Літій-іонний акумулятор (Li-ion) - тип електричного акумулятора, який широко поширений у сучасній побутовій електронній техніці і знаходить своє застосування як джерело енергії в електромобілях та накопичувачах енергії в енергетичних системах. Це найпопулярніший тип акумуляторів у таких пристроях як мобільні телефони, ноутбуки, цифрові фотоапарати, відеокамери та електромобілі.
Типи літій-іонних акумуляторів
Залежно від хімічного складу та пристрою, літій-іонні поділяються на типи, що сильно відрізняються споживчими якостями:
Літій-кобальтові (ICR)
Цей різновид має найвищу ємність, але вимогливі до умов роботи, мають дуже обмежений ресурс.
- Робочий діапазон напруг – від 3 до 4,2 В.
- Найвища питома енергоємність - до 250 Втч/кг,
- Піковий струм розряду – не більше двох ємностей (тобто акумулятор 2 Ач має дозволений струм 4 А),
- Тривалий струм розряду – не більше однієї ємності.
- Температура тривалого зберігання акумуляторів: −5 °C при 40-50% заряду.
Літій-кобальтові акумулятори вибухонебезпечні і можуть спалахувати при перегріві або внаслідок глибокого розряду. З цих причин вони зазвичай забезпечуються захисною платою та мають маркування Protected.
- Напруга розряду - не нижче 3 В. Вибухонебезпечні при пошкодженні корпусу, що швидко старіють (середній термін життя - 3-5 років,
- У циклах "заряд-розряд" - не більше 500).
- Небажана зарядка великим струмом.
- Вкрай токсичні при запаленні.
Літій-марганцеві (IMR або INR)
Більш довговічні та безпечні, ніж кобальтові, допустима зарядка великим струмом.
- Робочий діапазон напруги: від 2,5 до 4,2 В.
- Питома енергоємність: 140 – 150 Втч/кг.
- Ресурс: близько 5-6 років – до 1000 циклів «заряд-розряд».
- Високий струм під навантаженням: 5 ємностей.
- Гранична межа розряду – 2,5 В, проте можливе зниження ресурсу.
INR-акумулятори рідко забезпечують захисною платою, але зарядний ланцюг завжди має обмеження напруги.
- Непрацездатні нижче: -10 °C.
- Достатньо безпечні у використанні, не вибухають і не спалахують.
- Мають низький саморозряд.
Залізофосфатні акумулятори (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR)
Останнє покоління із найбільшим ресурсом.
- Робочий діапазон напруги: від 2 до 3,65 В,
- Номінальна напруга: 3,2 Ст.
- Питома енергоємність: приблизно 150 Втч/кг.
- Ресурс: 10-20 років,
- Приблизно 1500-3000 циклів заряд-розряд (до 8000 в м'яких умовах).
Високий струм під навантаженням (до 10 ємностей) та стабільна напруга розряду ідеальні для електромобілів, марсоходів, велосипедів та подібних застосувань.
- Розряд поблизу нижньої межі напруги (2) може знижувати ресурс.
- Допустиме заряджання великим струмом із збереженням безпеки.
- За найважчих умов експлуатації не виділяють газу, не вибухають і не спалахують.
Літій-титанатні акумулятори (LTO)
Найвища довговічність та широкий температурний інтервал роботи.
- Робочий діапазон напруги: від 1,6 до 2,7 В, номінальна напруга: 2,3 В.
- Питома енергоємність: приблизно 100 Втч/кг.
- Ресурс: понад 15 000 циклів заряд-розряд.
- Температурний діапазон: від –60 °C до +60 °C.
Має дуже низький опір, що дозволяє використовувати надшвидкий заряд і низький саморозряд, приблизно 0,02% на добу.
Технічні показники
Основні показники елементів, що залежать від хімскладу, знаходяться в межах:
1. Напруга одиничного елемента:
- максимальне: 4,2 (або 4,35/4,40 для високовольтних);
- мінімальне: 2,5 (або 2,8/3,0 для високовольтних);
2. питома енергоємність: 110 ... 270 Вт · год / кг;
3. Внутрішній опір: 4…15 мОм;
4. Число циклів заряд-розряд до зниження ємності до 80%: 600;
5. Час швидкого заряду: 1:00;
6. Саморозряд залежить від температури зберігання та ступеня заряду. При температурі 25°C та заряді 100% ≈1,6% на місяць;
7. Струм навантаження щодо ємності, представленої в А·ч:
- постійний: до 5С;
- імпульсний: до 50С;
- оптимальний: до 1С;
8. Діапазон робочих температур: від -20 ° C до +60 ° C (оптимальна +23 ° C);
Захисні пристрої акумулятора
Майже завжди в корпус акумулятора вбудований контролер PCM-плата (англ. Protection Circuit Module), який керує зарядкою та захищає акумулятор від перевищення напруги заряду, надмірного розряду та перевищення температури, що призводять до передчасної деградації або руйнування. Також цей контролер може обмежувати струм споживання, захищати від короткого замикання. Тим не менш, треба враховувати, що не всі акумулятори мають захист. Виробники можуть не встановлювати її з метою зниження вартості, ваги, а також у пристроях, в яких вбудований контролер захисту, акумуляторні батареї (наприклад, ноутбуки) використовують акумулятори без вбудованої плати захисту.
