Из чего делают литиевые аккумуляторы

9

Li-Pol или Li-ion — какой аккумулятор лучше выбрать?

Есть ли отличия литий-ионных (Li-ion) и литий-полимерных (Li-Po / Li-Pol / Li-Polymer) аккумуляторов при выборе телефона или ноутбука, что лучше?

�� Статья полностью переработана в 2022 году с учётом появления новых материалов промышленности, научных исследований, опыта компании Neovolt при производстве аккумуляторных батарей в России.

Смартфоны, планшеты и ноутбуки прочно вошли в нашу жизнь. Мы полагаемся на них, чтобы оставаться на связи и продуктивно работать. Поэтому важно знать, что когда вы покупаете одно из этих устройств, батарея внутри прослужит долго.

�� Какой бы тип батареи не был указан — Li-ion или Li-Pol — это мало повлияет на общее время работы или характеристики устройства.

Литий-ионный или литий-полимерный?

Обычный человек скорее всего не заметит никакой разницы между литий-ионными и литий-полимерными батареями, когда использует их. Однако разница есть.

На самом деле это две технологии:

• Литий-ионная — общая технология перезаряжаемой батареи, в которой для хранения используются ионы лития, где «Li-ion» без уточнений обычно указывается для LCO-ячеек (кобальтовых, как в смартфонах), но есть и другие типы (NMC, LFP, как в электромобилях);
• Литий-полимерная — это технология изготовления литий-ионных аккумуляторов, где «Li-Polymer» обозначает чаще всего тот же тип LCO-ячейки, но с изменённым составом для более компактного размещения в полимерном корпусе (возможны иные катоды, аноды).

⚠️ Литий-полимерные аккумуляторы, которые доступны в продаже, истинно не являются твердотельными или «сухими».

• ❌ Твердотельные Li-Polymer производят в небольшом количестве из-за сложности изготовления твердотельного электролита, купить в розницу практически невозможно.
• ❌ Сухие Li-Polymer практически вообще не заказывают и не изготавливают — этот тип полимерного электролита разработан в 1970-х, но не достиг продажи из-за высокого внутреннего сопротивления и высокотемпературного режима работы.

Литий-ионный полимерный аккумулятор (Li-ion-Polymer) — что это такое?

В любом современном устройстве применяется не истинный Li-Polymer, а выполненный в «мягкой» оболочке с немного изменённым гелеобразным электролитом литий-ионный аккумулятор. Для правильного обозначения используются особые аббревиатуры.

�� Чаще всего, это «Li-ion Polymer» (многие пользователи, когда обращают внимание на эту надпись, поневоле впадают в ступор).

Мы рассказывали, что так делает компания Apple при печати стикеров на ячейки для iPhone. Также «литий-ионным полимерным» обозначают аккумуляторы Xiaomi, Huawei и других производителей.

Делать выбор, какую технологию применить в смартфоне, планшете, ноутбуке должны инженеры и разработчики электроники. И уж точно никак не простые люди.

�� Поэтому никто в корпорациях не заботится о каких-то удобных маркировках или маркетинговых пояснениях «что лучше».

�� И всё же мы постарались объяснить, исходя из каких соображений в одних моделях ставят Li-ion, а в других Li-Polymer.

Литий-ионный (Li-ion)

Литий-ионные аккумуляторы по статистике стали самыми распространёнными в мире [Marketquest, март 2022]. Сочетание цены, ёмкости и срока службы делают их очень выгодными для корпораций и промышленности.

�� Плюсы* литий-ионной (Li-ion) батареи

• + Лучше соотношение цены и ёмкости;
• + Стоимость ниже при небольших партиях;
• + Безопаснее извлекать и перевозить (твёрдый корпус);
• + Дольше не изнашиваются (защищены от повреждений);
• + Стандартизация (серия одних размеров и форм).

