Літій-іонна батарея

Технологія літій-іонних акумуляторів забезпечує передове джерело живлення, що перезаряджається, яке використовується в різних електронних пристроях. Ця батарея використовує оборотну інтеркаляцію іонів літію в вуглецеві негативні електроди за допомогою електрохімічних реакцій з неводними органічними рідкими розчинами електролітів.

Ці батарейки містять органічні розчинники, які роблять їх легкозаймистими. Тому бажано зберігати їх подалі від металевих предметів, щоб запобігти короткому замиканню, яке може призвести до пожежі. Пожежа також може виникнути через перезаряджання або фізичне пошкодження елементів у цих батареях.

Висока щільність енергії

Висока щільність енергії літієвих батарей робить їх безцінним джерелом живлення для портативних електронних пристроїв, зокрема мобільних телефонів, годинників, планшетів, комп'ютерів, електромобілів, дронів та аерокосмічного обладнання. Щільність енергії дозволяє доставляти велику кількість електроенергії в невеликих обсягах, залишаючись при цьому легкими; вимірювання щільності енергії показує, скільки ват-годин (Вт/год) може зберігати батарея відносно її ваги; щільність енергії відрізняється від щільності потужності, яка вимірює, скільки ват вона може доставити за годину або хвилину. Однак слід зазначити, що обидва показники слід сприймати серйозно для правильної оцінки продуктивності акумулятора!

Літій-іонні акумулятори - це електрохімічні елементи з двома твердими електродами, що містять сполуки, які складаються з атомів літію; зазвичай графіт для негативного електрода і кремній для позитивного електрода. Кремній може збільшити ємність, тоді як інтеркаляційні сполуки, такі як LiCoO2, LiFePO4 або оксиди літію, нікелю, марганцю і кобальту, можуть використовуватися як позитивний електрод. Між кожним елементом батареї знаходиться неводний рідкий електроліт, наприклад, органічний розчинник, такий як етиленкарбонат або пропіленкарбонат, з розподіленими по ньому комплексами іонів літію.

Заряджання відбувається шляхом переміщення іонів літію від негативного електрода до позитивного і вивільнення електронів, які рухаються по зовнішньому дроту для роботи. І навпаки, при розрядці іони повертаються від анода до катода і вивільняють електрони, які рухаються назад до анода, де вони витягують заряд через електроліт, створюючи струм, що живить наші пристрої.

Оскільки наш попит на енергію продовжує зростати, батареї повинні забезпечувати більше енергії в меншому і легшому корпусі. Досягнення цієї мети потребуватиме нових електрохімічних систем зі значно вищою щільністю енергії, ніж ті, що доступні зараз - ці високоенергетичні батареї повинні збалансувати виробництво енергії з енергоспоживанням, тривалістю циклу і міркуваннями безпеки.

Літієві акумулятори з катодами вставного типу та анодами на основі кремнію привертають величезний інтерес завдяки своїй вищій щільності енергії. У порівнянні з сучасними літій-іонними акумуляторами з катодами інтеркаляційного типу та графітовими анодами, ці нові технології пропонують значно більшу потужність у значно тонших і легших елементах, що дає надію на безвуглецеву мобільність і рішення з відновлюваної енергетики в найближчому майбутньому.

Швидка зарядка

Зарядка відбувається, коли зовнішні джерела електроенергії подають на акумулятор надлишкову напругу (більшу, ніж та, що існує всередині самого елемента), змушуючи електрони рухатися від позитивного електрода через рідину електроліту до негативного електрода, змушуючи іони літію входити або виходити з пористих графітових анодів через процеси інтеркаляції або деінтеркаляції, і створюючи хімічну енергію, що зберігається у вигляді потенціальної енергії всередині акумулятора.

Швидкість, з якою відбуваються реакції і перенесення, є невід'ємною складовою ємності та напруги акумулятора. Зі збільшенням напруги збільшується і передача енергії від акумулятора; ємність також зростає з кожним типом використовуваного катодного матеріалу, разом з іншими факторами, такими як кулонівська ефективність, характеристики поглинання/випромінювання і наявність негативних електродів, які слугують зворотними електричними насосами, що сприяють перенесенню іонів літію.

Однак швидка зарядка може призвести до деградації анода - незворотної втрати ємності, яка прискорюється при підвищенні температури, надмірних циклах заряджання/розряджання, частому циклічному використанні або з віком. Крім того, електроліти можуть розкладатися і виробляти газ, який підвищує внутрішній тиск в елементах, що потенційно створює небезпечні сценарії у вимогливих пристроях, таких як портативні.

Дослідження NREL в галузі акумуляторів спрямовані на пошук нових технологій, які збалансують щільність енергії з можливостями швидкої зарядки, одним з підходів є використання анодних матеріалів з подвійним градієнтом, які забезпечують більш рівномірний розподіл іонів літію по всьому електроду, прискорюючи масоперенос і зменшуючи концентраційну поляризацію, яка спричиняє деградацію.

