Літій-іонні батареї Літій-іонні батареї

Найпотужніші акумулятори - літієві. Вони мають найвищу щільність енергії при найменшій конструкції. Через високу щільність енергії літієвих елементів вони особливо підходять для мобільних пристроїв. Літієві батареї широко використовуються в носимих пристроях, смартфонах, планшетах, цифрових камерах та ноутбуках.
Однак літієві батареї дорогі і набагато чутливіші до неправильного поводження, ніж інші батареї. Вони також абсолютно токсичні для навколишнього середовища. Але вони пропонують високий рівень комфорту. Вони залишаються працездатними близько 5 років із втратою потужності.

Номінальна напруга елементів літію залежить від матеріалу електрода і становить 3,6 або 3,7 В. Через вищу напругу вони не підходять для заміни акумуляторних батарей (1,2 В) та батарей (1,5 В) в АА - або дизайн AAA.

Ринок невеликих пристроїв, що працюють від акумуляторів, демонструє тенденцію до мініатюризації. Одночасно зростають енергетичні потреби таких систем. Ось чому проводяться дослідження ще більш потужних батарей, хоча тут є лише невеликі кроки розвитку.

Примітка: Повозитися з літієвими елементами не для початківців та початківців електроніки. Ризик вибухів через неправильні або несправні схеми зарядки занадто великий.
Оскільки літієві акумулятори чутливі до перезарядки та глибокого розряду, в акумулятор вбудована електроніка, щоб захистити їх від перезарядки та перезарядки.

Огляд: літієві батареї

Іон літію (Li (NixCoyMnz) O2): широко поширений, шкідливий для навколишнього середовища
Фосфат заліза літію (LiFePO4): нешкідливий, ефект пам'яті, необхідна складна схема зарядки
Оксид кобальту літію (LiCoO2): найдорожчий, найвища щільність енергії, небезпечний

Побудова літій-іонних елементів

Літій-іонна комірка складається з графітового електрода (негативний) та електрода з оксиду металу літію (позитивний). Оксид металу літію може мати змінні пропорції нікелю, марганцю та кобальту (наприклад, Li (NixCoyMnz) O2). Ці NMC-матеріали мають високу щільність енергії і є першим вибором для невеликих пристроїв. Навіть якщо вони дорожчі та потенційно менш безпечні. Точний склад впливає на властивості літій-іонної батареї і варіюється залежно від виробника та класу. Тому неможливо чітко заявити про потужність та термін служби.

Носіями заряду є іони літію. Вони невеликі за розміром і дуже мобільні. Коли клітина заряджається, вони осідають між молекулярними шарами графіту. При розряді іони літію мігрують назад до оксидного металу літію.

Літій є найлегшим металом і бурхливо реагує з водою. Тому в якості електроліту використовується безводний, але легкозаймистий розчинник. Розчинник є причиною того, що іноді надходять повідомлення про вибух або спалення літієвих батарей. Електроліт спалахнув. Точніші причини різні. Як правило, відкликання батареї відбувається, коли виявляються несправні літієві батареї.
Електроди розділені сепаратором, щоб запобігти короткому замиканню між електродами. Сепаратор проникний для іонів літію. Катод діє як губка. Він вміщує таку велику кількість іонів. Це створює щільність енергії 180 Вт/кг і більше.

Функція заряду та розряду

Заряджання відбувається за допомогою процесу зарядки вводу/виводу, при якому акумулятор спочатку заряджається постійним струмом, а потім постійною напругою. Іони літію мігрують у графіт і збираються між молекулярними рівнями. При розряді іони літію мігрують назад до оксидного металу літію.

Напруга на кінці заряду становить 4,1 або 4,2 вольта і повинна дотримуватися з точністю до 50 мілівольт. Інакше клітина буде знищена. Найнижча межа напруги - 2,5 вольта. Клітина пошкоджена знизу.
Щоб запобігти пошкодженню елементів, кожен акумулятор має власну зарядну та захисну електроніку. Він стежить за дотриманням граничних значень під час завантаження та розвантаження. Він пристосований до клітин літію.
Залежно від якості літій-іонного акумулятора, він може впоратися лише з кількома сотнями циклів зарядки, поки ємність накопичувача значно не впаде. Регулярне заряджання наполовину заповненого акумулятора не впливає на загальну ємність.

Для економії батареї її не слід заряджати понад 90 відсотків або розряджати до 10 відсотків, якщо це можливо. Деякі ноутбуки пропонують налаштування для цього. Однак неможливо точно визначити, скільки часу прослужить акумулятор. Можливо, ви можете використовувати його на рік довше.

Старіння

Старіння літій-іонних батарей викликане окисленням клітин. Електроди окислюються. Вони втрачають здатність зберігати іони літію, необхідні для потоку електрики. На окислення клітин впливають різні фактори. Наприклад, через температуру та стан заряду акумулятора. Окислення клітин розвивається особливо швидко при високих температурах і при повністю зарядженому акумуляторі. Цей стан виникає напр. Б. у ноутбуках це часто трапляється, коли акумулятор повністю заряджений, а пристрій працює і одночасно нагрівається. Тепло передається акумулятору.

