Для чего литий и серебро в аккумуляторе

Автономную работу всевозможных устройств,отмобильных гаджетов до персонального электротранспорта, обеспечивают аккумуляторы. С учетом необходимых значений емкости и напряжения, они объединяются в аккумуляторные батареи. Ключевые характеристики АКБ – емкость, напряжение, масса, время восполнения заряда, допустимый температурный режим – зависят от типа используемой химии.

Для автономного питания современной техники успешно используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют большой циклический ресурс, малый саморазряд, широкий температурный диапазон и солидную удельную емкость. Катод у таких элементов выполнен из производных лития, а заряд переносят ионы Li. Далее мы подробнее рассмотрим устройство Li-ion аккумуляторов и принцип их работы.

Как устроена литий-ионная батарея?

Советы по использованию литиевых аккумуляторов

В основе конструкции литий-ионного аккумулятора– 2 составляющие: анод, выполненный из пористого углерода на фольге из меди, и катод – из оксида лития на фольге из алюминия. Их разделяет пористый сепаратор из полипропилена, обильно пропитанный электролитом, который выполняет функции проводника. Система находится в герметичном корпусе. Электроды подключены к токосъемникам.

Некоторые аккумуляторы дополнительно имеют клапан-предохранитель для сброса внутреннего давления. Пластины из меди и алюминия, смазанные электролитом и разделенные пористой прослойкой, обычно сворачиваются в рулон. В итоге получается элемент цилиндрической формы. При другом способе укладки пластин получаются изделия в форме призм и пакетов. Состав катода бывает разным: LiMn2O4, LiFePO4, LiCoO2,LiMnO2, LiMnRON, LiC6, LiNiO2и т.д.

Типы Li-ionаккумуляторов

1. Литий-марганцевые (LiMn2O4, LNO). Имеют меньшее внутреннее сопротивление, высокую мощность и умеренную емкость – 100–150 Вт·ч/кг. Стандартные токи заряда и разряда – до 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С и С-рейтингом разряда до 10С, а в импульсном режиме – до 50С. Ресурс – около 500 циклов. Применяются такие накопители в электроинструменте, силовых агрегатах, медицинском оборудовании.
2. Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO). Имеют высокую энергоемкость (150–200 Вт·ч/кг), но уступают аналогам по термической стабильности и сроку службы (500–1000 циклов). Токи заряда и разряда для таких элементов не должны превышать 1С. Накопители энергии на основе кобальта встречаются все реже, но еще используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC, NCM). Обеспечивают высокую мощность и емкость – 150–220 Вт·ч/кг, выдерживают 1000–2000 циклов. Стандартные токи заряда и разряда – 1С. Используются в медицинском и промышленном оборудовании, электровелосипедах и других видах электротранспорта.
4. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA). Отличаются высокой удельной энергоемкостью – 200–260 Вт·ч/кг. Имеют ресурс около 500 циклов, зарядные токи 0,7С и разрядные 1С. Обеспечивают автономное питание промышленного и медицинского оборудования, электрических силовых агрегатов и других устройств, требующих высокой емкости.
5. Литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4). Отличаются большим ресурсом (более 2000 циклов), термической и химической стабильностью, высокой безопасностью эксплуатации и малым внутренним сопротивлением. Их удельная энергоемкость составляет 90–120 Вт·ч/кг, ток зарядки – 1С, ток разрядки – до 25С. Используются такие элементы питания в устройствах, для которых важна выносливость аккумов, способность работать на морозе и выдерживать высокие токи нагрузки.
6. Литий-титанатные (LiTi). Отличаются низким номинальным напряжением (2,4 В) и удельной энергоемкостью 70–80 Вт·ч/кг, но быстро заряжаются, имеют широкий температурный диапазон и ресурс 3000–7000 циклов. Номинальные токи зарядки 1С, максимум – 5С. Допустимые разрядные токи – 10С, а при импульсной подзарядке – 30С. Литий-титанатные элементы считаются самыми безопасными. Используются они в уличном освещении, ИБП, электротранспорте.

Как работает литиевый аккумулятор?

Принцип работы Li-ion аккумуляторов идентичен для элементов всех типов, независимо от материала катода.Когда на электроды подается напряжение – «плюс» на оксид лития и «минус» на графит – положительно заряженные ионы лития отцепляются от молекул оксида и переходят на углеродную пластинку. В результате протекает окислительная реакция, и аккумулятор заряжается.

При работе литиевого аккумулятора под нагрузкой протекает обратный процесс. Ионы Li + возвращаются на пластинку из оксида лития, в свое стандартное состояние. Графитовая пластинка на фольге из меди становится «минусом», а оксид лития на фольге из алюминия – «плюсом».

