Архив рубрики: компоненты

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор (англ. Lithium-ion battery, сокращенно Li-ion) — один из двух основных типов литиевых электрических аккумуляторов с категории вторичных электрических батарей, который отличается с литий-полимерным аккумулятором лишь типом электролита, который используется при их изготовлении. В случае с Li-ion — это гелеобразный электролит, в случае с Li-Pol — специальный полимер, насыщенный раствором лития. Широко распространенный в бытовой электронике.

Название литий-ионные аккумуляторы получили из-за того, что электрический ток во внешней цепи появляется из-за переноса литиевых ионов от анода к катоду на основе различных соединений (чаще LiCoO 2, LiNiO 2 и смешанных оксидов).

Практически все источники питания, имеющие высокую удельную плотность, используют литий, благодаря его химическим свойствам. Килограмм лития способен хранить +3860 А • ч., Когда для сравнения, показатель цинка составляет 820 А • ч, а свинца — 260.200px-Lithium-Ion_Cell_cylindric

История

Попытки разработать литиевые электрические батареи, перезаряжаемые проводились в 80-х г.. ХХ в., Но были неудачными из-за невозможности обеспечения необходимого уровня безопасности при их эксплуатации поскольку литий слишком активен и столь бурно реагирует с водой, может загореться. Было установлено, что в ходе циклов заряда-разряда электрической батареи с металлическим литиевым электродом может возникнуть короткое замыкание внутри аккумуляторной батареи. При этом температура внутри аккумулятора может достичь температуры плавления лития. В результате бурной химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв.

Основные характеристики

Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость литий-ионных аккумуляторов не более нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители начали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов.

Энергетическая емкость 110 … 200 Вт * ч / кг
Внутреннее сопротивление 150 …
Энергетическая емкость 110 … 200 Вт * ч / кг
250 мОм (для батареи 7,2 В)
Число циклов заряд / разряд до потери 20% мощности: 500-1000
Время быстрого заряда: 2-4 часа
Допустимый перезаряд: очень низкий
Саморазряд при комнатной температуре: 7% в год
Напряжение максимальна в элементе: 4,18..4,20 В (полностью заряжен)
Напряжение минимальная: 2,5..2,75 В (полностью разряжен)
Ток нагрузки относительно мощности (С):
— Пиковый: больше 2С
— Больше допустимый: до 1С
Диапазон рабочих температур: -20 — +60 ° C
Обслуживание: не регламентируется
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2С, мощные — до 10-20С. Диапазон рабочих температур: от -20 до +60 в С. Но многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособны при -40 ° С. Возможно расширение температурного диапазона и в сторону более высоких температур.

В основном Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа при повышенной температуре сокращает срок действия их использования. Повышенная температура временно противодействует внутреннему сопротивлению аккумулятора, увеличение которого приводит к его износу. Исключением сегодня только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом.

Саморазряд составляет 4-6% за первый месяц, потом — значительно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости в несколько раз меньше, чем в никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 в С, так и при 40 о С.

Ресурс — 500-1000 циклов.

Все литиевые аккумуляторы имеют достаточно приемлемые для хранения параметры. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10% в год.

Приведенные показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня розряджености, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур — от уровня производимого ресурса и допустимых рабочих напряжений.

К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядки и разрядке, поэтому они должны иметь ограничители заряда и разряда.

Форматы литий-ионных аккумуляторов. Конструкция Li-ion аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы доступны в различных форм-факторах, которые в целом можно разделить на четыре группы:

Небольшие цилиндрические (твердые тела без терминалов, таких как батареи для портативных компьютеров)
Большие цилиндрические (твердое тело с большими винтовыми клеммами)
В чехлах (мягкие, плоские тела, такие, как те, которые используются в мобильных телефонах)
Призматические (полужесткий пластиковый корпус с большими винтовыми клеммами)
Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), изготавливаются в цилиндрическом и призматическом вариантах.

В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора встроенный в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку.

Призматические аккумуляторы изготавливаются путем составления прямоугольных пластин друг на друга. Они обеспечивают плотнее упаковка в аккумуляторной батарее, но, в отличие от цилиндрических аккумуляторов, сложнее выдерживают сжимающие усилия на электроды.В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, скручивается в эллиптическую спираль.

Некоторые конструктивные мероприятия обычно применяют и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора есть устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и, который разрывает электрическую связь между катодом и положительным клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимой нормы. Для повышения уровня безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешний электронная защита, цель которого не допустить перезарядки и разрядку, короткого замыкания и чрезмерного разогрева.

iКонструкция Li-ion и других литиевых аккумуляторов, как и конструкция всех первичных батарей с литиевым анодом, отличается абсолютной герметичностью. Требование абсолютной герметичности определяется как недопустимостью утечки жидкого электролита (отрицательно действующего на приборы) и недопустимости попадания в аккумулятор кислорода и влаги из окружающей среды, поскольку они реагируют с материалами электродов и электролита, полностью выводя аккумулятор из строя.

Встроенные системы защиты

Li-ion аккумуляторы коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту, по сравнению со всеми типами батарей. Как правило, в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель, который при нагревании батареи до 90 в С отключает круг ее нагрузки, обеспечивая ее термозащита.

Некоторые аккумуляторы имеют выключатель, который срабатывает при достижении предельного уровня давления внутри корпуса, равного одна тысяча тридцать четыре кПа (10,5 кг / м 2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение на элемент снизится до уровня 2,5 В.

Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии равна 0,05- 0,1 Ом. Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порогов напряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей фактически создает удвоение ее внутреннего сопротивления, особенно, если батарея состоит только из одного аккумулятора.

В некоторых Li-ion батареях, в которых используют марганец, имеющих 1-2 элементы; схема защиты не применяется. Вместо этого в них установлено только один предохранитель. И такие батареи являются безопасными благодаря их небольшим габаритам и емкости. Кроме того, марганец достаточно «терпеливый» к нарушениям правил эксплуатации Li-ion батареи. Отсутствие схемы защиты уменьшает стоимость Li-ion батареи, но порождает новые проблемы.

При использовании недорогих зарядных устройств, предназначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее при достижении напряжения конца заряда. Если схему защиты в аккумуляторе не предусмотрено, произойдет перезаряд батареи и, как следствие, ее необратимый выход из строя. Этот процесс сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи.

Технологические операции производства

Технологические операции производства электродов и других деталей, а также сборки аккумуляторов проводят в особых сухих комнатах или герметичных боксах в атмосфере чистого аргона.

При составлении аккумуляторов применяют сложные современные технологии сварки и конструкции гермовиводив.

Закладка активных масс электродов является компромиссом между желанием достичь максимума разрядной емкости аккумулятора и требованием обеспечить безопасность его работы для предупреждения образования металлического лития (и тем самым возможности возгорания). Увеличение активных масс потенциально снижает уровень безопасности при эксплуатации аккумулятора.

Аккумуляторы собирают в разряженном состоянии. Для приведения в действие их необходимо зарядить.

При первом цикле заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы теряют часть емкости, так как в процессе первого заряда кроме внедрения лития в структуру углеродного материала происходит разложение электролита с образованием пленки, имеет только ионную проводимость. Образование пассивной пленки приводит к необратимой потере до 20-30% заложенной емкости. Для снижения этих потерь рекомендуют как добавки в электролит, так и разного рода обработку поверхности углеродного материала. Начиная со второго цикла, процесс разряда и заряда литий-ионного аккумулятора сводится к переносу ионов лития от анода к катоду и обратно. Коэффициент использования по току при этом близок к единице.