном аккумуляторе для автомобиля, является его высокая стоимость: цена на такие батареи в несколько раз выше, чем на стандартные АКБ. Замена свинцово-кислотного АКБ на литий-ионный потребует от автовладельца крупных вложений.

Резюме

Литий-ионные аккумуляторы для автомобилей не пользуются особой популярностью по разным причинам:

  • Стоимость. Классические свинцово-кислотные батареи аналогичной емкости стоят в два-четыре раза дешевле, чем литий-ионные.
  • Плохая переносимость отрицательных температур - заряжать их при 0 градусов и ниже не рекомендуется.
  • Плата защиты и балансировки. В зависимости от технологии изготовления литиевые батареи состоят из нескольких банок. При разнице напряжений на элементах одна из банок может выйти из строя либо воспламениться. Для равномерного прохождения заряда по каждой банке требуется установка специального балансира, чего не нужно при эксплуатации свинцового аккумулятора.
  • Противопоказана постоянная зарядка от генератора. Требуется установка специальных защитных плат.
  • При повреждении литий-ионных аккумуляторов для автомобиля или отказе системы защиты провоцируется постоянная зарядка, что может привести к воспламенению, которое практически невозможно потушить из-за того, что огонь поддерживается без доступа кислорода и с температурой более 3000 градусов. В плане безопасности самым лучшим считается LiFePo4 аккумулятор, который не взрывается и почти не поддерживает горение.

С учетом высокой стоимости и прочих особенностей литиевые аккумуляторы являются не самым лучшим вариантом батарей для автомобиля. Приобретать подобные АКБ стоит только в том случае, если для автовладельца важен вес транспортного средства.

fb.ru

Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору?

Недавно мы рассказывали об истории изобретения литий-ионных аккумуляторов, которые дали мощнейший толчок развитию портативной электроники. Каждый год технологические СМИ сообщают нам о готовящейся энергетической революции — ещё чуть-чуть, еще год-другой, и мир увидит аккумуляторы с фантастическими характеристиками. Время идет, а революции не видно, в наших телефонах, ноутбуках, квадрокоптерах, электромобилях и смарт-часах по-прежнему установлены разные модификации литий-ионных батарей. Так куда делись все инновационные аккумуляторы и есть ли вообще какая-то альтернатива Li-Ion?

Когда ждать аккумуляторную революцию?


Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной. Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).

Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.

Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.

Главная проблема «революционных» батарей


Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.

Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.

Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?

Неудачные эксперименты


Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.

В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.

Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.

Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.

Сравнение размеров литий-металлической и литий-ионной батарей равной емкости. Источник: SolidEnergy Systems

Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.

Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.

Выработка вместо накопления энергии


Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.

Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.

В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.

Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.

Видео с демонстрацией заправки и работы Toshiba Dynario

Дальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.

Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.


Разработчик и Университете Мичигана демонстрирует прозрачную панель без рамки. Источник: YouTube / Michigan State University

Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.

Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.

Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.

А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion


Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.

Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.

Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.

Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.


Новая NMC-батарея электрокара Nissan Leaf по расчетам производителя проживет 22 года. Прошлый LMO-аккумулятор имел меньшую емкость и изнашивался гораздо быстрее. Источник: Nissan

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.


Массив литий-фосфатных ячеек с общей емкостью 145,6 кВт⋅ч. Такие массивы используют для безопасного накопления энергии с солнечных батарей. Источник: Yo-Co-Man / Wikimedia

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.

Видео вскрытия святая святых — NCA-ячейки батареи электромобиля Tesla Model S

Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.


SCiB-модуль производства Toshiba с емкостью 45 А·ч, номинальным напряжением 27,6 В и током разрядки 160 А (импульсно до 350 А). Весит 15 кг, а размером с коробку для обуви: 19х36х12 см. Источник: Toshiba

Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.

Тест литий-титанатной батареи Toshiba на разгерметизацию. Загорится или нет?

Энергетическая сингулярность


Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.

А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.


Долго ли ждать атомных батареек? Пожалуйста, City Labs P200 — 2,4 В, 20 лет службы, правда, мощность до 0,0001 Вт и цена около $8000. Источник: City Labs

С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.

habr.com

Литий-ионный аккумулятор — Википедия

Литий-ионный аккумулятор цилиндрический, типоразмера 18650 Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический[1]

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили.

Основной источник: [2]

Впервые принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов на основе способности дисульфид титана или дисульфид молибдена включать в себя ионы лития при разряде аккумулятора и экстрагировать их при зарядке была показана в 1970 году Майклом Стэнли Уиттингемом. Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение - 2,3 В и высокая пожароопасность вследствие образования дендритов металлического лития, замыкающих электроды.

