Batteria agli ioni di litio: principio di funzionamento e varietà, vantaggi e regole per il funzionamento della batteria

Nei moderni telefoni cellulari, fotocamere e altri dispositivi, le batterie agli ioni di litio vengono spesso utilizzate, in sostituzione delle batterie alcaline e al nichel-cadmio, che superano per molti aspetti. Per la prima volta, le batterie con anodo al litio sono apparse negli anni '70 del secolo precedente e sono diventate immediatamente molto popolari grazie alla loro alta tensione e intensità energetica.

Storia dell'apparenza

Gli sviluppi sono stati di breve durata, ma a livello pratico sono sorte difficoltà che sono state risolte solo negli anni '90 del secolo scorso. A causa dell'elevata attività del litio, all'interno dell'elemento si sono verificati processi chimici che hanno portato alla combustione.

All'inizio degli anni '90 si sono verificati numerosi incidenti: gli utenti del telefono, mentre parlavano, hanno ricevuto gravi ustioni a causa dell'accensione spontanea degli elementi e quindi dei dispositivi di comunicazione stessi. A questo proposito, le batterie sono state completamente fuori produzione e le batterie rilasciate in precedenza sono state restituite dalla vendita.

Nelle moderne batterie agli ioni di litio non viene utilizzato metallo puro, ma solo i suoi composti ionizzati, poiché sono più stabili. Sfortunatamente, gli scienziati hanno dovuto ottenere una riduzione significativa delle capacità della batteria, ma sono riusciti a ottenere l'obiettivo principale: le persone non soffrivano più di ustioni.

Il reticolo cristallino di vari composti di carbonio è risultato adatto per l'intercalazione di ioni di litio all'elettrodo negativo. Durante la carica passano dall'anodo al catodo e durante la scarica viceversa.

Principio di funzionamento e varietà

In ogni batteria agli ioni di litio, l'elettrodo negativo si basa su sostanze contenenti carbonio, la cui struttura può essere ordinata o parzialmente ordinata. Il processo di intercalazione Li in C cambia a seconda del materiale. L'elettrodo positivo è costituito principalmente da nichel laminato o ossido di cobalto.

Sommando tutte le reazioni, possono essere rappresentate nelle seguenti equazioni:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe - per il catodo.
2. С + xLi + + xe → CLix - per l'anodo.

Le equazioni sono presentate per il caso di una scarica; quando sono cariche, fluiscono nella direzione opposta. Gli scienziati stanno ricercando nuovi materiali costituiti da fosfati e ossidi misti. Questi materiali dovrebbero essere utilizzati per il catodo.

Esistono due tipi di batterie agli ioni di litio:

1. cilindrico;
2. prismatico.

La differenza principale è la disposizione delle piastre (in prismatica - una sopra l'altra). La dimensione della batteria al litio dipende da questo. Di norma, quelli prismatici sono più densi e compatti.

Inoltre, all'interno è presente un sistema di sicurezza: un meccanismo che aumenta la resistenza quando la temperatura aumenta e quando la pressione aumenta, interrompe il circuito anodo-catodo. Grazie alla scheda elettronica, diventa impossibile cortocircuitare, poiché controlla i processi all'interno della batteria.

Gli elettrodi di polarità opposta sono separati da un separatore. L'alloggiamento deve essere sigillato, la perdita di elettrolita o l'ingresso di acqua e ossigeno distruggeranno sia la batteria che il dispositivo elettronico stesso.

Diversi produttori hanno una batteria agli ioni di litio può sembrare completamente diverso, non c'è una forma uniforme del prodotto. Il rapporto tra le masse attive dell'anodo e il catodo dovrebbe essere di circa 1: 1, altrimenti è possibile la formazione di litio metallico, che porterà al fuoco.

Vantaggi e svantaggi

Le batterie hanno prestazioni eccellenti che variano da produttore a produttore. La tensione nominale è 3,7-3,8 V con un massimo di 4,4 V. La densità energetica (uno degli indicatori principali) è 110-230 W * h / kg.

La resistenza interna è da 5 a 15 mΩ / 1Ah. La vita utile in termini di numero di cicli (scarica/carica) è di 1000-5000 unità. Il tempo per la ricarica rapida è di 15-60 minuti. Uno dei vantaggi più significativi è il lento processo di autoscarica (solo il 10-20% all'anno, di cui 3-6% per il primo mese). L'intervallo della temperatura di esercizio è 0 C - +65 C, a temperature inferiori allo zero, la ricarica è impossibile.

La ricarica avviene in più fasi:

1. fino a un certo punto scorre la massima corrente di carica;
2. al raggiungimento dei parametri di funzionamento la corrente scende progressivamente fino al 3% del valore massimo.

Durante lo stoccaggio ogni 500 ore circa, è necessaria una ricarica periodica per compensare l'autoscarica. Quando sovraccaricato, si può depositare litio metallico che, interagendo con l'elettrolita, forma ossigeno. Ciò aumenta il rischio di perdite dovute all'aumento della pressione interna.

Una ricarica frequente ridurrà notevolmente la durata della batteria. Inoltre, sono interessati l'ambiente, la temperatura, la corrente, ecc.

L'elemento presenta degli svantaggi, tra i quali si distinguono i seguenti:

1. Elevata sensibilità alla modalità di scarica-carica, pertanto sono necessari elementi di sicurezza integrati.
2. Non lasciare che il dispositivo si scarichi completamente. Ciò si traduce in una notevole riduzione della durata.
3. La durata è notevolmente ridotta con uno scarico incontrollato.
4. A diverse condizioni di temperatura, lo scarico avviene a velocità diverse. Maggiore è la temperatura, maggiore è la perdita di capacità.
5. Se non si carica completamente, scaricando successivamente la batteria, vengono creati "microeffetti" di memoria. Ciò è dovuto alla dinamica degli ioni, che, nelle condizioni considerate, peggiora notevolmente.
6. Con una carica incompleta, non tutti gli ioni sul catodo avranno il tempo di superare la barriera di rilascio, "bloccata" nello stato limite. Quindi, durante la scarica, cercano di tornare al loro posto, incontrano lì le stesse particelle. Tutto ciò porta a cambiamenti nella struttura dell'elettrodo.

Condizioni operative

È meglio conservare la batteria nelle seguenti condizioni: La carica dovrebbe essere almeno del 40% e la temperatura non dovrebbe essere molto bassa o alta. L'opzione migliore è l'intervallo da 0C a + 10C. Di solito, circa il 4% della capacità viene perso in 2 anni, motivo per cui non è consigliabile acquistare batterie con date di produzione precedenti.

Gli scienziati hanno inventato un modo per prolungare la durata di conservazione. All'elettrolita viene aggiunto un conservante appropriato. Tuttavia, tali batterie dovrebbero essere "addestrate" sotto forma di 2-3 cicli completi di scarica/carica in modo che possano successivamente funzionare normalmente. In caso contrario, potrebbe verificarsi un "effetto memoria" e un conseguente rigonfiamento dell'intera struttura. Con un uso corretto e l'osservanza di tutti gli standard di conservazione, la batteria può durare a lungo, mentre la sua capacità rimane ad un livello elevato.