Литий-ионная аккумуляторная батарея: особенности химической архитектуры

Литий-ионная аккумуляторная батарея: особенности химической архитектуры

Литий характеризуется лёгким веществом относительно других металлов. Этот химический элемент обладает выраженным электрохимическим потенциалом,  способен генерировать максимум удельной энергии по отношению к весовым параметрам. Аккумуляторные батареи, оснащённые электродами на основе металлического лития, демонстрируют высокий уровень плотности энергии. Но процесс цикла отмечается образованием на электроде нежелательного компонента — дендритов, проникающих в структуру сепаратора, вызывающих короткое замыкание. Температура ячейки стремительно повышается до граничного значения плавления лития, что чревато возгоранием аккумулятора. Какой же должна быть литий-ионная аккумуляторная батарея в идеальном исполнении? Рассмотрим тему.

Исторический и перспективный путь Li-Ion

Характерная нестабильность металлического лития, отмечаемая в процессе зарядки АКБ, заставила перенести исследования на растворы неметаллического характера, насыщаемые ионами лития. Удельная энергия при этом снижается, но литий-ионный вариант характеризуется более безопасным процессом. Высокая степень безопасности литий-ионной АКБ обусловлена факторами напряжения и тока.

Впервые литий-ионная батарея была изготовлена компанией «Sony» в 1991 году. На современном этапе этот вариант химии остаётся многообещающим, быстро набирающим рост на коммерческом рынке. Тем не менее, исследования по разработке безопасных металлических литиевых батарей продолжаются. Учёные надеются создать эффективный продукт во всех отношениях.

OSTENT

Литий-металлические батареи
Литий-металлические аккумуляторные батареи – один из вариантов изготовления низковольтных источников питания достаточно высокой ёмкости

Согласно отчётам 1994 года, производство литий-ионных батарей ёмкостью 1000 мА/ч оценивалось в размере $10. На момент 2001 года стоимость снизилась до $2, вместе с тем ёмкость изделий выросла до 1900 мА/ч. Теперь выпускаемые литий-ионные АКБ обеспечивают уже не менее 3000 мА/ч ёмкости, при ещё большем снижении затрат. Очевидный момент:

  • снижение финансовых издержек,
  • повышение удельной энергии,
  • исключение токсичных материалов,

это путь к производству универсальных литий-ионных батарей, применимых под портативное использование в лёгкой и тяжёлой промышленности. Отдельный сектор – автомобильные электро-силовые агрегаты.

Типичное исполнение литий-ионных батарей

Подобного типа литий-ионный аккумулятор представляет энергетическую батарею, периодическое техническое обслуживание которой не предусматривается. Преимущество в этом явное, учитывая, что многие другие химические продукты подобного класса не могут претендовать на такой подход. Литий-ионный аккумулятор исключает эффект «памяти», конструкция не критична к изменениям формы.

ELEOPTION

Литий-ионная аккумуляторная батарея фирмы Sony
Продукты компании SONY. Каждый из таких аккумуляторов нашёл широкое распространение как миниатюрный источник питания бытовой и другой техники

Саморазряд литий-ионной АКБ составляет менее 50% по сравнению с продуктами на базе никеля. Этот фактор делает технологию «Li-ion» удачно подходящей под универсальное применение (например, в составе топливомеров). Номинальный параметр напряжения для литий-ионной ячейки (3,6В) позволяет напрямую питать:

  • сотовые телефоны,
  • цифровые видеокамеры,
  • прочую аппаратуру,

предлагая упрощённый подход, а также снижение издержек производства относительно других БП.

Содержимое архитектуры классической Li-Ion

Подобно архитектуре на основе свинца и никеля, литий-ионная архитектура содержит:

  • катод (электрод положительного потенциала),
  • анод (электрод отрицательного потенциала),
  • электролит (проводник электронов).

Катод выполнен из материала на основе оксида металла. Анод изготовлен из материала — пористого углерода. По факту разряда литий-ионного аккумулятора, ионы перемещаются от анода в сторону катода, преодолевая структуру электролита и сепаратора. Обратный вариант, когда имеет место заряд аккумулятора, направление хода ионов изменяется от катода в сторону анода.

