Akumulator litowo-jonowy: zasada działania i odmiany, zalety i zasady działania akumulatora

W nowoczesnych telefonach komórkowych, aparatach fotograficznych i innych urządzeniach najczęściej stosuje się baterie litowo-jonowe, zastępujące baterie alkaliczne i niklowo-kadmowe, które pod wieloma względami przewyższają. Po raz pierwszy baterie z anodą litową pojawiły się w latach 70. ubiegłego wieku i od razu stały się bardzo popularne ze względu na wysokie napięcie i energochłonność.

Historia pojawienia się

Zmiany były krótkotrwałe, ale na poziomie praktycznym pojawiły się trudności, które zostały rozwiązane dopiero w latach 90. ubiegłego wieku. Ze względu na dużą aktywność litu we wnętrzu pierwiastka zachodziły procesy chemiczne, które doprowadziły do ​​spalania.

Na początku lat 90. doszło do szeregu wypadków - użytkownicy telefonów podczas rozmowy doznali poważnych poparzeń w wyniku samozapłonu elementów, a następnie samych urządzeń komunikacyjnych. W związku z tym baterie zostały całkowicie wycofane, a wcześniej wypuszczone baterie zostały zwrócone ze sprzedaży.

W nowoczesnych akumulatorach litowo-jonowych nie stosuje się czystego metalu, a jedynie jego zjonizowane związki, ponieważ są one bardziej stabilne. Niestety naukowcy musieli postawić na znaczne zmniejszenie możliwości baterii, ale udało im się osiągnąć najważniejsze - ludzie nie cierpieli już na oparzenia.

Stwierdzono, że sieć krystaliczna różnych związków węgla jest odpowiednia do interkalacji jonów litu na elektrodzie ujemnej. Podczas ładowania przechodzą od anody do katody, a podczas rozładowania odwrotnie.

Zasada działania i odmiany

W każdym akumulatorze litowo-jonowym elektroda ujemna oparta jest na substancjach zawierających węgiel, których strukturę można uporządkować lub uporządkować częściowo. Proces interkalacji Li w C zmienia się w zależności od materiału. Elektroda dodatnia jest wykonana głównie z powlekanego tlenku niklu lub kobaltu.

Podsumowując wszystkie reakcje, można je przedstawić następującymi równaniami:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe - dla katody.
2. С + xLi + + xe → CLix - dla anody.

Równania przedstawiono dla przypadku wyładowania, które po naładowaniu płyną w przeciwnym kierunku. Naukowcy badają nowe materiały składające się z mieszanych fosforanów i tlenków. Planuje się, że te materiały zostaną użyte na katodę.

Istnieją dwa rodzaje akumulatorów Li-Ion:

1. cylindryczny;
2. pryzmatyczny.

Główną różnicą jest rozmieszczenie płytek (w pryzmacie - jedna na drugiej). Od tego zależy wielkość baterii litowej. Z reguły pryzmatyczne są gęstsze i bardziej zwarte.

Dodatkowo wewnątrz znajduje się system zabezpieczający - mechanizm zwiększający opór wraz ze wzrostem temperatury, a przy wzroście ciśnienia przerywa obwód anoda-katoda. Dzięki płytce elektronicznej zwarcie staje się niemożliwe, ponieważ kontroluje procesy wewnątrz baterii.

Elektrody o przeciwnej polaryzacji są oddzielone separatorem. Obudowa musi być szczelna, wyciek elektrolitu lub dostanie się wody i tlenu zniszczy zarówno baterię, jak i samo urządzenie elektroniczne.

Różni producenci mają akumulator litowo-jonowy, który może wyglądać zupełnie inaczej, nie ma jednolitego kształtu produktu. Stosunek mas aktywnych anody do katody powinien wynosić około 1:1, w przeciwnym razie możliwe jest tworzenie metalicznego litu, co doprowadzi do pożaru.

Zalety i wady

Baterie mają doskonałą wydajność, która różni się w zależności od producenta. Napięcie nominalne wynosi 3,7-3,8 V, a maksymalnie 4,4 V. Gęstość energii (jeden z głównych wskaźników) wynosi 110-230 W * h / kg.

Rezystancja wewnętrzna wynosi od 5 do 15 mΩ/1Ah. Żywotność pod względem liczby cykli (rozładowanie / ładowanie) wynosi 1000-5000 sztuk. Czas szybkiego ładowania to 15-60 minut. Jedną z najważniejszych zalet jest powolny proces samorozładowania (tylko 10-20% rocznie, z czego 3-6% przez pierwszy miesiąc). Zakres temperatur pracy to 0 C - +65 C, przy temperaturach ujemnych ładowanie jest niemożliwe.

Ładowanie odbywa się w kilku etapach:

1. do pewnego momentu płynie maksymalny prąd ładowania;
2. po osiągnięciu parametrów pracy prąd stopniowo spada do 3% wartości maksymalnej.

Podczas przechowywania mniej więcej co 500 godzin wymagane jest okresowe doładowanie, aby skompensować samorozładowanie. Po przeładowaniu może osadzać się metaliczny lit, który w interakcji z elektrolitem tworzy tlen. Zwiększa to ryzyko wycieku z powodu zwiększonego ciśnienia wewnętrznego.

Częste ładowanie znacznie skróci żywotność baterii. Ponadto wpływa to na środowisko, temperaturę, prąd itp.

Element ma wady, wśród których wyróżnia się:

1. Wysoka czułość na tryb rozładowania-ładowania, dlatego wymagane są wbudowane elementy bezpieczeństwa.
2. Nie dopuścić do całkowitego rozładowania urządzenia. Powoduje to bardzo duże skrócenie żywotności.
3. Żywotność jest znacznie skrócona w przypadku niekontrolowanego rozładowania.
4. W różnych warunkach temperaturowych wyładowanie następuje z różnymi szybkościami. Im wyższa temperatura, tym większa utrata pojemności.
5. Jeśli nie naładujesz w pełni, a następnie rozładowujesz akumulator, powstają „mikroefekty” pamięci. Wynika to z dynamiki jonów, która w rozważanych warunkach zauważalnie się pogarsza.
6. Przy niepełnym ładowaniu nie wszystkie jony na katodzie będą miały czas na pokonanie bariery uwalniania, „utkniętej” w stanie granicznym. Następnie, podczas wyładowania, próbując wrócić na swoje miejsce, napotykają tam te same cząstki. Wszystko to prowadzi do zmian w strukturze elektrody.

Warunki pracy

Najlepiej przechowywać baterię w następujących warunkach: Ładunek powinien wynosić co najmniej 40%, a temperatura nie powinna być bardzo niska ani wysoka. Najlepszą opcją jest zakres od 0C do +10C. Zwykle w ciągu 2 lat traci się około 4% pojemności, dlatego nie zaleca się kupowania akumulatorów z wcześniejszymi datami produkcji.

Naukowcy wymyślili sposób na wydłużenie okresu przydatności do spożycia. Do elektrolitu dodawany jest odpowiedni konserwant. Należy jednak „wytrenować” takie akumulatory w postaci 2-3 pełnych cykli rozładowania/ładowania, aby później mogły normalnie funkcjonować. W przeciwnym razie może wystąpić „efekt pamięci” i późniejsze pęcznienie całej konstrukcji. Przy prawidłowym użytkowaniu i przestrzeganiu wszelkich standardów przechowywania akumulator może służyć przez długi czas, a jego pojemność pozostaje na wysokim poziomie.