�� Минусы* литий-ионной (Li-ion) батареи

• — Сложно и дорого изготовить нестандартные формы;
• — Тяжёлые и занимают больше места внутри гаджетов;
• — При повреждении вытекает жидкостный электролит;
• — Сильнее зависимость от качества изготовления (корпус, защита).

�� * — в сравнении с Li-Polymer, когда как плюсы и минусы литий-ионной технологии как таковой мы рассматривали в отдельной статье.

Где используются

Производители выбирают традиционные ячейки Li-ion для большинства портативных электронных устройств («приложений»):

• смартфоны и планшеты;
• ноутбуки;
• источники бесперебойного питания;
• гаджеты (от смарт-часов и повербанков до приборов «умного дома»);
• электроинструмент (аккумуляторная дрель, шуруповёрт, пила);
• бытовые приборы (роботы-пылесосы, триммеры, зубные щётки);
• медицинское и промышленное оборудование (подробнее).

�� Например, в таких легендарных устройствах, как: iPhone 4S, Apple MacBook Air 11", Apple iPod Photo, iPod Video и во многих других гаджетах.

Особенности

У ячеек Li-ion жёсткий прочный (пластиковый или металлический) корпус (призматический или цилиндрический). Конструкция выполнена так, чтобы ячейки было безопасно извлекать и перевозить.

Внутри элемента помимо анода, катода и (не всегда) контроллера размещён жидкостный электролит. Обычно в виде литиевой соли в органическом растворителе. Электролит помогает проводить электричество между электродами (подробнее о конструкции).

Литий-полимерный (Li-Po / Li-Pol / Li-Polymer)

Литий-полимерные батареи новее литий-ионных и имеют мягкий пластичный корпус (pouch-cell). Они легче, компактнее с более высокой плотностью энергии за счёт тесного размещения комплектующих.

�� Плюсы литий-полимерной (Li-Poly/Li-Pol) батареи

• + Вариативные формы вплоть до Г-образных или изгибаемых;
• + Любые размеры вплоть до самых маленьких (меньше миллиметра);
• + Даже сложные формы и размеры окупаются при больших партиях;
• + Уменьшенный вес за счёт отсутствия твёрдой оболочки;
• + Незначительно безопаснее (электролит загущён).

�� Минусы литий-полимерной (Li-Poly/Li-Pol) батареи

• — Выше стоимость производства особенно небольших партий;
• — Незначительно хуже соотношение цены и ёмкости;
• — Быстрее изнашивается в съёмных и подвижных конструкциях;
• — Трудно стандартизировать, когда большие партии выгоднее;
• — Опаснее при перевозке в открытом виде (тонкий корпус).

Где используются

Такой тип литиевого аккумулятора (Li-Po/Li-Poly) используется, например, в смартфонах: Xiaomi Redmi 5, Redmi Note 4x.

Для портативных устройств, таких как смартфоны и ноутбуки, иногда оптимальнее выбирать форм-фактор pouch-cell, в котором изготавливают только ячейки Li-Polymer. По этой же причине всё чаще они размещаются в таких приложениях, как электроинструмент и электромобили.

Особенности

Литий-полимерные аккумуляторы несколько лет назад были распространены значительно меньше традиционных литий-ионных. Их дороже производить, сложнее обеспечить безопасную перевозку из-за мягкого незащищённого корпуса, большие партии обходятся дороже в сравнении с традиционными литий-ионными ячейками.

Раньше их применяли в основном в радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, в очень маленьких гаджетах (вроде фитнес-браслетов или электронных сигарет). Сегодня Li-Polymer встречаются уже по всему списку приложений Li-ion (который мы указали выше). Их иногда помещают в жёсткие корпуса, они становятся доступнее и по цене.

Отличия литий-ионного от литий-полимерного аккумулятора

Во всех известных смартфонах, планшетах, ноутбуках, смарт-часах и других портативных гаджетах наиболее подходящий тип аккумулятора рассчитывается на этапе проектирования.

