Опубліковано 29.03.2016 22:48 Abramova Olesya

Піонером розробки літій-містять батарей вважається Г. Н. Льюїс, який зробив перші дослідження в цій сфері в далекому 1912 році. Але тільки в 1970-х технології просунулися настільки, що дозволили створити першу комерційно виправдану неперезаряжаемие літієвої батареї. Спроби розробити акумуляторну версію робилися в 1980-х, але через нестабільність металевого літію зазнали невдачі. (Метал-літієва батарея використовує літій в якості анода, а літій-іонна - графіт, активний же матеріал знаходиться в ній на катоді).

Літій є найлегшим з усіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу питому енергоємність на одиницю ваги. Акумуляторні батареї з літієвим анодом можуть забезпечувати надзвичайно високу щільність енергії, але в середині 1980-х було виявлено, що циклічний режим роботи призводить до утворення дендритів на аноді. Ці небажані освіти можуть проникати в сепаратор і приводити до короткого замикання. При цьому буде швидко рости температура осередку і літій розплавиться, що призведе до займання або навіть вибуху. Більшість батарей з металевим літієм були відкликані після випадків нанесення опіків людям.

Властива металевого літію нестійкість, особливо під час зарядки, привела до пошуку неметалевих рішень з використанням іонів літію. Уже в 1991 році корпорація Sony випустила першу комерційну версію літій-іонного акумулятора, і зараз ця електрохімічна система є найбільш перспективною і швидкозростаючою на ринку. Хоча, в порівнянні з літій-металевої батареєю, літій-іонна має більш низьку питому енергоємність, вона безпечніше (за умови дотримання значень напруги і граничного струму). (Дивіться: Проблеми безпеки літій-іонних акумуляторів ).

Заслуга винаходи літій-кобальт-оксидної батареї, прообразу сучасної літій-іонної, повинна належати Джону Б. Гуденафу (народився в 1922 році). Кажуть, що під час своїх досліджень, він би найнятий кампанією Nippon Telegraph and Telephone (NTT), працюючи на неї в США і Японії. Коли в 1991 році корпорація Sony запатентувала літій-кобальт-оксидну батарею, виявилося, що в ній використовувалися напрацювання Гудінефа, але йому не вдалося в судовому порядку довести свою причетність до цього винаходу. У 2014 році, на честь визнання заслуг в розробці літій-іонних батарей, він був нагороджений премією Національної Інженерної Академії США. У 2015 році Ізраїль нагородив Гуденафа грантом в 1 мільйон доларів США, які той пожертвував Техаському Університету на наукові вишукування.

Ключовий момент прекрасного показника питомої енергоємності криється в високому напрузі осередки акумулятора - 3,60 В. Розвиток і поліпшення активних речовин і електроліту відкривають потенціал для подальшого збільшення щільності енергії. Навантажувальні характеристики вкрай хороші, крива розряду батареї вказує на ефективне використання накопиченої енергії в широкому діапазоні напруг - від 3,70 до 2,80 В на клітинку.

У 1994 році собівартість літій-іонної осередку типорозміру 18650 (циліндр 65 мм довжиною і 18 мм в діаметрі) була $ 10, а ємність становила 1100 мАг. У 2001 році ціна опустилася до $ 3, а ємність зросла до 1900 мАг. Сьогодні ж ємність високоенергетичних моделей типорозміру 18650 доходить до 3000 мАг, а витрати на виробництво знизилися ще більше. Зниження витрат, підвищення питомої енергоємності та відсутність у складі токсичних матеріалів відкрили шлях літій-іонної електрохімічної системі для становлення в загальноприйнятий формат акумуляторів, що використовуються в портативних пристроях, важкої промисловості, електротранспорті і супутниках. (Дивіться: Історія форматів і типорозмірів електричних батарей ).

Літій-іонні акумулятори не потребують обслуговування, і це дає їм перевагу, яким більшість інших електрохімічних систем не може похвалитися. Їм не притаманний ефект "пам'яті", відповідно, відпадає необхідність в періодичному повному розряді для підтримки максимальної місткості. Саморозряд в рази менше показників батарей на основі нікелю, що полегшує роботу систем індикації рівня заряду. Номінальна напрузі осередки в 3,6 В дозволяє безпосередньо живити мобільні телефони, планшети і цифрові камери, дозволяючи скоротити витрати на конструкції. Недоліком є ​​необхідність вбудовування системи захисту, що впливає на кінцеву ціну акумулятора.