Акумулятори літієві мають спеціальні вимоги при підключенні декількох осередків послідовно. Зарядні пристрої для таких багатоскладових акумуляторів із осередками або самі акумуляторні батареї мають схему балансування осередків. Сенс балансування в тому, що електричні властивості осередків можуть трохи відрізнятися, і якийсь осередок досягне повного заряду/розряду раніше за інших. При цьому необхідно припинити заряд цього осередку, продовжуючи заряджати решту, оскільки перерозряд або перезаряд літій-іонних акумуляторів виводить їх з ладу. Цю функцію виконує спеціальний вузол - балансир BMS-плата (англ. Battery Management System). Він шунтує заряджену комірку так, щоб струм заряду йшов повз неї. Балансири одночасно виконують як функцію плати захисту щодо кожного акумулятора, так і батареї в цілому.
Зарядні пристрої можуть підтримувати кінцеву напругу заряду в діапазоні 415-425В.
Існують літій-іонні та літій-полімерні акумулятори типорозмірів АА та ААА з напругою 1,5В. Вони мають не тільки схему захисту, а й вбудований електронний перетворювач напруги (DC-DC converter). Відмінність таких акумуляторів - стабілізована напруга на контактах в 1,5В незалежно від робочої напруги самої комірки акумулятора і його моментальне обнулення, коли літієва комірка розряджається до нижньої допустимої межі і спрацьовує захист від надмірного розряду. Такі акумулятори можна сплутати з схожими за розмірами акумуляторами 14500 і 10440 напругою 3,7В, а також одноразовими літієвими елементами живлення, що не заряджаються. Усі вони відрізняються маркуванням.
Улаштування
Літій-іонний акумулятор складається з електродів (катодного матеріалу на алюмінієвій фользі та анодного матеріалу на мідній фользі), розділених пористим сепаратором, просоченим електролітом. Пакет електродів поміщений у герметичний корпус, катоди та аноди приєднані до клем-струмознімачів. Корпус іноді оснащують запобіжним клапаном, що скидає внутрішній тиск при аварійних ситуаціях або порушення умов експлуатації. Літій-іонні акумулятори відрізняються за типом використовуваного катодного матеріалу. Переносником заряду в літій-іонному акумуляторі є позитивно заряджений іон літію, який має здатність впроваджуватися (інтеркалюватися) в кристалічну решітку інших матеріалів (наприклад, графіт, оксиди і солі металів) з утворенням хімічного зв'язку, наприклад: графіт з утворенням LiC6, оксид (LiMnO2) та солі (LiMnRON) металів.
Спочатку як негативні пластини застосовувався металевий літій, потім — кам'яновугільний кокс. Надалі став застосовуватись графіт. Застосування оксидів кобальту дозволяє акумуляторам працювати за значно нижчих температур, підвищує кількість циклів розряду/заряду одного акумулятора. Поширення літій-залізо-фосфатних акумуляторів зумовлено їхньою відносно низькою вартістю. Літій-іонні акумулятори застосовуються в комплекті із системою контролю та управління - BMS (battery management system), - і спеціальним пристроєм заряду/розряду.
В даний час у масовому виробництві літій-іонних акумуляторів використовуються три класи катодних матеріалів:
- кобальтат літію LiCoO2 та тверді розчини на основі ізоструктурного нікелату літію;
- літій-марганцева шпинель LiMn2O4;
- літій-ферофосфат LiFePO4.
Електрохімічні схеми літій-іонних акумуляторів:
- літій-кобальтові LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6;
- літій-феро-фосфатні LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6;
Завдяки низькому саморозряду і великій кількості циклів заряду/розряду, Li-ion-акумулятори найкращі для застосування в альтернативній енергетиці. При цьому, крім системи СКУ, вони укомплектовуються інверторами (перетворювачі напруги).
Переваги
- Низький саморозряд.
- Висока струмовіддача.
- Багато циклів заряд-розряд.
- Не вимагають обслуговування.
Недоліки
Літий-іонні акумулятори, що широко застосовуються при перезарядженні, недотриманні умов заряду або при механічному пошкодженні, часто бувають надзвичайно вогненебезпечними.
- Вогненебезпечні;
- Втрачають працездатність при перерозряді;
- Втрачають ємність на холоді.
Відгуків: 1 / Написати відгук