Особенности зарядкиLi-ionэлементов

Литий-ионные элементы питания чувствительны к перезаряду. На поверхности анода при чрезмерном заряде осаждается металлический литий. Он выглядит как мелкий мшистый осадок и способен вступать в реакцию с электролитом. На катоде при перезаряде активно выделяется кислород. Внешне это может проявляться в виде интенсивного нагрева, роста давления и разгерметизации элемента.

Заряжаются Li-ionаккумуляторы в 2 этапа:

1. При стабильном значении тока 0,2С–1С до рекомендованного производителем напряжения, обычно – 4,1–4,2 В. Длится эта стадия около 40 минут.
2. При неизменном напряжении. Процесс зарядки завершается, когда значение зарядного тока уменьшается до величины, составляющей 3% от начального значения.

Быстрее происходит зарядка в импульсном режиме.Но для продления срока службы литиевых элементов их рекомендуется заряжать током, номинал которого составляет 50% от значения емкости, т.е. 0,5С.

Защита литиевых аккумуляторов

Элементы питания на основе лития защищены от коротких замыканийвнутри системы, например, с помощью 2-слойного сепаратора. Один из его слоев выполняется не из полипропилена, а из аналога полиэтилена. При риске короткого замыкания, к примеру, если дендриты лития прорастают к катоду, защитный слой локально нагревается, частично плавится, становится непроницаемым и блокирует последующее прорастание дендритов.

Для защиты от избыточного заряда и глубокого разряда накопители энергии снабжаются специальными ограничителями – платами защиты по току и напряжению. Они не допускают выхода напряжения за границы рекомендованного диапазона и в критических ситуациях автоматически отключают элемент от питания или нагрузки.

Поэтому для безопасной работы элементов и аккумуляторных батарей важно использовать BMSплаты. В противном случае высок риск повреждения аккумуляторов и их преждевременного выхода из строя. Такой контроллер зарядно-разрядного процесса может устанавливаться и на отдельные аккумуляторы, и на собранную из них батарею.

Производство литиевых элементов питания

Сырье для основных элементов в схеме Li-ion аккумуляторов – катода и анода – имеет вид мелкофракционного черного порошка. Чем мельче частицы, тем больше получается эффективная площадь электродов. Оптимальная форма частиц – сферическая, с гладкими краями, т.к. неровности чувствительны к токовым нагрузкам.

Производственный процесс состоит из следующих этапов:

1. Порошковидные материалы наносятся в виде суспензии на фольгу. Аноды и катоды обычно производятся в различных цехах, чтобы обеспечить максимальную чистоту материалов. Металлическая фольга играет роль токоприемника.
2. Фольга с нанесенными материалами сушится, разделяется на полоски и складывается в несколько слоев. Процесс сворачивания строго контролируется, т.к. любые дефекты способны привести к коротким замыканиям внутри системы.
3. Между пластинами анода и катода зажимается сепаратор, обработанный электролитом.
4. Пластинки сворачиваются рулоном или по другой схеме и помещаются в корпус.

Готовые изделия проходят тестирование – контролируемый цикл заряда-разряда. Подзарядку начинают с минимального напряжения и с постепенным его повышением.Протестированные изделия заряжаются до оптимального уровня, чтобы исключить риск значительного падения напряжения из-за саморазряда, и поставляются в продажу.

Предыдущая статья нашего блога посвящена сигнализации для электровелосипедов.

• 20 августа 2020 г.
• 19198 просмотров

• электровелосипед, контроллер, Аккумулятор, LiFePO4, BMS, LiFePO4 аккумулятор, АКБ, литиевый, литиевые аккумуляторы, Li-ion, литий-ионных, для LiFePO4 аккумулятора, аккумулятор с BMS, lifepo4 bms, литиевые, аккумуляторы, ток, разряда, набор, Литий, 3, Li-ion аккумуляторы, аккумулятор электровелосипед

Источник: www.voltbikes.ru

Какие материалы входят в состав литий-ионного аккумулятора?

Современные катодные материалы включают оксиды лития и металла [такие как LiCoO 2 , LiMn 2 О 4 и Li(NixMnyCoz)O 2 ], оксиды ванадия, оливины (такие как LiFePO 4 ) и перезаряжаемые оксиды лития. 11,12 Слоистые оксиды, содержащие кобальт и никель, являются наиболее изученными материалами для литий-ионных аккумуляторов.Они демонстрируют высокую стабильность в диапазоне высоких напряжений, но кобальт имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства.Марганец предлагает недорогую замену с высоким термическим порогом и отличными показателями скорости, но с ограниченным поведением при циклировании.Поэтому часто используют смеси кобальта, никеля и марганца, сочетающие лучшие свойства и минимизирующие недостатки.Оксиды ванадия обладают большой емкостью и отличной кинетикой.Однако из-за введения и извлечения лития материал имеет тенденцию становиться аморфным, что ограничивает поведение при циклировании.Оливины нетоксичны и имеют умеренную емкость с низким выцветанием из-за циклирования, но их проводимость низкая.Были введены методы покрытия материала, которые компенсируют плохую проводимость, но добавляют некоторые затраты на обработку батареи.

