В современных мобильных телефонах, фотоаппаратах и других устройствах чаще всего используются литий-ионные батареи, сменившие щелочные и никель-кадмиевые, которые они превосходят по многим параметрам. Впервые аккумуляторы с анодом из лития появились в 70-е годы предыдущего столетия и сразу стали очень востребованы благодаря высокому напряжению и энергоемкости.
История появления
Разработки были недолгими, но на практическом уровне возникали трудности, которые разрешили только в 90-е годы прошлого века. Из-за высокой активности лития внутри элемента протекали химические процессы, которые приводили к возгоранию.
В начале 90-х произошел ряд несчастных случаев — пользователи телефонов, разговаривая, получали сильные ожоги в результате самопроизвольного воспламенения элементов, а затем и самих устройств связи. В связи с этим батареи полностью сняли с производства и вернули из продажи выпущенные ранее.
В современных литиево-ионных аккумуляторах чистый металл не используется, только его ионизированные соединения, так как они более стабильны. К сожалению, ученым пришлось пойти на существенное снижение возможностей аккумулятора, однако удалось добиться главного — люди больше не страдали от ожогов.
Кристаллическая решетка различных соединений углерода оказалась подходящей для интеркаляции ионов лития на отрицательном электроде. При зарядке они переходят с анода на катод, а при разряде наоборот.
Принцип действия и разновидности
В каждом литий-ионном аккумуляторе основу минусового электрода составляют углеродсодержащие вещества, структура которых может быть упорядоченной или частично упорядоченной. В зависимости от материала меняется процесс интеркаляции Li в C. Плюсовой электрод в основном выполняется из латированного оксида никеля или кобальта.
Суммируя все реакции, их можно представить в следующих уравнениях:
- LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe — для катода.
- С + xLi+ + xe → CLix — для анода.
Уравнения представлены для случая разряда, при заряде они протекают в обратную сторону. Ученые проводят работы по исследованию новых материалов, состоящих из смешанных фосфатов и оксидов. Эти материалы планируется использовать для катода.
Выделяют два вида Li-Ion аккумуляторов:
- цилиндрический;
- призматический.
Главное отличие — расположение пластин (в призматическом — друг на друге). От этого зависит размер литионного аккумулятора. Как правило, призматические плотнее и компактнее.
Кроме того, внутри существует система безопасности — механизм, который при возрастании температуры увеличивает сопротивление, а при повышенном давлении разрывает цепь анод-катод. Благодаря электронной плате становится невозможным замыкание, так как она контролирует процессы внутри АКБ.
Противоположные по полярности электроды разделяются сепаратором. Корпус должен быть герметичным, вытекание электролита или попадание внутрь воды и кислорода разрушат и батарею и само электронное устройство-носитель.
У различных производителей литионный аккумулятор может выглядеть абсолютно по-разному, нет единой формы изделия. Отношение активных масс анода к катоду должно быть примерно 1:1, иначе возможно образование металла лития, которое приведет к возгоранию.
Достоинства и недостатки
АКБ обладают превосходными параметрами, различающимися у разных производителей. Номинальным напряжением является 3,7−3,8 В при максимальном 4,4 В. Энергетическая плотность (один из главных показателей) составляет 110−230 Вт*ч/кг.
Внутреннее сопротивление составляет от 5 до 15 мОм/1Ач. Срок службы по количеству циклов (разряд/заряд) равен 1000−5000 единиц. Время для быстрой зарядки — 15−60 минут. Один из самых значимых плюсов — медленный процесс саморазряда (всего 10−20% за год, из которых 3−6% за первый месяц). Диапазоном рабочих температур является 0 С — +65 С, при температурах ниже нуля заряд невозможен.
Зарядка происходит в несколько этапов:
- до определенного момента протекает максимальный ток заряда;
- при достижении рабочих параметров ток постепенно уменьшается до 3% от максимального значения.
При хранении примерно каждые 500 часов необходима периодическая подзарядка, направленная на компенсацию саморазряда. При перезаряде может осаждаться металлический литий, который, взаимодействуя с электролитом, образует кислород. Таким образом повышается риск разгерметизации вследствие повышения внутреннего давления.
Частые перезарядки сильно снижают срок службы батареи. Кроме того, влияет окружающая среда, температура, ток и т. д.
У элемента есть недостатки, среди которых выделяют следующие:
Высокая чувствительность к режиму разряд-заряд, в связи с чем необходимы встроенные элементы, обеспечивающие безопасность.- Нельзя допускать полной разрядки устройства. Это приводит к очень большому сокращению срока службы.
- Срок эксплуатации сильно уменьшается при неконтролируемом разряде.
- При разных температурных режимах разрядка происходит с разной скоростью. Чем выше температура, тем больше потеря емкости.
- Если заряжать не полностью, впоследствии разряжая АКБ, создаются «микроэффекты» памяти. Это связано с динамикой ионов, которая в рассматриваемых условиях заметно ухудшается.
- При неполной зарядке не все ионы на катоде успеют преодолеть барьер высвобождения, «застряв» в пограничном состоянии. Тогда при разряде они, пытаясь вернуться на свое место, встречают там такие же частицы. Все это ведет к изменениям в структуре электрода.
Условия эксплуатации
Лучше всего хранить аккумулятор при следующих условиях: заряд должен быть не менее 40%, а температура — не очень низкой или высокой. Лучшим вариантом является диапазон от 0С до +10С. Обычно за 2 года теряется около 4% емкости, из-за чего не рекомендуется покупать аккумуляторы более ранних дат изготовления.
Ученые изобрели способ, позволяющий увеличить срок годности. В электролит добавляют соответствующий консервант. Однако для таких батарей следует провести «тренинг» в виде 2−3 циклов полного разряда/заряда, чтобы впоследствии они смогли работать в обычном режиме. В противном случае возможно возникновение «эффекта памяти» и последующее вздутие всей конструкции. При правильном использовании и соблюдении всех норм хранения аккумулятор может служить долгое время, при этом его емкость останется на высоком уровне.