Химическая разница Li-ion и Li-Pol:

• в поверхностных материалах катода и анода (например, выдерживают более высокие нагрузки как в LiHV-ячейках под RC-модели и квадрокоптеры);
• в сепараторе (разделитель, который в Li-ion пропускает ионы, а в Li-Polymer пропитывается жидкостным электролитом);
• в добавках электролита (присадки).

Вся химическая разница между литий-ионными и литий-полимерными батареями обычно заключается в типе используемого электролита:

• литий-полимерные батареи содержат микропористый гелевый электролит вместо пористого сепаратора, как в литий-ионных;
• литий-ионные батареи требуют жёсткого корпуса для сжатия электродов, в то время как литий-полимерные батареи используют ламинированные листы, которые не нуждаются в сжатии.

��Li-Polymer — это тоже самое, что и Li-ion

В «Battery University» (база знаний об аккумуляторах от международного инженерного сообщества) говорится, что в современных гаджетах практически не встречаются литиевые батареи на основе полимера. Нам предлагают литий-ионные полимерные батареи, в которых применяется ламинированная оболочка вместо жёстких корпусов, как у обычных литий-ионных батарей.

�� Чаще всего литий-полимерной батареей называют литий-ионный аккумулятор в эластичной полимерной оболочке с компактными габаритами.

Применение Li-Polymer позволяет устанавливать аккумуляторы в более изощрённых формах, компактнее размещать контроллер. Например, так увеличивают ёмкость или добавляют больше компонентов при сохранении прежних габаритов (смартфон остаётся тонким, но больше держит заряд и предлагает ещё одну камеру).

Что лучше: литий-ионные или литий-полимерные?

Аккумулятор в вашем смартфоне, планшете или ноутбуке не будет работать на два часа дольше или служить на один год больше только потому, что на его корпусе написано «Li-Ion» или «Li-Polymer» (или вообще «Li-ion-Polymer»).

Лучше обращайте внимание на:

• ёмкость батареи (мА·ч или Вт·ч),
• её физические размеры,
• модель процессора
• или даже версию прошивки.

Это куда важнее сказывается на общей автономности мобильного гаджета, чем тип элемента.

Литий-ионный и литий-полимерный — это один и тот же тип аккумуляторов. Они могут иметь одинаковое время работы и характеристики. Лишь по-разному изготовлены ввиду предпочтений или ограничений производителя (сроки, бюджет, настроенные конвейеры).

Например, чтобы компактнее разместить внутри смартфона аккумулятор, Apple и Samsung делают его форму Г-образной. Такой фокус проще исполнить с Li-Polymer.

�� Но это дорого и подходит в целом для топовых моделей.

В гаджетах попроще с универсальными батареями изготавливают большие партии недорогих Li-ion в жёстких корпусах, которые к тому же и безопаснее перевозить. Они ничем не хуже, но с дизайном, как у флагманских тонких моделей, уже не разгуляешься.

�� Производители вообще не любят об этом распространяться, потому что сложно объяснить и доказать (ведь даже на простую разницу Li-ion и Li-Polymer мы истёрли клавиатуру).

Ответы Neovolt на вопросы по Li-ion и Li-Pol-аккумуляторам

Наша компания Neovolt разрабатывает и производит широкий ассортимент литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов для различных областей применения. Мы попросили инженерный отдел ответить на самые часто задаваемые вопросы.

�� В: Есть ли в 2022 году разница между Li-ion и Li-Polymer ячейками для обычного пользователя?

• О: Именно для пользования готовым продуктом разницы нет никакой. В DIY и в разработке следует учитывать особенности.

�� В: При производстве каких устройств Neovolt точно и ни за что не применит Li-Polymer? Почему?

• О: Таких решений у нас нет. Применяем там, где целесообразно.

�� В: По мнению Neovolt, часто ли пользователи путают Li-ion и Li-Polymer, требуя установить одно вместо другого при заказе?

• О: Любые запросы выполним без проблем. Но, честно говоря, за 14 лет у нас случилось такое лишь один раз. На рентген-аппарат вместо спроектированных по Datasheet батарей Li-ion запросили изготовление именно вариант Li-Polymer. Заказчик не смог назвать, в чём разница, но ему просто хотелось изменить тип.