Позднее Дж. Гуденафом были синтезированы другие материалы для катода литиевого аккумулятора - кобальтит лития LixCoO2(1980 год), феррофосфат лития LiFePO4 (1996 год). Преимуществом таких аккумуляторов является более высокое напряжение - около 4 В.

Современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития изобрёл в 1991 году Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году.

В настоящее время ведутся исследования по поиску материалов на основе кремния и фосфора, обеспечивающих повышенную емкость интеркалирования ионов лития и по замене ионов лития на ионы натрия.

Нобелевская премия по химии 2019 года была вручена троим перечисленным выше учёным "За создание литий-ионных батарей".

При использовании литий-ионных аккумуляторов в составе батарей без балансирующего устройства, часть из них окажется переразряженной (B) при работе батареи или перезаряженной (C) либо не дозаряженной (D) до номинальной ёмкости во время зарядки батареи

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

Контроллер заряда/разряда (плата защиты) цилиндрического литий-ионного аккумулятора, конструкционно припаянный к отрицательному контакту аккумулятора и обратной фольгированной стороной выполняющий его функции. На снимке частично демонтирован и отсоединён от проводника, идущего к положительному контакту аккумулятора

Часто в корпус аккумулятора встраивают контроллер защиты (или PCM-плата (англ. Protection Circuit Module)), который отключает аккумулятор, предотвращая превышение напряжения заряда, чрезмерный разряд и превышение температуры, приводящие его к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может опционально ограничивать ток потребления. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения стоимости производители могут не устанавливать её. Кроме того, в устройствах в которых встроен контроллер защиты, а также в аккумуляторных батареях (к примеру ноутбуков) используются только аккумуляторы без встроенной платы защиты[7].

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно. Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного отличаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда/разряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные, так как переразряд или перезаряд литий-ионных аккумуляторов выводит их из строя. Эту функцию выполняет специальный узел — балансир[en] (или BMS-плата (англ. Battery Management System)[8]). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё. Балансиры одновременно выполняют функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом[9][10].

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25В.

Кроме контроллера защиты, литий-ионные, а также литий-полимерные аккумуляторы выпускаемые в формфакторах АА и ААА с напряжением 1,5 В (не следует путать с аналогичного размера формфакторами 14500 и 10440 напряжением 3,7 В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания напряжением тоже 1,5 В) оборудуются встроенными электронными преобразователями напряжения. Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на выходе на контактах в 1,5 В независимо от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда напряжение самой литиевой ячейки становится ниже допустимого (срабатывает плата защиты).

Литий-ионный аккумулятор. Схема работы

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
  • литий-феррофосфат LiFePO4.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

  • литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6
  • литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

  • Высокая энергетическая плотность (ёмкость).[источник не указан 743 дня]
  • Низкий саморазряд.
  • Высокая токоотдача.
  • Большое число циклов заряд-разряд.
  • Не требуют обслуживания.

Широко применяемые литий-ионные аккумуляторы при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными.

  • Огнеопасны
  • Теряют работоспособность при переразряде
  • Теряют ёмкость на холоде

Взрывоопасность[править | править код]

Статья или раздел содержит противоречия и не может быть понята однозначно.

Следует разрешить эти противоречия, используя более точные авторитетные источники или корректнее их цитируя. На странице обсуждения должны быть подробности.
Вздувшийся литий-ионный аккумулятор в плоском алюминиевом корпусе типоразмера ENEL10 (Li-42B, NP-45). Бумажная этикетка снята

Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.[источник не указан 622 дня]

Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию.[18][19][20] Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова, что может приводить к тяжким последствиям.[21] Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.[22][23]

Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих вещества для поддержания горения, горючие газы от электролита[24], а также в случае не LiFePO4 электродов[25], выделяется кислород. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Целью тушения может быть лишь снижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения пламени[26][27][28].

Эффект памяти[править | править код]

Традиционно считается, что, в отличие от Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторы полностью избавлены от эффекта памяти. По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) в 2013 году этот эффект был таки обнаружен, но оказался ничтожен.[29]

Причиной его является то, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки.[30] Во время зарядки ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарного напряжения батареи. Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

Требования к режимам заряда/разряда[править | править код]

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать[31].

