г. Москва, Выборгская улица д. 20, корп. 2

Из чего состоит литий-ионный аккумулятор

Содержание статьи

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.

Аккумулятор Samsung 25R 18650 Li-ion 3,7 Вольт 2500 мА*чКроме 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).

состав литий-ионной батареиМатериалом 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.

Артикул:4625
В наличии
420
Артикул:4627
В наличии
395
Артикул:92
В наличии
520
Аккумулятор Samsung 50G 21700 Li-ion 3,7 В 5000 мА*ч
Hit
Артикул:5431
В наличии
725

Принцип работы

схема работы литий-ионный акб

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

BMS плата управления АКБ Li-ion 12V (16,8V) 30A 4S

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?

старение акбЕсли 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.

  • Статья обновлена: 23 января 2023 г.
  • 23 января 2023 г.
  • 3840 просмотров
  • 0 комментариев
Натрий-ионные аккумуляторы как альтернатива литиевым
Предыдущая
Натрий-ионные аккумуляторы как альтернатива литиевым
Следующая
Как правильно эксплуатировать Li-ion аккумуляторную батарею (АКБ)
Как правильно эксплуатировать Li-ion аккумуляторную батарею (АКБ)
RU Москва