PANASONIC

Литий-ионная аккумуляторная батарея - структура
Химические процессы, протекающие внутри структуры литий-ионной батареи: 1 – катод на базе оксида металла лития; 2 – направление заряда/разряда; 3 – анод на основе графита (угольный электрод)

Процедура заряда/разряда и переменное движение ионов между катодом и анодом приводят к окислению отрицательного электрода (анода). При этом число электродов на аноде уменьшается, тогда как на катоде отмечается увеличение. Заряд меняет направление течения электронов.

Материалы, применяемые для построения структуры литий-ионной батареи, теоретически обладают удельной энергией. Ключ к достижению высокой ёмкости и эффективной передачи энергии следует искать, в первую очередь, на катоде. Достижения в разработках литий-ионных АКБ последних 10 лет показывают, что именно катод характеризует литий-ионную батарею.

Батарея высокой ёмкости PINZHENG для iPhone 6 6S 7 8 Plus X
 

Общим материалом катода литий-ионной АКБ выступают:

  • оксид лития-кобальта (литий-кобальтат),
  • оксид лития-марганца (литий-марганат),
  • литий-фосфат железа,
  • литий-никель-марганцевый кобальт,
  • литий-никель-кобальтовый алюминий.

Оригинальный продукт производства Sony

Оригинальная архитектура литий-ионной батареи производства «Sony» отличалась применением кокса под материал анода. Начиная с 1997 года львиная доля литий-ионных батарей построена на графите, благодаря чему удаётся получить более плоскую кривую процесса разряда. Продолжаются изыскания (разработки) лучшей структуры анода. Теперь тестируется ряд химических добавок, включая сплавы с кремнием.

ANTIRR

Оригинальная литий-ионная аккумуляторная батарея Sony
Оригинальный миниатюрный аккумулятор Sony – продукт из серии литий-ионных батарей современной разработки, которые отличаются высокой ёмкостью и продолжительной работой

Известный материал кремний обеспечивает рост удельной энергии до 20-30%, благодаря малым токам нагрузки. Другая анодная добавка литий-ионной архитектуры — наноструктурированный литий-титанат, демонстрирует следующие качества:

  • продолжительный срок службы,
  • лучшие характеристики нагрузки,
  • работу при низких температурах,
  • безопасность.

Однако на низком уровне остаётся удельная энергия.

Усиление качественных показателей структуры

Смесь катодного и анодного материалов демонстрирует возможности для усиления качества структуры. Но улучшение одного компонента ставит под угрозу нарушение другого компонента. К примеру, если оптимизировать:

  • удельную энергию,
  • нарастить удельную мощность,
  • нарастить срок службы,
  • усилить безопасность,

недостатком остаётся существенное снижение нагрузки.

Оптимизация под эксплуатацию с токами высокого уровня приводит к снижению удельной энергии. Упрочнение структуры литий-ионной ячейки под длительный срок службы приводит к усилению безопасности. Но тогда приходится увеличивать габариты батареи и наращивать размер толщины сепаратора. Между тем сепаратор – это наиболее дорогостоящая деталь литий-ионной батареи.

VARLCORE

Литий-ионная аккумуляторная батарея - конструкция сепаратора
Примерно так выглядит реально сепаратор аккумулятора с литий-ионной структурой – самый дорогостоящий элемент конструкции автономного источника питания

Таблицей ниже представлены обобщённые характеристики литий-ионной архитектуры с различным катодным материалом. Таблица ограничивает химический состав четырьмя наиболее популярными литий-ионными системами. Применяется краткая форма описания.

Разновидности химической формулы конфигурации

Аббревиатура NMC (никель-марганец-кобальт) – химическая формула относительно новой конфигурации, адаптированная под высокую нагрузку. Литий-ион-полимер далеко не уникальная химическая формула, отличается только конструктивным исполнением. Литий-полимер изготавливается различными химическими составами. Наиболее широко применяемым остаётся Литий-кобальт.

Таблица обобщённых характеристик литий-ионных батарей:

Спецификация Литий-кобальт Литий-марганец Литий-фосфат Литий NMC
Напряжение, В 3.6 3.7 3.3 3.6 – 3.7
Лимит заряда, В 4.2 4.2 3.6 4.2
Цикл жизни 500 500 — 1000 1000 — 2000 1000 – 2000
Рабочая Т, ºC средняя средняя средняя средняя
Тепловой пробой, ºC 150 250 270 210

При помощи информации: BatteryUniversity