Старение[править | править код]

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C:[32]

Температура, ⁰C С 40%-м зарядом, % за год Со 100%-м зарядом, % за год
0 2 6
25 4 20
40 15 35
60 25 40 % за три месяца

Снижение ёмкости при низких температурах[править | править код]

Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов. Разряд аккумулятора при температуре не ниже, указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса). Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам при зарядке АКБ, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.[33]

Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом.[34]

  1. А.М. Скундин, О.А. Брылев. Наноматериалы в современных химических источниках тока (неопр.). МГУ (2011).
  2. Татьяна Кулова. Аккумуляторы, изменившие жизнь // Наука и жизнь. — 2019. — № 12. — С. 2-7.
  3. ↑ Li-ion 4.35V vs 4.20V сколько теряем? Тест SANYO UR18650ZTA. / Зарядки, пауэрбанки, провода и переходники / iXBT Live (рус.). iXBT Live (26 августа 2018). Дата обращения 18 октября 2019.
  4. ↑ Топовые аккумуляторы 21700: LG M50 5000мАч vs Samsung 48G 4800мАч / iXBT Live (рус.). iXBT Live (30 июня 2018). Дата обращения 18 октября 2019.
  5. ↑ Sony VTC6A и VTC6 с одинаковыми Matrix-кодами - результаты тестов (неопр.). www.ecigtalk.ru. Дата обращения 18 октября 2019.
  6. ↑ Samsung INR18650-25R Specification
  7. Н. Бровка, О. Янченков Применение специализированных микропроцессоров для построения схем контроля и защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей // Журнал «Компоненты и Технологии». — № 3, 2007 г. С. 132—135. ISSN 2079-6811.
  8. ↑ Обзор BMS контроллера заряда литий-ионных аккумуляторов 18650 3.7В на YouTube
  9. Сердечный Д. В., Томашевский Ю. Б. Управление процессом заряда многоэлементных литий-ионных аккумуляторных батарей / Научная статья // Журнал «Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль». — № 3 (21), 2017 г. С. 115—123. УДК 621.314. DOI 10.21685/2307-5538-2017-3-16. ISSN 1999-5458.
  10. Сазонов И. Е., Лукьяненко М. В. Выравнивание заряда в литий-ионных аккумуляторных батареях / Научная статья // Сборник материалов IX Междунарародной научно-практической конференции, посвящённой Дню космонавтики]]. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» [Электронныйресурс]. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева — № 9, т. 1, 2013 г. С. 204. УДК 537.22. ISSN 1999-5458.
  11. ↑ [1].
  12. ↑ [2].
  13. ↑ [3].
  14. ↑ [4]
  15. ↑ [5]
  16. ↑ [6].
  17. ↑ [7].
  18. ↑ Возгорания на Dreamliner связаны с аккумуляторами
  19. ↑ Samsung отзывает Galaxy Note 7 из-за возможности возгорания
  20. ↑ Находившийся за рулем Tesla бывший агент ФБР погиб в ДТП
  21. ↑ Should You Be Worried About Your E-Cigarette Exploding?
  22. ↑ Лайнер экстренно сел из-за загоревшегося планшета Samsung
  23. ↑ Lithium Batteries as Cargo in 2016 Update III
  24. Bandhauer Todd M., Garimella Srinivas, Fuller Thomas F. A Critical Review of Thermal Issues in Lithium-Ion Batteries (англ.) // Journal of The Electrochemical Society. — 2011. — Vol. 158, no. 3. — P. R1. — ISSN 0013-4651. — doi:10.1149/1.3515880. [исправить]
  25. Zaghib K., Dubé J., Dallaire A., Galoustov K., Guerfi A., Ramanathan M., Benmayza A., Prakash J., Mauger A., Julien C.M. Enhanced thermal safety and high power performance of carbon-coated LiFePO4 olivine cathode for Li-ion batteries (англ.) // Journal of Power Sources. — 2012. — December (vol. 219). — P. 36—44. — ISSN 0378-7753. — doi:10.1016/j.jpowsour.2012.05.018. [исправить]
  26. ↑ http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php
  27. ↑ Гореть, а не тлеть! Что на самом деле случилось с электроседаном Tesla Motors?
  28. ↑ Аспекты безопасности литий-ионных аккумуляторов
  29. ↑ Paul Scherrer Institut (PSI) :: Memory effect now also found in lithium-ion batteries (неопр.). Дата обращения 2 мая 2013. Архивировано 11 мая 2013 года.
  30. ↑ Экономия батареи на Андроид: советы и мифы | AndroidLime (неопр.). androidlime.ru. Дата обращения 29 февраля 2016.
  31. Мельничук О. В., Фетисов В. С. Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами / Научная статья // Журнал «Электротехнические и информационные комплексы и системы». — № 2, т. 12, 2016 г. С. 41-48. УДК 621.355.9. ISSN 1999-5458.
  32. ↑ 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов (рус.)
  33. ↑ Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторов (рус.)
  34. ↑ Независимая интернет-газета «Новый взгляд». 22.01.2016.Созданы литий-ионные аккумуляторы с подогревом

ru.wikipedia.org

описание, достоинства и недостатки АБК для авто

Автомобилисты в редких случаях интересуются содержимым автомобиля, в частности, массой и быстротой разрядки АКБ. Но есть модели машин, которым крайне важны подобные характеристики. Специально для таких транспортных средств специалисты придумали литиевые аккумуляторы для авто. Автовладельцам будет очень полезно узнать об особенностях и достоинствах этих устройств.

