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.
Типы литий-ионных аккумуляторов
В зависимости от химического состава и устройства, литий-ионные разделяются на типы, сильно различающиеся потребительскими качествами:
Литий-кобальтовые (ICR)
Эта разновидность имеет самую высокую ёмкость, но требовательны к условиям работы, имеют весьма ограниченный ресурс.
- Рабочий диапазон напряжений - от 3 до 4,2 В.
- Самая высокая удельная энергоемкость - до 250 Втч/кг,
- Пиковый ток разряда - не более двух ёмкостей (то есть аккумулятор 2 Ач имеет разрешённый ток 4 А),
- Длительный ток разряда - не более одной ёмкости.
- Температура длительного хранения аккумуляторов: −5 °C при 40-50% заряда.
Литий-кобальтовые аккумуляторы взрывоопасны и могут воспламеняться при перегреве или вследствие глубокого разряда. По этим причинам они обычно снабжаются защитной платой и имеют маркировку Protected.
- Напряжение разряда - не ниже 3 В. Взрывоопасны при повреждении корпуса, быстро стареют (средний срок жизни - 3-5 лет,
- В циклах «заряд-разряд» - не более 500).
- Нежелательна зарядка большим током.
- Крайне токсичны при воспламенении.
Литий-марганцевые (IMR или INR)
Более долговечны и безопасны, чем кобальтовые, допустима зарядка большим током.
- Рабочий диапазон напряжений: от 2,5 до 4,2 В.
- Удельная энергоемкость: 140 - 150 Втч/кг.
- Ресурс: порядка 5-6 лет - до 1000 циклов «заряд-разряд».
- Высокий ток под нагрузкой: до 5 ёмкостей.
- Предельная граница разряда - 2,5 В, однако возможно снижение ресурса.
INR-аккумуляторы редко снабжают защитной платой, но зарядная цепь всегда имеет ограничение по напряжению.
- Неработоспособны ниже: −10 °C.
- Достаточно безопасны в использовании, не взрываются и не воспламеняются.
- Имеют низкий саморазряд.
Железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR)
Последнее поколение с наибольшим ресурсом.
- Рабочий диапазон напряжений: от 2 до 3,65 В,
- Номинальное напряжение: 3,2 В.
- Удельная энергоемкость: примерно 150 Втч/кг.
- Ресурс: 10-20 лет,
- Примерно 1500-3000 циклов «заряд-разряд» (до 8000 в мягких условиях).
Высокий ток под нагрузкой (до 10 ёмкостей) и стабильное напряжение разряда идеальны для электромобилей, марсоходов, велосипедов, и подобных применений.
- Разряд вблизи нижней границы напряжения (2 В) может снижать ресурс.
- Допустима зарядка большим током с сохранением безопасности.
- При самых тяжёлых условиях эксплуатации не выделяют газа, не взрываются и не возгораются.
Литий-титанатные аккумуляторы (LTO)
Наивысшая долговечность и широкий температурный интервал работы.
- Рабочий диапазон напряжений: от 1,6 до 2,7 В, номинальное напряжение: 2,3 В.
- Удельная энергоёмкость: примерно 100 Втч/кг.
- Ресурс: более 15 000 циклов «заряд-разряд».
- Температурный диапазон: от −60 °C до +60 °C.
Имеет очень низкое сопротивление, позволяющее использовать сверхбыстрый заряд, и низкий саморазряд, примерно 0,02% в сутки.
Технические показатели
Основные показатели элементов, зависящие от химсостава, находятся в следующих пределах:
1. Напряжение единичного элемента:
- максимальное: 4,2 В (или 4,35/4,40 В для высоковольтных);
- минимальное: 2,5 В (или 2,8/3,0 В для высоковольтных);
2. удельная энергоёмкость: 110…270 Вт·ч/кг;
3. Внутреннее сопротивление: 4…15 мОм;
4. Число циклов заряд-разряд до снижения ёмкости до 80%: 600;
5. Время быстрого заряда: 1 час;
6. Саморазряд зависит от температуры хранения и степени заряда. При температуре 25°C и заряде 100% ≈1,6% в месяц;
7. Ток нагрузки относительно ёмкости С, представленной в А·ч:
- постоянный: до 5С;
- импульсный: до 50С;
- оптимальный: до 1С;
8. Диапазон рабочих температур: от −20°C до +60°C (оптимальная +23°C);
Защитные устройства аккумулятора
Почти всегда в корпус аккумулятора встроен контроллер PCM-плата (англ. Protection Circuit Module), который управляет зарядкой и защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда, чрезмерного разряда и превышения температуры, приводящих к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может ограничивать ток потребления, защищать от короткого замыкания. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. Производители могут не устанавливать её в целях снижения стоимости, веса, а также в устройствах, в которых встроен контроллер защиты, в аккумуляторных батареях (например, ноутбуков) используются аккумуляторы без встроенной платы защиты.
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 различаться, 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 BMS-плата (англ. Battery Management System). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё. Балансиры одновременно выполняют как функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом.
Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25В.
Существуют литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы типоразмеров АА и ААА с напряжением 1,5В. Они имеют не только схему защиты, но также встроенный электронный преобразователь напряжения (DC-DC converter). Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на контактах в 1,5В вне зависимости от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда литиевая ячейка разряжается до нижнего допустимого предела и срабатывает защита от чрезмерного разряда. Такие аккумуляторы можно спутать с похожими по размерам аккумуляторами 14500 и 10440 напряжением 3,7В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания. Все они различаются маркировкой.
Устройство
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 - 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 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).
Преимущества
- Низкий саморазряд.
- Высокая токоотдача.
- Большое число циклов заряд-разряд.
- Не требуют обслуживания.
Недостатки
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.
Отзывов: 1 / Написать отзыв
