Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Комплектующие, радиокомпоненты / Накопители энергии / Аккумуляторы
Alexsandrs
2 148
21-12-2015, 13:49
0

Литий-ионный аккумуляторы (Li-ion) широко распространены в современной бытовой технике и электронике. Особенно популярен этот тип аккумуляторов в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и другой малогабаритной технике.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение — 3,5-3,7 В.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов, это может отражаться в напряжении элемента, емкости, кол-ве циклов заряда/разряда и т.д. Литий-ионный аккумулятор очень чувствительный к превышению напряжения при заряде, поэтому его как правило оснащают контроллером заряда, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Но все же имеются литий-ионные аккумуляторы без контроллера, которые имеют как правило более низкую цену.

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении 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, окислы 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 на значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-феррум-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.

Основным преимуществом Li-ion аккумуляторов является высокая энергетическая плотность, низкий саморазряд.

Основным недостатком является эффект памяти. Частые циклы неполной зарядки и последующего разряда приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых становится далека от оптимальной в случае неполной зарядки.

Во время процесса заряда ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряд 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 суммарное напряжение 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.

Так же на емкость заряда аккумуляторов влияет температура при которой их заряжали, холод и жара уменьшают их емкость. Так же глубокий разряд может вообще вывести из строя литий-ионный аккумулятор.

Как говорилось ранее, Li-ion аккумуляторы очень чувствительны к превышению напряжения заряда, если оно выше всего на 4 %, то батарея будет терять емкость в два раза быстрей при каждом цикле заряда, это связано с тем, что ток заряда при этом может увеличится до 10 раз, что приводит к перегреву батареи.

Помимо всего пониженная или повышенная температура хранения аккумулятора вызывают его преждевременное старение. Даже при соблюдении температуры хранения аккумулятор теряет 20% емкости за два года, поэтому необходимо обращать внимание на дату выпуска аккумулятора при его покупке. Если с момента изготовления аккумулятора прошло более 2 лет, то такой аккумулятор лучше не покупать.

Источник: https://rcl-radio.ru/

Обсудить на форуме