Як і всі електричні батареї, літій-іонна складається з катода (позитивний електрод), анода (анод) і електроліту в якості провідника. Катод являє собою оксид металу, а анод складається з пористого вуглецю. Під час розряду іони рухаються від анода до катода через електроліт і сепаратор, при заряді же процес змінює напрямок на протилежне - іони тепер течуть від катода до анода. На малюнку 1 показаний цей процес.

Малюнок 1: Іонний потік літій-іонного акумулятора. При заряді і розряді осередків іони курсують між катодом (позитивний електрод) і анодом (негативний електрод). При розряді на аноді відбувається окислювальний процес, або втрата електронів; на катоді в той же час відбувається процес відновлення, або приєднання електронів. При зарядці процеси міняються місцями.

Існує багато видів літій-іонних батарей, але всі вони мають спільну рису - модний термін "літій-іонний" в назві. Незважаючи на те, що вони разюче схожі на перший погляд, ці батареї розрізняються по продуктивності і вибору активної речовини, яке і визначає їх унікальні особливості. (Дивіться: Види літій-іонних акумуляторів ).

Оригінальний літій-іонний акумулятор Sony використовував кокс (матеріал на основі вуглецю) в якості анода. Починаючи з 1997 року більшість виробників, в тому числі і Sony, перейшли на графіт для досягнення пологої кривої розряду. Графіт є формою вуглецю, яка має довготривалий цикл стабільності і використовується, наприклад, як грифель в олівцях. Це найбільш поширений вуглецевий матеріал після жорстких і м'яких вуглеців. Нанотрубки на основі вуглецю до сих пір не знайшли свого застосування в комерційних моделях літій-іонних акумуляторів, оскільки вони, як правило, мають складну структуру і впливають на продуктивність. Матеріал, на який покладаються великі надії і завдяки якому сподіваються підвищити продуктивність, - графен .

На малюнку 2 показані криві напруги при розряді сучасного літій-іонного акумулятора і його ранньої версії з анодом з коксу.

Для підвищення продуктивності графітового анода, в його склад можуть бути додані різні домішки, в тому числі і на основі кремнієвих сплавів. Молекулярна структура графіту така, що з одним іоном літію взаємодіють шість атомів вуглецю, один же атом кремнію взаємодіє з чотирма іонами літію. Це означає, що кремнієвий анод теоретично може зберігати в десять разів більше енергії в порівнянні з графітовим, але у нього є недолік - розширення під час заряду. Тому з міркувань стабільності до складу анода додається тільки певну кількість кремнію.

Використання наноструктурованого літій-титанату як анодної домішки показує багатообіцяючі показники кількості життєвих циклів, хороші навантажувальні можливості, відмінну продуктивність при низьких температурах і високу безпеку, але є й недоліки - низька питома енергоємність і висока вартість.

Експерименти з матеріалами для анода і катода дозволяють виробникам підсилювати певні характеристики батареї, але підвищення одних параметрів призводить до ослаблення інших. Існують різні моделі акумуляторів, оптимізовані під певну специфіку роботи. Наприклад, є спеціальні літій-іонні акумулятори з великою ємністю для збільшення часу автономної роботи, а є і з підвищеним значенням питомої потужності, де ємність не грає першочергову роль. Існують і гібридні моделі, де дотримано баланс між характеристиками. (Дивіться: Базові знання про розряді електрохімічного джерела струму ).

Для досягнення високої питомої енергоємності та зменшення собівартості можна замінити кобальт дешевшим нікелем, але це позначиться на стабільності батареї. І якщо для нових компаній, які тільки виходять на ринок літій-іонних акумуляторних батарей, включення до складу нікелю виглядає допустимим, то солідні виробники роблять упор на безпеку і довговічність батареї. У таблиці 3 наведено переваги та недоліки літій-іонної електрохімічної системи.

Переваги Висока питома енергоємність і високі характеристики навантажень
Довгий термін служби; необслуговувані
Висока продуктивність, низький внутрішній опір, хороша кулоновская ефективність
Простий алгоритм і досить короткий час зарядки
Низький саморозряд (більш ніж в два рази менше показника NiCd і NiMH) Недоліки Необхідність у вбудованій системі захисту
Деградаційні процеси при високих значеннях температури і напруги
Необхідність в додатковому обігріві при низьких температурах зарядки
Спеціальні регламентують правила при транспортуванні в великих кількостях

Таблиця 3: Переваги і недоліки літій-іонних акумуляторів.

Останнє оновлення 2016-02-16