Небольшой обзор-сравнение различных типов аккумуляторов на основе лития.
Поделиться этой страницей в:
Немного истории
Первые работы над литиевыми аккумуляторами были начаты еще в 1912 г. Г.Н. Льюисом. Однако, реально литиевые батареи появились в продаже лишь в начале 70х, но они были не перезаряжаемыми. В 80х годах были продолжены работы по созданию именно аккумуляторов, однако, без успехов, т.к. металлический литий, который использовался в качестве анода, был нестабилен.
Литий хорош тем, что имеет громадный электрохимический потенциал, и наибольшее отношение возможной энергии к собственному весу по сравнению с другими металлами. Однако, при циклических зарядах-разрядах а аккумуляторе идут нежелательные процессы на аноде. В частности, металл прорастал в виде "усов"-кристаллов через сепаратор и вызывал внутреннее короткое замыкание. При этом температура аккумулятора быстро нарастала, достигала температуры плавления лития, что вызывало выброс лития, который загорался при контакте с воздухом. Этот процесс даже получил отдельное название "вентиляция с пламенем". В результате, например, в 1991 г. была отозвана большая партия литиевых аккумуляторов, ранее отправленных в Японию. Причиной отзыва стали взрывы батарей в мобильниках, которые даже приводили к ожогам лица, а хуже, если телефон загорался в кармане. ;-)
Нестабильность металлического лития, особенно во время заряда, заставила искать неметаллические материалы в которых бы вместо металлического лития работали бы его ионы. Несмотря на то, что Li-Ion технология проигрывает по емкости литий-металлической, она относительно более безопасна.
В 1991 г. компания Sony выпустила на рынок первую коммерческую Li-ion батарею. И с тех пор в аккумуляторах используются именно ионы лития, а не чистый металл. Однако, работы по созданию аккумуляторов на металлическом литии не закончены и, возможно, в будущем появятся и такие аккумуляторы.
Удельная энергия Li-Ion батарей в два раза выше, чем у NiCd батарей. А рабочее напряжение составляет 3.6 В, вместо 1.2А у аккумуляторов на основе Ni. Дальнейшее усовершенствование материала электрода в будущем может существенно увеличить энергетическую емкость Li аккумуляторов.
Диапазон рабочих напряжений у Li-Ion аккумуляторов лежит в пределах 2.8...4.2В. Нагрузочные характеристики и кривая разряда Li-ion батарей дают возможность эффективно использовать накопленную энергию в желаемом спектре напряжения: от 3,7 до 2,8 вольт на ячейку. Кривая разряда батарей на основе NiCd технологии находится в диапазоне от 1,25 до 1,0 вольт на ячейку.
В 1994 г. стоимость производства Li-ion батарей типоразмера 18650 с емкостью 1,100 mAh составляла более $10. Но уже в 2001 г. стоимость производства снизилась до $2, а емкость возросла до 1,900 mAh. Сегодня высокоемкие элементы 18650 имеют емкость более 3,000 mAh, а их цена постоянно снижается. Снижение затрат, увеличение удельной емкости и отсутствие токсичных материалов при производстве послужили поводом сделать Li-ion батареи общепринятыми источниками энергии, сначала в легкой промышленности, а теперь все чаще и в тяжелой промышленности, в том числе для производства электрических силовых агрегатов автомобилей.
В 2009 г. приблизительно 38% продаж приходилось на Li-ion батареи. Батареи, произведенные по Li-ion технологии, требуют гораздо меньшего внимания при эксплуатации, чем батареи произведенные по другим технологиям. У Li-ion батарей нет эффекта памяти и они не нуждаются в полной разрядке для сохранения своих свойств. Саморазряд у этих батарей в 2 раза ниже, чем у батарей на основе никеля. Эти свойства открывают большие возможности в использовании Li-ion батарей. Напряжение в 3,6 вольта на одну ячейку может напрямую питать мобильные телефоны и цифровые камеры, способствуя снижению стоимости устройств по сравнению с конструкциями на нескольких ячейках. Недостатком Li-ion батарей является необходимость защиты схем для предотвращения отказов и высокая цена.
Типы литий-ионных батарей
Как и любой аккумулятор, Li-Ion батарея состоит из двух электродов - катода и анода, сепаратора их разделяющего и электролита в качестве проводника. Катод представляет собой оксид металла (Li), а анод состоит из пористого углерода. Во время разряда, поток ионов идет от анода к катоду через электролит и сепаратор. При зарядке движение меняется на противоположное. Этот процесс показан на рисунке 1.
Рисунок 1: движение ионов в литий-ионной батареи
При заряде и разряде ячейки, ионы циркулируют между катодом (положительным электродом) и анодом (отрицательным электродом). При разряде анод окисляется и теряет электроны, а катод в этот момент притягивает электроды. При заряде идет обратное движении.
