Lithium-iontová baterie: princip činnosti a odrůdy, výhody a pravidla pro provoz baterie

V moderních mobilních telefonech, fotoaparátech a dalších zařízeních se nejčastěji používají lithium-iontové baterie, které nahrazují alkalické a nikl-kadmiové baterie, které v mnoha ohledech předčí. Poprvé se baterie s lithiovou anodou objevily v 70. letech minulého století a okamžitě se staly velmi populární pro své vysoké napětí a energetickou náročnost.

Historie vzhledu

Vývoj byl krátkodobý, ale na praktické úrovni se objevily potíže, které byly vyřešeny až v 90. letech minulého století. Díky vysoké aktivitě lithia probíhaly uvnitř prvku chemické procesy, které vedly ke spalování.

Počátkem 90. let došlo k řadě nehod - uživatelé telefonů při hovoru utrpěli těžké popáleniny v důsledku samovznícení prvků a následně i samotných komunikačních zařízení. V tomto ohledu byly baterie zcela ukončeny a dříve uvolněné baterie byly vráceny z prodeje.

V moderních lithium-iontových bateriích se nepoužívá čistý kov, ale pouze jeho ionizované sloučeniny, protože jsou stabilnější. Vědci bohužel museli přistoupit k výraznému snížení schopností baterie, ale podařilo se jim dosáhnout toho hlavního – lidé už netrpěli popáleninami.

Bylo zjištěno, že krystalová mřížka různých uhlíkových sloučenin je vhodná pro interkalaci iontů lithia na záporné elektrodě. Při nabíjení přecházejí z anody na katodu a při vybíjení naopak.

Princip činnosti a odrůdy

V každé lithium-iontové baterii je záporná elektroda založena na látkách obsahujících uhlík, jejichž strukturu lze objednat nebo částečně objednat. Proces interkalace Li v C se mění v závislosti na materiálu. Kladná elektroda je vyrobena převážně z latovaného oxidu niklu nebo kobaltu.

Shrneme-li všechny reakce, lze je znázornit v následujících rovnicích:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe - pro katodu.
2. С + xLi + + xe → CLix - pro anodu.

Rovnice jsou uvedeny pro případ výboje, při nabití proudí v opačném směru. Vědci zkoumají nové materiály sestávající ze směsných fosfátů a oxidů. Tyto materiály se plánují použít pro katodu.

Existují dva typy Li-Ion baterií:

1. válcový;
2. hranolový.

Hlavním rozdílem je uspořádání desek (v prizmatickém - nad sebou). Na tom závisí velikost lithiové baterie. Prizmatické jsou zpravidla hustší a kompaktnější.

Uvnitř je navíc bezpečnostní systém – mechanismus, který při zvýšení teploty zvýší odpor a při zvýšení tlaku přeruší obvod anoda-katoda. Díky elektronické desce je nemožné zkratovat, protože řídí procesy uvnitř baterie.

Elektrody opačné polarity jsou odděleny separátorem. Pouzdro musí být utěsněno, únik elektrolytu nebo vniknutí vody a kyslíku zničí baterii i samotné elektronické zařízení.

Různí výrobci mají lithium-iontovou baterii vypadat úplně jinak, neexistuje jednotný tvar výrobku. Poměr aktivních hmot anody ke katodě by měl být přibližně 1: 1, jinak je možná tvorba lithiového kovu, což povede k požáru.

Výhody a nevýhody

Baterie mají vynikající výkon, který se liší výrobce od výrobce. Jmenovité napětí je 3,7-3,8 V s maximem 4,4 V. Hustota energie (jeden z hlavních ukazatelů) je 110-230 W * h / kg.

Vnitřní odpor je 5 až 15 mΩ / 1Ah. Životnost z hlediska počtu cyklů (vybití / nabití) je 1000-5000 jednotek. Doba rychlého nabíjení je 15-60 minut. Jednou z nejvýraznějších výhod je pomalé samovybíjení (pouze 10-20 % ročně, z toho 3-6 % první měsíc). Rozsah provozních teplot je 0 C - +65 C, při teplotách pod nulou je nabíjení nemožné.

Nabíjení probíhá v několika fázích:

1. do určitého bodu teče maximální nabíjecí proud;
2. při dosažení provozních parametrů proud postupně klesá až na 3 % maximální hodnoty.

Během skladování přibližně každých 500 hodin je nutné pravidelné dobíjení, aby se kompenzovalo samovybíjení. Při přebití se může usazovat kovové lithium, které při interakci s elektrolytem tvoří kyslík. To zvyšuje riziko úniku v důsledku zvýšeného vnitřního tlaku.

Časté nabíjení výrazně zkracuje životnost baterie. Kromě toho je ovlivněno prostředí, teplota, proud atd.

Prvek má nevýhody, mezi nimiž se rozlišují následující:

1. Vysoká citlivost na režim vybíjení-nabíjení, proto jsou vyžadovány vestavěné bezpečnostní prvky.
2. Nedovolte, aby se zařízení úplně vybilo. To má za následek velmi velké snížení životnosti.
3. Životnost je značně snížena nekontrolovaným vybíjením.
4. Při různých teplotních podmínkách dochází k vybíjení různými rychlostmi. Čím vyšší teplota, tím větší ztráta kapacity.
5. Pokud baterii plně nenabijete a následně vybijete, vytvoří se paměťové „mikroefekty“. To je způsobeno dynamikou iontů, která se za uvažovaných podmínek znatelně zhoršuje.
6. Při neúplném nabití ne všechny ionty na katodě stihnou překonat bariéru uvolnění, „zaseknuté“ v hraničním stavu. Během výboje se pak ve snaze vrátit se na své místo setkají se stejnými částicemi. To vše vede ke změnám ve struktuře elektrody.

Operační podmínky

Baterii je nejlepší skladovat za následujících podmínek: Nabití by mělo být alespoň 40 % a teplota by neměla být příliš nízká ani vysoká. Nejlepší možností je rozsah od 0C do + 10C. Obvykle se za 2 roky ztratí asi 4 % kapacity, proto se nedoporučuje kupovat baterie s dřívějším datem výroby.

Vědci vynalezli způsob, jak prodloužit trvanlivost. Do elektrolytu se přidá vhodná konzervační látka. Takové baterie by však měly být "trénovány" formou 2-3 cyklů úplného vybití / nabití, aby následně mohly normálně fungovat. V opačném případě může dojít k „paměťovému efektu“ a následnému nabobtnání celé konstrukce. Při správném používání a dodržení všech skladovacích norem může baterie sloužit dlouhou dobu, přičemž její kapacita zůstává na vysoké úrovni.