Литий-ионные аккумуляторы

Конструкция и применяемые материалы

Основой для отрицательного электрода в Li-ion аккумуляторах служит углеродная матрица. Она может изготавливаться из природного или синтетического графита, кокса, пиролизного или мезофазного углерода, сажи и др. Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов изготавливаются из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

Li-ion батарея

Конструктивно Li-ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и плоском вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помещен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку.

Плоские аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Они обеспечивают более плотную упаковку в батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых плоских аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в спираль. Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше типов конструкций.

Схема работы Li-ion аккумулятора

Разноименные электроды разделяются сепаратором из пористого полипропилена. Конструкция Li-ion отличается абсолютной герметичностью. Это необходимо для предотвращения вытекания жидкого электролита и попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролитом и полностью выводят аккумулятор из строя.

Преимущества и недостатки

Li-ion аккумуляторы обладают рядом неоспоримых достоинств: повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность. Литиевые батареи принимают высокий ток зарядки и разрядки. Поэтому зарядка займет меньше времени, пройдет более эффективно (это полезно при рекуперации энергии во время торможения).

Однако при этом нельзя допускать перегрева: чем выше ток, тем сильнее нагрев. И вопрос не только в сокращении срока службы аккумуляторов, но и в риске возникновения пожара, так как у лития низкая устойчивость к возгоранию. Поэтому еще на стадии производства строго следят за технологией: мельчайшая примесь в сепараторе ячеек может способствовать возникновению внутренних замыканий, которые в состоянии нагреть литий до температуры возгорания. Под крышкой аккумулятора устанавливается устройство, реагирующее на повышение температуры увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. В ходе эксплуатации за безопасностью следит специальная электроника, контролирующая температуру в каждой ячейке, температуру модуля, в котором они собраны, и температуру пакета аккумуляторов. Необходима и эффективная охлаждающая система.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет всего лишь 4-6 % за первый месяц, затем - еще меньше: за год аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в зависимости от температуры в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Ресурс-500-1000 циклов.

Применение в гибридах и электромобилях

При создании гибридов и электромобилей разработчики все чаще применяют литий-ионные батареи. Во-первых, это связано с их лучшим весовым качеством (отношением запасенной энергии к массе). Современные батареи, применяемые на автомобилях, способны вмещать 0,8-2,6 кВт*ч на килограмм собственного веса. Во-вторых, они допускают более глубокий заряд и разряд. Если для никель-металлгидридного аккумулятора оптимальный диапазон зарядки составляет от 40% до 60%, то есть всего 20% общей емкости, то для литий-ионного она в 2,5 раза больше: от 25% до 75%. Срок их службы больше. Например, гарантия на литий-ионную батарею французской фирмы SAFT составляет 10 лет, а на никель-металлгидридную производства Panasonic – только 8 лет. Есть у литий-ионных батарей и существенные недостатки. Во-первых, невозможность реанимировать полностью разряженный аккумулятор. Во-вторых, для работы им нужно обеспечить узкий температурный диапазон от 25 до 45 градусов. Если их не согревать зимой, емкость упадет на треть при -10, и наполовину при -20 градусов. Летом еще опаснее: при 55-60 градусах аккумуляторы начинают разрушаться – их приходится охлаждать даже при стоянке на солнцепеке. Высока и себестоимость, которая может достигать до половины цены всего электромобиля. Однако будущее все равно за литий-ионными батареями.

История создания Li-ion аккумуляторов

Первичные химические источники тока с литиевым анодом появились в 70-х годах. Однако при создании аккумуляторов, составленных из них, возникли серьезные проблемы, которые были преодолены только к середине 90-х годов. Эти проблемы были связаны с активностью лития: при больших токах происходил разогрев и самовозгорание батареи. Поэтому от применения чистого лития отказались, а решили использовать его ионы. Отсюда и пошло название аккумуляторов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, зато они безопасны при условии соблюдения правильных режимов заряда и разряда. В них отсутствует металлический литий, а процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой.