Из чего состоит литий-ионный аккумулятор
- Устройство Li-ion аккумулятора
- Принцип работы
- Роль контроллера защиты или BMS платы
- Как и почему стареют Li-ion аккумуляторы?
Литий-ионные аккумуляторы встречаются повсюду: в фонариках, электронных сигаретах, смартфонах, планшетах, ноутбуках, источниках бесперебойного питания. Благодаря развитию Li-ion технологии произошла технологическая революция во многих сферах деятельности. Эти легкие и емкие источники питания стали невероятно полезным изобретением, которое тем или иным способом пригодилось каждому из нас.
Кроме единичных аккумуляторов, широко распространены собираемые из них аккумуляторные батареи (АКБ). От таких накопителей энергии работают системы аварийного и резервного электроснабжения, персональный электротранспорт, средства индивидуальной мобильности, складская и клининговая техника, беспроводной инструмент и множество других аккумуляторных устройств.
Практически каждый человек неоднократно видел и использовал Li-ion «банки» форм-фактора 18650. Кроме цилиндрических моделей, литиевые аккумуляторы бывают призматической формы (чаще всего – элементы подвида LiFePO4). Еще есть литий-полимерные аккумы, для которых характерен мягкий корпус с наружной оболочкой из металлизированного полимера. Сегодня мы расскажем, как устроен Li-ion аккумулятор и по какому принципу он работает.
Устройство Li-ion аккумулятора
Главные составляющие в устройстве литий-ионного аккумулятора – это электроды: слой катода на алюминиевой фольге и слой анода на фольге из меди. В роли катода выступают соединения лития, например:
- LiMn2O4 – у высокотоковых элементов;
- LiCoO2 или LiNiCoAlO2 – у емкостных моделей;
- LiNiMnCoO2 – у ячеек со сбалансированным соотношением емкости и токоотдачи;
- LiFePO4 – у высокотоковых и морозоустойчивых моделей с увеличенным жизненным циклом (более 2000).
Материалом анода обычно выступает графит. Но, например, у литий-титанатных аккумуляторов вместо него применяется пентатитанат лития – Li4Ti5O12. Такая замена обеспечила LTO моделям огромный ресурс (3000–7000 циклов и больше), устойчивость к токовым нагрузкам (до 10С, импульсно – до 30С) и способность стабильно работать при температуре от −40 до +60 C. Но от химического состава зависит и номинальное напряжение элементов. Так, у большинства Li-ion аккумов номинальный вольтаж составляет 3,6–3,7 В, у моделей LiFePO4 – 3,2–3,3 В, а у LTO – 2,4 В.
Разделяет электроды пористый сепаратор, пропитанный электролитом на основе этилен-карбоната. Полученная конструкция из листов фольги с нанесенными на них материалами электродов и разделяющего их сепаратора сворачивается. В зависимости от принципа сворачивания, она приобретает цилиндрическую или призматическую форму.
Снаружи на элементы питания наносится герметичная оболочка из алюминия, стали или полимерного материала. Электроды присоединяются к клеммам-токосъемникам. Иногда корпус оснащают предохранительным клапаном для сброса давления при нештатных ситуациях.
Принцип работы
После ознакомления с тем, как устроен литий-ионный аккумулятор, рассмотрим принцип его работы. Электролит выступает одновременно и проводником, и вместилищем заряда. В нем происходят электрохимические реакции, вследствие которых происходит перемещение электронов и выработка тока. Заряд переносят ионы лития Li+. Они легко встраиваются в кристаллическую решетку пористого углерода, образуют химические связи и вызывают соответствующие реакции.
В процессе зарядки аккума на его электроды подается напряжение. Под его действием ионы лития покидают катод и через сепаратор следуют к аноду, где интегрируются в его молекулярную структуру. Происходит реакция окисления. Обратная реакция (восстановления) протекает, когда аккумулятор подключают к нагрузке. В таком случае ионы лития от анода отправляются обратно к катоду.
Роль контроллера защиты или BMS платы
Для стабильной и безопасной работы Li-ion элементов важно четко соблюдать диапазон рабочих напряжений – от 3 до 4,2 В (у LFP моделей – от 2,5 до 3,65 В, у LTO – от 1,8 до 2,75 В на элемент). Если напряжение падает ниже минимального предела, происходит глубокий разряд. Если же напряжение превышает верхнюю границу рабочего диапазона, происходит перезаряд. Оба состояния крайне нежелательны и губительны для Li-ion аккумуляторов.
Для автоматического контроля рабочих параметров аккумуляторы снабжают контроллерами защиты. Элементы с такими контроллерами называют защищенными. Батареи собирают из незащищенных элементов и оснащают общим контроллером защиты – BMS платой. В процессе разряда при снижении напряжения до минимального предела контроллер защиты автоматически отключает аккумулятор или АКБ от нагрузки, а при достижении максимального значения – прекращает зарядку.
В зависимости от используемой БМС платы, ее функционал может быть дополнен защитой от перегрева, токовых перегрузок, разбалансировки ячеек и других негативных состояний. В результате модуль защиты обеспечивает безопасное использование АКБ, не допускает необратимой потери емкости, ускоренной химической деградации и преждевременного выхода батареи из строя.
Как и почему стареют Li-ion аккумуляторы?
Если учесть, из чего состоит литий-ионный аккумулятор, становится понятной ограниченность его ресурса. После многочисленных циклов заряда-разряда ионы лития теряют свое исходное положение, электролит вступает в реакцию с литием и на пути электронов постепенно вырастают дендриты. В результате батарея быстро разряжается, хуже отдает токи в нагрузку, становится неработоспособной и даже опасной для использования.
Ускоренному росту дендритов способствует длительное пребывание аккумуляторов в разряженном состоянии, воздействие низких и высоких температур. Чтобы уберечь литиевые элементы от преждевременного износа, их нужно вовремя заряжать и корректно использовать, следуя рекомендациям производителя. Модели LFP и LTO типа более устойчивы к химической деградации, т.к. имеют очень стабильную структуру.
В предыдущей статье блога VirtusTec мы рассказали о батареях, используемых в аэрокосмической области – от серебряно-цинковых и никель-кадмиевых АКБ до инновационных литий-титанатных моделей.