�� В: Сильно ли отличается химический состав Li-ion и Li-Po?

• О: Зависит от того, что сравнивать. Если сопоставить электроинструмент с Li-ion и смартфон с Li-Po, то будет много отличий. Если сопоставить два одинаковых смартфона с этими двумя типами ячеек, то разницы почти нет (только по конструкции и экономике).

�� В: Когда вы тестируете аккумуляторы, есть ли разница в тестах Li-ion и Li-Polymer?

• О: Нет. Только если для LiHV с номинальным напряжением 3,8 В или 3,85 В меняются минимальные и максимальные пределы.

�� В: У меня смартфон с Li-ion-аккумулятором проработал год, а другой с Li-Polymer служит три года до сих пор — что скажете?

• О: Многое зависит от качества изготовления, производителя, присадок электролита, поверхностных материалов и даже от номинального напряжения (у одних 3,6 В, а у других 3,85 В). Например, аккумуляторы в совершенно новых iPhone иногда бракованные (почему).

Так что не беспокойтесь об отличиях литий-ионной и литий-полимерной батареи, когда покупаете новое устройство. Вы получите одинаково отличный аккумулятор, несмотря ни на что!

Как создают аккумуляторные батареи

Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.

Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.

Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.

Li-ion — литий-ионные

Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.

Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник

Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.

Li-po — литий-полимерные

Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.

Li-po и технологии

Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.

Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.

Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.

Li-po vs Li-ion

Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.

Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.

Литий

Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.

Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.

Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.

Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.

Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.

Извлечение лития

Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.

Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.

Литиевый соляной пруд в Аргентине.

Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.

Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.

Другие химические элементы

Составляющие стоимости Li-ion батареи.

Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.

Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.

Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.

Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.

В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.

Строение Li-po батареи

Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).

Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.

Процесс производства батареи

Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.

Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.

Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.

В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.

Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/

Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.

В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.

Все о литий-ионных аккумуляторах Статья

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) на сегодняшней день являются одни из самых распространенных. Фотоаппараты, смартфоны, видеокамеры, электроинструменты – это лишь небольшая часть списка предметов, в которых используется этот источник питания. Это один из самых новых типов аккумуляторов (первый был выпущен в 1991 году), а в 2019 году за его изобретение трем ученым дали Нобелевскую премию.

Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы. Другое дело, что альтернатив нет, что и обуславливает их повсеместное использование. В нашей статье мы подробно разберем их устройство, плюсы, минусы, особенности работы и другие важные нюансы.

Принцип работы и устройство

Ниже на схеме можно посмотреть устройство литий-ионного аккумулятора. У него есть два типа электродов: катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, которые разделены пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом. Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи.

Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.

К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.

Устройство литий-ионного аккумулятора подразумевает использование платы, которая контролирует зарядку (это необходимо). Впрочем, о зарядке мы еще поговорим отдельно: там особый процесс. Также отметим, что в качестве катодных материалов сегодня используют разные соединения: литий-феррофосфат, литий-марганцевая шпинель, кобальт лития.

Преимущества

К ключевым преимуществам относят следующие параметры:

• Очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
• Высокий ток при работе;
• Нет необходимости в обслуживании;
• Саморазряд очень низкий;
• Готовность к эксплуатации в любой момент;
• Нет эффекта памяти;
• Возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
• Диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

Недостатки

Список недостатков литий-ионных аккумуляторов короче, но и здесь есть достаточно важные моменты. Отметим, что некоторые особенности мы будем подробно разбирать в следующем разделе, так как они очень важны.

• Дорогие (относительно других АКБ);
• При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк;
• Срок службы зависит от времени использования;
• Опасность взрыва или возгорания;
• Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки;
• Недопустимы механические повреждения;
• Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Особенности литий-ионных аккумуляторов.

Некоторые плюсы и минусы, а также особенности литий-ионных аккумуляторов стоит разобрать отдельно. В первую очередь те, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.

Опасность взрыва и возгорания

Считается, что это одна из ключевых проблем. Именно поэтому их запрещено провозить в багаже на самолетах. Тем не менее, в данный момент опасность преувеличена (хотя, в случае с авиацией, лучше перестраховаться и здесь запрет имеет смысл). Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. После циклов зарядки и разрядки на нем образовывались дендриты, которые приводили к замыканию, которое и вызывало возгорание или взрыв. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились.

Сегодня такое происходит редко, но в СМИ можно часто увидеть новости, о взрыве смартфонов и т.д. Причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, АКБ низкого качества, короткие замыкания внутри аккумулятора (полностью от этой проблемы не избавились). В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры.

В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка. Это примерно как пострадать от удара молнии: никто не застрахован, но происходит это очень редко.

Отдельно расскажем про тушение. В ходе горения происходят не совсем традиционные химические реакции, поэтому литий-ионный аккумулятор может гореть даже без кислорода. Кроме того, при контакте с водой литий может образовывать водород. Если небольшой аккумулятор можно затушить водой, то в случае с крупными (например, в электромобилях) это будет неэффективным способом тушения.

Эффект памяти

К преимуществам литий-ионных аккумуляторов традиционно относят отсутствие эффекта памяти, особенно в сравнении с никель-кадмиевыми АКБ. Тем не менее, последние исследования показали, что это ошибка, однако эффект является настолько незначительным, что его можно не учитывать.

Все дело в ионах лития, которые теряют свои свойства при неполной зарядке. Часть из них остается на катоде, они переходят в пограничное состояние. То есть, они фактически подошли к барьеру освобождения, но не преодолели его. Поэтому при зарядке, когда свободные ионы пытаются вернуться на свое место, они встречаются с теми, которые находятся в пограничном состоянии и тем самым процесс становится более сложным, а структура электрода изменяется. Существуют определенные предложения, как избавиться от этого эффекта, но, повторим, он носит незначительный характер.

Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд

Выше мы писали, что в данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:

• На первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
• Номинальный ток, напряжение до 4,2 В;
• На финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.

В принципе, рядовому пользователю знать этого не нужно, контролеры и зарядные устройства поддерживают данные режимы автоматически. Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.

Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше. То есть, разница будет в 9 раз.

Здесь многое зависит от типа устройства, в котором используется АКБ. Разумеется, для смартфона или электроинструмента зарядка на уровне даже 70-80% емкости батареи выглядит невозможной, это попросту затруднит эксплуатацию. Но допускать разряд ниже 20% стоит только в крайнем случае, это действительно очень существенно продлевает срок жизни аккумулятора.

Старение

Данный тип аккумуляторов подвержен процессу старения, это достаточно серьезный недостаток. С этой точки зрения нет никакого смысла покупать батареи «про запас» и хранить их длительное время, но при этом не использовать. Поэтому если вы покупаете литий-ионный аккумулятор отдельно, стоит обратить пристальное внимание на дату его изготовления. Подавляющее большинство не могут служить более пяти лет (усредненное значение).

Кроме того, условия хранения также оказывают существенное воздействие на время хранения. Оптимальные условия: 40% заряд, температура от 0 до +10 градусов по Цельсию. А под сроком хранения до 5 лет подразумевается снижение емкость до уровня 80% от номинальной.

Оригинальные и не оригинальные

Литий-ионные аккумуляторы производят многие компании и каждый видел картину, когда АКБ от производителя устройства стоит значительно дороже, чем аналог. При этом емкость может быть одинаковой. Стоит ли экономить? Вопрос сложный, который зависит от того, в каком именно устройстве используется аккумулятор.

Разберем на примере смартфонов. Выше мы писали, что при заряде используется контроллер, но в случае со смартфонами, он находится не в АКБ, а в самом телефоне. То есть, все функции, которые должны обеспечивать эффективную работу, делегированы в само устройство. Это сделано сознательно, подобный подход как раз и создает не оригинальным АКБ изначально худшие условия.