Анодные материалы

Анодными материалами являются литий, графит, легирующие литий материалы, интерметаллиды или кремний. 11 Литий кажется наиболее простым материалом, но имеет проблемы с циклическим поведением и ростом дендритов, что создает короткие замыкания.Углеродистые аноды являются наиболее используемым анодным материалом из-за их низкой стоимости и доступности.Однако теоретическая емкость (372 мАч/г) невелика по сравнению с плотностью заряда лития (3862 мАч/г).Некоторые усилия с новыми разновидностями графита и углеродными нанотрубками пытались увеличить производительность, но это было связано с высокими затратами на обработку.Аноды из сплавов и интерметаллические соединения обладают высокой емкостью, но также демонстрируют резкое изменение объема, что приводит к плохой цикличности.Были предприняты попытки преодолеть изменение объема за счет использования нанокристаллических материалов и включения фазы сплава (с Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn и др.) в нелегирующую стабилизирующую матрицу (с Co, Cu, Fe или Ни).Кремний имеет чрезвычайно высокую емкость 4199 мАч/г, что соответствует составу Si. 5 Ли 22 .Однако поведение при циклировании плохое, а снижение емкости еще не изучено.

Электролиты

Для безопасной и долговечной батареи требуется прочный электролит, способный выдерживать существующее напряжение и высокие температуры, имеющий длительный срок хранения и обеспечивающий высокую подвижность ионов лития.Типы включают жидкие, полимерные и твердотельные электролиты. 11 Жидкие электролиты в основном представляют собой органические электролиты на основе растворителей, содержащие LiBC. 4 О 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li[ПФ 3 (С 2 Ф 5 ) 3 ], или похожие.Наиболее важным фактором является их воспламеняемость;наиболее эффективные растворители имеют низкую температуру кипения и температуру воспламенения около 30°C.Следовательно, вентиляция или взрыв элемента, а затем и аккумулятора представляют опасность.Разложение электролита и сильно экзотермические побочные реакции в литий-ионных батареях могут вызвать эффект, известный как «тепловой разгон».Таким образом, выбор электролита часто включает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.

Сепараторы имеют встроенные механизмы теплового отключения, а к модулям и блокам батарей добавляются дополнительные внешние сложные системы терморегулирования.Рассматриваются ионные жидкости из-за их термической стабильности, но они имеют серьезные недостатки, такие как растворение лития из анода.

Полимерные электролиты представляют собой полимеры с ионной проводимостью.Их часто смешивают в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.Кроме того, из-за их высокой вязкости и квазитвердого поведения полимерные электролиты могут препятствовать росту литиевых дендритов. 13 и поэтому может использоваться с анодами из металлического лития.

Твердые электролиты представляют собой литий-ионные проводящие кристаллы и керамические стекла.Они демонстрируют очень плохие характеристики при низких температурах, поскольку подвижность лития в твердом теле сильно снижается при низких температурах.Кроме того, твердые электролиты требуют особых условий осаждения и температурной обработки для достижения приемлемого поведения, что делает их чрезвычайно дорогими в использовании, хотя они устраняют необходимость в сепараторах и риск теплового разгона.

Источник: www.lithium-battery-factory.com

Все, что вы хотели знать о Li-Ion аккумуляторах, но боялись спросить (часть 1).

Сейчас на рынке представлено огромное разнообразие Li-Ion аккумуляторов различных марок, как с защитой, так и без. Взрывной рост их популярности пришелся на 2008-2010гг., когда на рынке появились большое количество мощных светодиодных фонарей в зарубежных интернет-магазинах.

Но, стоит признать, что, до сих пор, для большинства пользователей, этот тип элементов питания является достаточно новым и незнакомым. Чтобы не запутаться во всем этом многообразии мы хотим вам дать несколько советов, чтобы помочь определиться, какой именно литиевый аккумулятор вам необходим (защищенный-незащищенный) и как не купить откровенно некачественный товар.

Что нужно знать при использовании Li-Ion аккумуляторов.

