Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные (Lithium-ion) батареи являются самыми популярными на данный момент и используются в ноутбуках, сотовых телефонах и планшетах, электромобилях и даже на самолете Боинг 787. Они завоевали популярность из-за лучшего соотношения веса и энергоемкости. Также они имеют несколько преимуществ в сравнении с другими типами аккумуляторных батарей:

Литий высоко реактивный (взаимодействующий) химический элемент, может встраиваться в кристаллические решетки других материалов, обладает высокой энергоемкостью
Литий-ионный аккумулятор теряет всего 5% заряда в месяц
Его не надо полностью разряжать перед зарядкой
Имеет потенциал 500 циклов (зарядка и разрядка)
Имеет встроенную защиту от перезаряда
В 6 раз легче свинцово-кислотного аккумулятора

Есть также и недостатки:

Они начинают деградировать сразу после выпуска. Их срок жизни ограничен 2-3 годами с даты выпуска
Боятся высокой температуры
Нельзя допускать полного разряда. При полном разряде могут выйти из строя
Зафиксированы случай взрыва или возгорания (Постоянно модифицируются. Современные литий-ионные аккумуляторы обеспечиваются много уровневыми системами безопасности)

Устройство литий-ионного аккумулятора

Конструкция литий-ионного аккумулятора довольно сложна, так как имеет несколько компонентов. Аккумулятор обычно состоит из:

Платы содержащей: преобразователь напряжения и регулятор цепи, микросхему регулирующую скорость и уровень заряда ячеек
Датчики температуры и вольтажа ячеек
Литий-ионных ячеек

Литий-ионные ячейки выпускаются разных размеров и делятся на два типа цилиндрические и призматические (квадратные). Ниже представлена фотография аккумулятора для автомобиля Тесла, внутри видны цилиндрические ячейки.

Цилиндрическая литий-ионная ячейка

Литий-ионная цилиндрическая ячейка очень похожа на обычную батарею АА, но является не самостоятельным источником питания, а лишь элементом аккумулятора. Корпус литий-ионной ячейки изготовлен из нержавеющей стали или алюминия. Одна сторона корпуса (-) глухая, а другая (+) имеет вентиляционные отверстия или вентиляционное пластиковое кольцо уплотнения.

Такая конструкция обеспечивает безопасность при перегреве. Перегрев литий-ионной ячейки может вызвать возгорание и даже взрыв, поэтому в любом аккумуляторе на основе ячеек такого типа есть датчик температуры ячеек.

Как и любая другая литий-ионная ячейка имеет электроды анод (+) и катод (-) разделенные сепаратором и скручены в тугую спираль. Внутри корпуса обычно находится эфир (органический растворитель, содержащий соли лития) в качестве электролита. Положительный электрод состоит из оксида кобальт лития LiCoO_2,отрицательный из углерода (специального графита). Ионы лития могут встраиваться в решетку углерода. Сепаратор изготавливается из микропористого пластика и служит изолятором от замыкания электродов и транспортёром растворителя.

Принципиальная схема заряжания литий-ионного аккумулятора

Активным веществом выступают ионы лития. При заряде ионы лития двигаются от анода (+) к катоду (-), при разряде наоборот. Положительно заряженные ионы лития имеют способность встраиваться в кристаллическую решетку других материалов и переносить заряд.

Одна ячейка цилиндрического литий ионного аккумулятора выдает обычно от 3,7В.

Производство цилиндрической литий ионной ячейки

Производство литий оксид кобальта батарей, хорошо отлаженный процесс. Цилиндрические ячейки производятся на высоко автоматизированных линиях. Полностью исключен человеческий фактор, что обеспечивает высокое качество и безопасность, так как в производстве используются токсичные материалы.

Процесс производства начинается с изготовления анода (положительного электрода). Алюминиевая фольга покрывается с обеих сторон смесью литий оксида кобальта (LiCo02) и связующего состава. Далее производится катод (отрицательный электрод). Алюминиевая фольга покрывается с обеих сторон смесью специального графита и связующего. Между анодом и катодом размещены сепараторы изготовленный из микропористой полимерной пленки.

Все слои скручиваются в спираль и помещаются в стальную или алюминиевую тубу с дном. На дно устанавливается нижний изолятор. Вся поверхность этой тубы является отрицательным терминалом аккумулятора. Затем заполняется электролит (содержащий соли лития). В горловине тубы последовательно устанавливаются вентиляционное кольцо, верхний изолятор и положительный терминал. В конце сборки ячейка заряжается и тестируется.

Процесс производства цилиндрической литий-ионной ячейки

Применение литий-ионных аккумуляторов

Аккумулятор Боинга 787 состоит из 8 элементов (ячеек), каждый из которых вырабатывает 4В постоянного тока. Вместе они выдают 32 В. Как во всех литий-ионных аккумуляторах устанавливается блок контролирующий напряжение и температуру аккумулятора.

Конструкция литий-ионного аккумулятора Боинг 787

(источник: www.jal.com/)

Помимо этого, устанавливается устройство для контроля и регулирования напряжения. Все эти системы обеспечивают 4 уровня безопасности электронных цепей аккумулятора от перегрева и превышения уровня напряжения.

7 января 2013 года на борту авиакомпании Japan Airlines # JL008 в международном аэропорту Логан, г. Бостон, произошло возгорание литий-ионного аккумулятора Боинга 787. В последствии авиакомпания приостановила полеты Боинга 787 и создала комиссию для выяснения причин возгорания и подтверждения безопасности использования литий-ионных аккумуляторов.

Комиссия выявила, что причиной пожара стал, перегрев одой из ячеек аккумулятора и предположительно последовавшее за этим короткое замыкание. В результате перегрева в ячейке испарился растворитель и заполнил корпус аккумулятора. После проверки всех самолетов этого типа и разработки профилактических мер безопасности полеты возобновились.

Аккумулятор автомобиля Tesla Model S

состоит из 7000 цилиндрических литий-ионных ячеек Panasonic NCR 18650 и выдает 85КВт в час. Весь пол салона представляет из себя один большой аккумулятор. Водитель и пассажиры находятся непосредственно над ним. С технической стороны это очень хорошее решение, центр тяжести автомобиля смещен в нижнюю точку что обеспечивает устойчивость при движении.

Кроме этого передние и задние багажники (электродвигатель очень компактный) в случае лобового и кормового удара деформируются, принимая кинетическую энергию на себя, не причиняя вреда людям и аккумулятору. Скорее всего даже боковой удар будет компенсироваться конструкцией кузова.

Остается только вопрос безопасности самого аккумулятора. Использование маленьких и цилиндрических ячеек применено не спроста, цилиндрические литий-ионные ячейки являются наиболее безопасными, плюс ячейки имеют металлический корпус.

Литий-ионный аккумулятор Тесла

Литий-ионные аккумуляторы применяются также во всех гибридных автомобилях, в силу своей легкой массы и скорости заряжания.