Но есть устройства (например, электроинструмент, часть ноутбуков), где данная проблема не является актуальной и там никакой разницы вы не заметите. Поэтому мнение о том, что «дешевые китайские литий-ионные аккумуляторы плохие» — отчасти миф. Да, встречается продукция низкого качества, но зачастую снижение характеристик обусловлено факторами, на которые производитель АКБ повлиять никак не может.

Температура использования

Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура эксплуатации находится в диапазоне от – 20 до +50 градусов. Перегрев и переохлаждение не допускаются. Зарядка при низкой температуре также недопустима. Также, при падении температуры, снижается емкость. При отрицательной температуре батарея может потерять до 50% емкости, то есть, разрядится в два раза быстрее.

Существуют аккумуляторы с внутренним подогревом (если подразумевается эксплуатация при очень низких температурах), также некоторые устройства сами могут служить в роли обогревателя при работе, что несколько расширяет диапазон значений. Самая лучшая температура для работы литий-ионных аккумуляторов +20 градусов. Изменения как в плюс, так и в минус, негативно сказываются на емкости и ресурсе.

Характеристики

Характеристики могут зависеть от типа аккумулятора, химического состава его компонентов и варьироваться в определенных пределах.

• Энергоемкость: от 110 до 280 Втч/кг;
• Количество циклов заряда и разряда при емкости 80%: 600-700;
• Значение внутреннего сопротивления: от 4 до 15 мОм/Ач;
• Напряжение одного элемента: от 2,5 В до 4,2 В;
• Саморазряд: зависит от температуры и степени заряда. При 100% заряде и оптимальной температуре – около 1,5% в месяц;
• Скорость быстрой зарядки: около 60 минут.

Это диапазоны основных значений. Могут быть определенные отличия у аккумуляторов различных форм-факторов, например, напряжение 1,5 В (АА и ААА), но здесь речь идет о стабилизированном выходном напряжении, которое не зависит от напряжения в самих ячейках.

Восстановление аккумулятора

Ситуаций, когда литий-ионный аккумулятор может потребовать восстановление может быть две:

1. Аккумулятор работает, однако разряжается очень быстро;
2. Он полностью разряжен, но зарядка не работает.

В первом случае речь идет про естественную потерю емкости, и поделать с этим ничего нельзя. Даже в теории не существует способа вернуть номинальную емкость у литиевого аккумулятора. Во втором случае кое-что сделать можно, в интернете можно найти очень подробные инструкции по восстановлению в данном случае.

Чаще всего это происходит из-за глубокой разрядки, длительного не использования аккумулятора (когда он разряжен) или после воздействия очень низких температур. Проблема здесь в зарядных устройствах, которым кажется, что на аккумуляторе недопустимо низкое напряжение и поэтому они препятствуют подачи тока. Это сделано не просто так, цель – безопасность. Просто тут зарядное устройство ошибочно «думает», что внутри произошло замыкание или другие неполадки, а при таких ситуациях заряжать его попросту опасно. То есть, это вопрос безопасности.

При данной неполадке восстановление аккумулятора заключается в обмане зарядного устройства. Например, можно взять другую зарядку, которая не такая «умная». Однако, в этом случае нужно ограничивать максимальный ток. Здесь мы не будем писать длинные и подробные инструкции, их вы легко найдете сами, мы лишь отметили, что восстановление литий-ионного аккумулятора возможно.

Частые вопросы

В заключительной части мы разберем самые частые вопросы про литиевые аккумуляторы и дадим на них подробные ответы.

Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?

В настоящее время – нет. Можно сказать, что данная технология – апогей развития химических аккумуляторов. Теоретически (да и практические) альтернативы есть, но у них либо слишком высокая цена, либо низкий ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что пока не произойдет прорыва в технологиях, вменяемой альтернативы не будет.

Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?