зберігання

Якщо ви хочете зберігати літій-іонний акумулятор, то вам слід зарядити його наполовину. Оптимальний стан заряду становить від 50% до 80%. Зберігається при кімнатній температурі, краще захищений від вологи в холодильнику (не в охолоджувачі). Перед тим, як ви захочете використовувати його знову, ви повністю зарядите його при кімнатній температурі.

Якщо літій-іонний акумулятор потрібно зберігати протягом тривалого періоду часу, стан зарядки необхідно регулярно перевіряти. Саморозряд 1% на місяць надзвичайно низький, але сильно залежить від температури. Літій-іонні акумулятори слід заряджати кожні 3-4 місяці, щоб уникнути глибокого розряду. Якщо клітина досягне напруги нижче 2 вольт, клітина може бути зруйнована.

Купуючи літій-іонні акумулятори, завжди слід очікувати, що батареї передчасно здадуться. Особливо з акумуляторами, які надходять з Далекого Сходу або були в дорозі протягом тривалого періоду часу. Це також стосується запасних батарей, які, можливо, тривалий час знаходились у сховищі. Якщо батарея зламана, її можна відремонтувати. Якщо ні, то батарею слід утилізувати у продавця або як небезпечні відходи.

Догляд за акумулятором

Хімічні зміни електроліту та окислення електродів є основними причинами старіння. Літій-іонні батареї втрачають свою ємність через 2 - 3 роки - це просто принципове правило. Чи витримає літієва батарея лише 1 або 5 років, залежить від обробки, використання та робочої температури. Ретельне поводження надає літієвій батареї більший термін служби.

Уникайте температури вище 40 ° C
Уникайте повного завантаження та розвантаження
Заряджайте понад 90 відсотків своєї потужності якомога рідше
Нехай менше 10 відсотків простоює, якщо це можливо

Однак постійне дотримання цих порад дуже громіздке. Що стосується заряду, деякі операційні системи можуть бути встановлені відповідно. Оскільки електронні пристрої під час роботи значно нагріваються, користувач має на них менший вплив.
Тим не менше, якщо ви ставитеся до акумулятора з відповідною обережністю, термін служби може бути продовжений, можливо, з 3 до 4 років.

Щільність енергії

У порівнянні з іншими батареями, літієві батареї мають найвищу щільність енергії. Вони зберігають майже вдвічі більше енергії, ніж NiMH акумулятори, які мають однакові розміри та вагу.
Щільність енергії літій-іонних батарей в основному визначається катодним матеріалом. Загальним є оксид кобальту з щільністю енергії до 180 Вт/кг. За допомогою літій-кобальтового нікелю (LiNiCo) ви навіть можете досягти до 240 Вт/кг. Тенденція більше до нижчої щільності енергії до 170 Вт/кг. Натомість акумулятори можуть витримати значно більше 500 циклів зарядки і, отже, мають більший термін служби.

Літій-полімерні батареї (Li-Pol)

Літій-полімерні акумулятори є подальшим розвитком літій-іонних батарей. Вони не містять рідких хімічних речовин, лише тверді або гелеподібні компоненти. Тому вони герметичні, і ви можете обійтися без захисного металевого корпусу. Це призводить до ще більшої кількості конструкцій, в яких можливі комірки товщиною 1 міліметр. Наприклад, порожнини в портативних пристроях можуть бути оптимально використані. Наприклад, з носими пристроями та особливо плоскими смартфонами.

Літієва повітряна батарея

Літієво-повітряні акумулятори можуть зберігати в 10-20 разів більше енергії (11 кВт-год/кг), ніж літій-іонні акумулятори однакової ваги.
У літієво-повітряних батареях кисень із повітря реагує в порах мезопористого вуглецевого електрода розміром у кілька нанометрів з Li +, утворюючи пероксид літію Li2O2. Зворотний електрод складається з елементарного літію. В якості електроліту використовується ефір, напр. B. тетрагідрофуран, в якому іони літію можуть розчинятися.
Однак вуглецевий електрод піддається корозії після декількох циклів зарядки. Крім того, електролітна рідина дуже швидко розкладається. Це обмежує його практичне використання.

Літій-іонна батарея в майбутньому

В останні роки розвиток призвів до створення літій-іонних та літій-полімерних батарей, які можуть зберігати все більше і більше енергії. Ця щільність енергії далека від достатньої для вимог невеликих мобільних пристроїв.
В якості альтернативи було проведено дослідження паливних елементів з метанолом як паливом (DMFC). На жаль, прототипи не виходять за рамки статусу розробки. Очевидно, виробники задоволені розробкою стаціонарних джерел безперебійного живлення (ДБЖ).
Тож є достатньо вдосконалення перевірених і перевірених літій-іонних та літій-полімерних акумуляторів. Нанотехнологія (робота з дрібними частинками), зокрема, дає нові імпульси.
Минулі успіхи в розробці літій-іонних акумуляторів свідчать про те, що перед гігабричними автомобілями можна буде проїхати 500 кілометрів на гібридних автомобілях. Тоді вам більше не потрібні паливні елементи.