В силу технологии Li-Ion аккумуляторы имеют ряд ограничений, которые необходимо соблюдать в процессе эксплуатации.
Это:
• максимальное напряжение (напряжение перезаряда) не должно превышать 4,25-4,35В
• минимальное напряжение (напряжение переразряда) не должно быть ниже 2,2-2,5В
• ток разряда не должен превышать 2ух-кратное значение емкости (2С): т.е. для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток разряда не должен быть выше 4400мА, а обладателя емкости в 3100мАч можно смело разряжать током до 6200мА. Есть особые типы высокомощных Li-Ion аккумуляторов, которые предназначены для работы с большими разрядными токами, превышающими величину их емкости в 5-10 раз.

• ток заряда не должен быть выше половины значения емкости аккумулятора (0,5С).

По аналогии с током разряда для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток заряда не должен быть выше 1100мА, а аккумулятор с емкостью 3100мАч можно зарядить током в 1550мА.

• Li-Ion аккумулятор НЕ ЗАРЯЖАЕТСЯ при минусовой температуре, но достаточно спокойно относится к работе на морозе с небольшой потерей емкости. Т.е. зарядили аккумулятор дома, пошли, — поработали на улице, потом, опять, принесли заряжать аккумулятор домой. Это утверждение вы можете проверить в действии на вашем смартфоне или фотоаппарате/видеокамере, — там стоит такой же литиевый аккумулятор, только в другом типоразмере.

• Незащищенные аккумуляторы нельзя паять. Если вы хотите собрать из отдельных аккумуляторов большую батарею,

то следует учитывать, что Li-Ion аккумуляторы очень не любят перегрева, а при попытке припаять провод к контакту аккумулятора вы, скорее всего, его перегреете.

Поэтому собирают аккумуляторные батареи с помощью контактной сварки и специальной ленты.

Опять же, для обслуживания такой батареи вам понадобится контроллер,

который будет следить за процессами заряда-разряда аккумуляторов.

Но, перейдем от теории к практике и попробуем дать ответы на самые распространенные вопросы, которые возникают у покупателей при выборе Li-Ion аккумулятора.

1. Защищенный или нет.

Как мы уже говорили, Li-Ion аккумуляторы должны работать в диапазоне напряжений 4,2-2,5В. Для того, чтобы в процессе работы напряжение на АКБ не выходило за пределы этого диапазона на минусовой контакт незащищенного Li-Ion АКБ (их еще называют «ячейка») ставят небольшую электронную плату защиты (зачастую, она именуется просто «защита»).

Именно эта плата обеспечивает работу ячейки в допустимом диапазоне напряжений, предохраняет от перегрузки по току и от короткого замыкания.

Плата защиты приваривается стальной лентой к контактам аккумулятора

и весь этот «бутерброд», упаковывается в термо-пленку с обозначение бренда и емкости (как реальной так и совершенно бредовой, в некоторых случаях).

Из-за платы защищенные аккумуляторы на пару миллиметров длиннее своих незащищенных сородичей и на 0,5 мм толще.

А, так как, качественная Li-Ion ячейка имеет длину 65мм, то защищенный Li-Ion АКБ вырастает в длине до 68-70мм. Такие аккумуляторы могут обозначаться типоразмером 18700 (где первые две цифры это диаметр в мм., а вторые две- длина). Это надо учитывать при выборе аккумулятора, — сможет ли такой аккумулятор влезть, к примеру, в ваш фонарь или зарядное устройство.
PS. На некоторых зарядных устройствах для Li-Ion аккумуляторах производители заранее указывают, что их продукт может заряжать аккумуляторы типоразмера вплоть до 18700.

Защищенные аккумуляторы можно применять в любых устройствах, которые расчитаны на работу с Li-Ion источниками питания и не имеют встроенного контроллера заряда-разряда. В настоящее время основными потребителями защищенных АКБ являются светодиодные фонари, так как именно такие аккумуляторы способны обеспечить питанием мощные светодиоды в течении продолжительного времени.

Так же, защищенные аккумуляторы находят все большее распространение в разнообразной маломощной бытовой электронике, которая работает от одного-двух АКБ.

При необходимости собрать более серьезный источник питания прибегают к изготовлению аккумуляторных батарей. Тут уже в ход идут только незащищенные аккумуляторы.

Такие батареи стоят в большинстве современных ноутбуках, в электроинструменте, фото-видео технике, электровелосипедах и т.д. Управляет такими батареями специальный контроллер, который следит за напряжением на каждом отдельном аккумуляторе в батарее и необходимости в индивидуальных платах защиты нет.

Подитог: если у вас светодиодный фонарь, с вероятностью 99% вам необходим защищенный аккумулятор. Если вы хотите отремонтировать батарею в ноутбуке или в шуруповерте или просто вам нужна БАТАРЕЯ из LI-Ion аккумуляторов, то вам необходимы именно незащищенные АКБ.
Часть 2

P.S. Текст не мой, скопипачено для сохранности инфы отсюда.

Источник: www.drive2.ru