Внутреннее устройство литий-ионного аккумулятора

Созданием литиевых аккумуляторов исследователи занимались еще в 1920-х годах, но высокая реакционная способность лития делала такие элементы взрывоопасными. Даже в 1980-х безопасность литиевых аккумуляторов оставалась низкой, а их ресурс составлял всего 50 циклов перезарядки.

Элементы питания быстро выходили из строя из-за образования дендритов в процессе цикличного разряда-заряда. Дендриты прорастали в направлении противоположного электрода, вызывали внутреннее КЗ и мгновенный разогрев аккумуляторов. К тому же активная реакция лития с электролитом нередко инициировала взрыв.

В 1992 году Sony выпустила усовершенствованные элементы питания на базе уже не металлического, а безопасного ионного лития. Для повышенной защиты элементы питания имели систему BMS. Она контролировала процесс заряда-разряда, снижала риск возникновения в элементах металлического лития и сводила к минимуму пожароопасность.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Главные составляющие в устройстве Li-ion аккумулятора – это катод, анод и электролит. Исходную версию таких элементов питания компания Sony выпустила со следующими компонентами:

1. катод из кобальтата лития;
2. анод из углерода – кокса, образующегося при термообработке каменного угля;
3. электролит из раствора в органическом веществе гексафторфосфида Li.

В дальнейшем другие производители начали использовать при производстве Li-ion элементов другие химические составы. Вместо кокса они использовали графит разной зернистости. Вместо литий-кобальтового катода исследователи применяли электроды на основе Li-Mn, LiFePo4 и других составов.

В Li-Co кристаллической решетке ионы лития расположены слоями, что обеспечивает высокие разрядные свойства. Но из-за нестабильной структуры такие элементы не адаптированы к разряду большими токами. Li-Mn элементы отличаются 3-мерным размещением ионов лития. Поэтому они отлично выдерживают большие разрядные токи и имеют хорошую стабильность.

LiFePO4 электроды имеют крепкую структуру со своеобразными каналами для ионов лития. Они стабильны, но ионы лития в них менее подвижны. Широкое применение элементы типа LiFePO4 получили после создания особых электродов, которые создаются из мельчайших частиц величиной в сотни нанометров. В результате общая площадь возросла на 4 порядка, и это заметно улучшило характеристики LiFePO4 батарей.

Устройство и принцип действия литий-ионных аккумуляторов

Независимо от особенностей устройства, принцип работы литий-ионных аккумуляторов остается неизменным. В процессе разрядки элемента питания, когда он поставляет запасенную энергию внешнему источнику, электроны от катода через электролит движутся к аноду. В дальнейшем, когда разрядившийся аккумулятор ставится на зарядку, электроны возвращаются от анода к катоду.

Наша предыдущая статья посвящена проверке работоспособности пальчиковых аккумуляторов и измерению их реальной емкости.