Различия в типах Li-ion батареи определяются в основном материалом катода.
Наиболее распространены следующие материалы при изготовлении катода: Литий Оксид Кобальта (или Литий Кобальт), Литий Оксид Марганца (известен как шпинель или Литий Марганец), Литий Фосфат Железа, а также Литий Никель Марганец Кобальт (или НКМ) и Литий Никель Кобальт Оксид Алюминия (или НКА). Все эти материалы обладают теоретически одинаковыми свойствами в заданных пределах. (Предел теоретической емкости Li-ion технологии равен приблизительно 2000кВтЧ, что более чем в 10 раз превосходит емкость реально существующих Li-ion батарей.
Li-ion батареи, впервые выпущенные компанией Sony, в качестве анода использовали кокс. С 1997 года большинство производителей Li-ion батарей, включая Sony, перешли на графит, что помогло сделать кривую разряда более плоской. Графит это одна из форм углерода. Графит прекрасно работает в Li-Ion аккумуляторах. Среди углеродных материалов, графит является наиболее часто используемым, после твердых и мягких углеродов.
Другие углеродные материалы, такие как, например, углеродные трубки, еще не нашли широкого коммерческого применения. На рисунке 2 показаны кривые напряжения при разряде современных Li-ion батарей с графитом в качестве анода и более ранних версий с коксом.
Рисунок 2: Кривая напряжения при разряде li-ion батарей. Чем более плоская кривая разряда, тем лучше.
Новые разработки также ведутся и с анодом. Так, в качестве нового материала пробуют использовать кремниевые сплавы. Использование кремния позволяет добиться увеличения удельной энергии на 20-30 % за счет снижения токов нагрузки и сокращения жизненного цикла. Нано-структурированный титанат лития, при использовании в качестве анода, позволяет добиться увеличения жизненного цикла, показывает хорошие нагрузочные и низкотемпературные характеристики, но обладает низкой удельной емкостью.
Использование различных материалов для катода и анода позволяет производителям улучшить характеристики производимых li-ion батарей. Однако, увеличение одних характеристик может привести к ухудшению других. Производители аккумуляторов, например, могут оптимизировать удельную энергию (емкость) для увеличения времени использования, также могут увеличить удельную мощность для улучшения нагрузочных характеристик, могут продлить срок службы для повышения долговечности, могут сделать батареи более безопасными для снижения отрицательного влияния на окружающую среду. Но есть и недостатки. Так повышение емкости уменьшает ток нагрузки, оптимизация текущей нагрузки снижает удельную энергию, упрочнение ячейки для увеличения срока службы и безопасности приводит к увеличению размера батареи и её стоимости за счет более широкого слоя сепаратора. Сепаратор это наиболее дорогостоящая часть Li-ion аккумулятора.
Для достижения большей удельной энергии и снижения стоимости, производители могут использовать никель вместо кобальта, но это делает ячейки батарей менее стабильными. Компании-новички могут сосредоточиться на увеличении удельной емкости для быстрого продвижения на рынке батарей, но тогда может пострадать безопасность и долговечность использования. Известные компании-производители в первую очередь уделяют внимание безопасности и долговечности своих батарей.
В таблице 3 объединены характеристики Li-ion батарей с различными материалами в качестве катода. В таблице указаны четыре наиболее распространенных типов Li-Ion. Батареи могут быть следующих видов: Литий-Кобальт, Литий-Марганец, Литий-Фосфат и Никель-Марганец-Кобальт (НМК).
Таблица 1. Характеристики 4-х наиболее часто используемых типов литий-ионных батарей.
Примечание: Никель-Марганец-Кобальт (НМК), НКМ, КМН, МНК и МКН это одни и те же батареи. Химический состав этих батарей Li[Ni(1/3)Co(1/3)Mn(1/3)]O2. Место нахождения Ni, Mn и Co не имеет особого значения.
Поиск идеальной литий-ионной батареи сейчас в самом разгаре. Производители видят новые области применения батарей в двигателях автомобилей и в хранилищах энергии. На момент написания статьи, считается, что для электродвигателей наиболее подходящими являются батареи из Литий-Марганца и/или Никель-Марганец-Кобальта.
Сейчас, в основном, Li-Ion батареи применяются в портативных устройствах, а их свойства при долгосрочном использовании в электроприводах пока не известны. Четкую оценку эксплуатационных затрат и жизненного цикла батарей можно будет дать только после смены нескольких поколений Li-Ion батарей для автомобилей с силовыми агрегатами, когда станут более понятными их характеристики при эксплуатации в различных климатических условиях.
Таблица 2. Преимущества и недостатки литиевых батарей
На главную