Общее описание и преимущества

В эру гибридных и электрических автомобилей литиевые аккумуляторы для автомобиля (Li Ion) уже не являются какой-либо инновацией. Такие приоры встречаются во многих электромобилях, к примеру, Toyota Prius или Ford Fusion. Эти АКБ считаются самым оптимальным источником энергии для транспортных средств электрического типа. Но для эксплуатации в обычном авто, придется немного повозиться.

Литий ионные аккумуляторы для автомобиля обладают следующими достоинствами:

  • незначительная масса;
  • продолжительное сохранение заряда;
  • способность выдерживать многократную подзарядку.

Кроме того, литиевые аккумуляторы для машины характеризуются более оптимальным соотношением выходного тока относительного емкости. Поэтому, по сравнению с кислотными моделями, для некоторых операций понадобится гораздо меньшее количество электроэнергии.

Автомобилисты отмечают и то, что эти АКБ никогда не взрываются, потому что отличаются высокой термической стабильностью. Но такая безопасность возможна лишь при наличии встроенного стабилизатора, который является одной из причин дороговизны подобных моделей автомобильных аккумуляторов.

Основные недостатки

Показатели мощности автомобильный литий ионных аккумуляторов значительно уменьшаются в условиях низких температур. Кроме этого, из-за сбоев внутри аккумуляторных ячеек, литиевые АКБ очень привередливы к качеству подзарядки. Их стоимость в 14−15 раз больше цены классических аккумуляторных батарей.

Опытные автовладельцы знают, что генератор в большинстве машин не может полноценно подзарядить литиевую батарею. Поэтому во многих случаях приобретать ее совершенно нецелесообразно с экономической точки зрения.

Предназначенный для интенсивного применения в условиях теплого климата, этот АКБ оборудован специальным конвектором, который берет выход из образующего ток генератора и преобразует его в оптимальное для Li Ion батареи напряжение. Благодаря специально разработанной электроцепи, заряд оптимизируется и равномерно отправляется на ячейки аккумулятора.

Помимо всего прочего, некоторые владельцы авто отмечают проблемы литиевых АКБ с высокими нагрузочными электротоками. Если стандартный прибор на 60 А/ч с легкостью отдает в нагрузку 190−300 А на стартер, то литиевые модели могут в результате подобной манипуляции прийти в негодность.

Безопасность и эксплуатация

Следует запомнить, что для литиевых АКБ максимальный заряд равен 4,2 В, а минимальный — 2,7 В. Чтобы продлить срок службы своей продукции производители определили более конкретное значение — от 3,3 до 4,1 В. Результаты многочисленных исследований показывают, что для продления срока эксплуатации литиевых аккумуляторных батарей, их заряд всегда должно лежать в районе 45%. Перезарядка или глубокий разряд пагубно сказывается на их сроке «жизни».

Учитывая то, что литий характеризуется высокой химической активностью, разбирать аккумуляторы на его основе необходимо исключительно при наличии особых навыков. При этом нужно обязательно пользоваться средствами защиты рук и глаз (специальные очки и прорезиненные перчатки).

Эти источники электричества содержат в своем составе элементы, которые могут навредить здоровью:

  • животных;
  • растений;
  • почвы;
  • людей.

Поэтому отработавшие и неисправные литиевые автомобильные аккумуляторы запрещено выбрасывать. При необходимости избавиться от устройства, их необходимо относить в специальные компании, которые занимаются утилизацией и переработкой подобных отходов. Кроме того, на территории ряда государств сброс такого мусора может повлечь за собой наказание в виде довольно большого штрафа.

Конечно, применением литий ионных аккумуляторов имеет свои достоинства. Но недостатки этих приборов должны обязательно учитываться при их эксплуатации. К самым явным преимуществам таких устройств относится их небольшая масса. Если нет необходимости участвовать в длительных гонках, то 2−4 кг массы, потерянных в результате замены АКБ, не станут решающими в выборе подходящего аккумулятора.

Если же масса аккумулятора очень важна, то литий ионные АКБ 12В — самый оптимальный вариант, за который придется выложить немало денег. Так или иначе, но покупать аккумуляторные батареи нужно у проверенных продавцов. Если этим правилом пренебречь, то можно столкнуться с бракованной или фальсифицированной продукцией.

sovety.guru


Смотрите также