Покращення електропровідності батареї є ще одним ефективним засобом збільшення ємності заряду, що може бути досягнуто шляхом зміни розмірів частинок активних матеріалів, розширення розмірів пор або зміни матеріалів електродів. Іншим методом є використання графіту з більш гранульованою структурою, що зменшує відстань від літієвого анода до анода; Battrion, дочірня компанія Швейцарського федерального технологічного інституту, може прискорити заряджання, організувавши графітові пластівці на негативному електроді у вертикальні ряди.

Тривалий термін служби

Літієві батареї працюють шляхом транспортування іонів між позитивним і негативним електродами для отримання енергії, в теорії цей механізм повинен працювати вічно, але циклічність і високі температури скорочують термін служби батареї; виробники зазвичай вказують 300-500 циклів розрядки/зарядки як середній термін служби своїх елементів живлення.

Літій-іонні акумулятори зазвичай служать 2-3 роки або 500 циклів заряджання, залежно від того, що настане раніше. Їхній термін служби можна продовжити, якщо вживати активних заходів для уникнення передчасної деградації.

Одним з ключових компонентів довговічності літій-іонного акумулятора є підтримання його в середньому стані заряду (SoC). Коли батареї залишають у стані повного заряду, вони відчувають стрес, оскільки електроліт повинен переміщувати іони до анодів зі швидкістю, вищою, ніж під час перезаряджання, що призводить до швидшої втрати ємності, а отже, до більшого навантаження на їхні елементи.

Підтримання оптимальних умов експлуатації батареї також є ключовим фактором, тому слід уникати екстремальних температур, оскільки це може призвести до розкладання електроліту з утворенням небезпечних газів, які можуть пошкодити елементи акумулятора. Крім того, часте і тривале перезарядження може прискорити втрату ємності.

Використання анодного матеріалу також відіграє ключову роль у продовженні терміну служби літієвої батареї; графіт є одним з найпоширеніших варіантів, хоча дослідники вивчають нові рішення, які забезпечують більшу ємність при меншому використанні матеріалу і підвищених експлуатаційних характеристиках.

Катодні матеріали, що використовуються в літій-іонних акумуляторах, зазвичай складаються з комбінацій літію, кобальту та нікелю, які ефективно накопичують іони. Важливо пам'ятати, що анод і катод повинні мати однакові рівні напруги, щоб ефективно інтеркалювати іони літію; в іншому випадку термін служби акумулятора різко скоротиться.

Літій-іонні акумулятори слід регулярно заряджати та розряджати, щоб продовжити термін їхньої служби та зберегти високу ефективність. Це також гарантує безпеку від пошкодження, оскільки літій-іонні батареї є легкозаймистими; для оптимального використання та зберігання також важливо використовувати відповідний зарядний пристрій, а також дотримуватися рекомендацій виробника щодо правильного використання та зберігання.

Легкий

Літієві батареї значно легші за свої аналоги завдяки легким матеріалам, з яких виготовлені їхні електроди (вуглець і літій), що полегшує їхнє транспортування та встановлення в електронні пристрої.

Літієві батареї добре відомі тим, що зберігають свій заряд протягом тривалого часу, що допомагає значно скоротити сеанси заряджання. Літієві батареї зазвичай втрачають менше енергії, ніж інші типи акумуляторів, такі як нікель-метал-гідридні (NiMH), які можуть втрачати до 20% щомісяця.

Літієві батареї мають ще одну перевагу над своїми аналогами: безпеку. Це пов'язано з меншим виділенням тепла під час процесів перезарядки та розрядки порівняно з іншими типами акумуляторів, що дозволяє уникнути пожеж або вибухів, які можуть статися з деякими іншими типами батарей.

Вибір літієвої батареї залежить від ваших конкретних потреб. Наприклад, якщо ви плануєте використовувати батарею в умовах низьких температур, обирайте літій-залізо-фосфатну батарею з анодом, виготовленим з пористого вуглецю, і катодами, що складаються з оксиду металу. Іони літію рухаються між цими електродами через розчин електроліту, створюючи електроенергію під час заряджання.

Літій-марганцево-кобальт-оксидні акумулятори мають надзвичайно високу щільність енергії. Їхні катоди містять літій-марганцевий кобальт (або шпінель) зі структурою, розробленою для збільшення сили струму при зменшенні внутрішнього опору - цей тип акумуляторів часто можна зустріти в смартфонах, цифрових камерах і ноутбуках.

Літій-іонні акумулятори мають багато переваг, які роблять їх найкращим вибором для живлення нашої повсякденної електроніки, від мобільних телефонів до електромобілів. Вони не тільки легко заряджаються, але й мають неперевершену безпеку. Крім того, утилізацію цих батарей також слід здійснювати правильно, використовуючи посилання, надані EPA.