Да, это возможно и не требует специальных знаний и большого опыта. Чаще всего замену делают в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние стоят дороже, зато их характеристики лучше. Чаще всего делают переделку шуруповертов и других подобных электроинструментов с питанием от АКБ.

Как утилизировать?

Литиевые аккумуляторы чаще всего просто выкидывают, особенно если говорить о совсем небольших, отдавать которые на переработку никому даже в голову не приходит. Кроме того, в России очень мало предприятий, которые занимаются данным типом аккумуляторов. Конечно, выкидывать их не правильно, но, к сожалению, зачастую другого выбора просто нет.

Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Данный вопрос не совсем корректный. Без уточнения характеристик, которые имеют значение, ответить на него невозможно. Где-то будет лучше один тип, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому нельзя сказать, какой из них лучше.

Правда ли то, что китайские литий-ионные аккумуляторы плохие?

Откроем секрет: большинство литиевых АКБ производят в Китае. В данном случае вопрос не в месте производства, а в контроле качества. Те, которые стоят значительно дешевле аналогов, очевидно, будут иметь худшие характеристики, поэтому от экономии толку не будет. Есть определенная цена, которая обусловлена производственными затратами, ее снижение автоматически снижает характеристики.

Какие материалы используются в литий-ионных аккумуляторах

Хотя литий-ионные аккумуляторы широко распространены и многие технологии полностью зависят от них, об используемых в них материалах известно относительно мало. Поэтому в этой статье мы сосредоточимся на материалах, используемых в современных литий-ионных аккумуляторах, и на ожидаемом развитии в будущем.

Универсальное использование литий-ионных аккумуляторов стало возможным благодаря постепенному улучшению их параметров по гравиметрической (Втч/кг) и объемной (Втч/л) плотности энергии.

Однако требования, предъявляемые к литий-ионным аккумуляторам в некоторых приложениях, возрастают, и в то же время развитие некоторых новых технологий, таких как электрическая авиация, полностью зависит от улучшения параметров литий-ионных аккумуляторов.

Принцип работы Li-ion аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы работают по принципу интеркаляции, который обеспечивает обратимое внедрение ионов лития в структуру положительного и отрицательного электродов. Благодаря этому возможна подзарядка этих ячеек.

В случае литий-ионных аккумуляторов на отрицательном электроде чаще всего используется графит, в структурные прослойки которого при зарядке внедряются ионы лития.

Таким образом, в литий-ионных батареях металлический литий не используется на отрицательном электроде, поскольку сам литий имеет тенденцию образовывать игольчатые структуры (дендриты) во время повторной зарядки.

Принцип работы Li-ion аккумуляторов

В структуре графита обычно требуется шесть атомов углерода, чтобы вместить до одного атома лития. Положительный электрод чаще всего изготавливают из оксидов металлов и лития, таких как LiCoO₂.

Благодаря своим интеркаляционным свойствам эти материалы могут выделять ионы лития во время зарядки, которые затем проходят через электролит и сепаратор к отрицательному электроду, где они внедряются в его структуру и принимают электрон, проходящий через внешнюю цепь.

В случае разряда этот процесс происходит обратным образом, т.е. ионы лития отделяются от отрицательного электрода и в последующем, пройдя через электролит, включаются в структуру положительного электрода и снова принимают протекающие через него электроны.

Преимущество этого принципа заключается в том, что электролит никак не участвует в реакции, а лишь обеспечивает перенос ионов лития, поэтому достаточно относительно небольшого количества и при этом не происходит существенных изменений в материалах на электродах, что обеспечивает долгий срок службы.

Электродные материалы, используемые в современных литий-ионных батареях

На положительных и отрицательных электродах литий-ионных аккумуляторов используются разные материалы, поэтому дальше в статье мы рассмотрим их отдельно.

В случае отрицательных электродов чаще всего используется природный или синтетический графит, который имеет относительно низкое напряжение по сравнению с литием около 0,1 В и в то же время теоретическую емкость 372 мАч/г.

Недостатком является образование на поверхности графитовых частиц так называемого SEI (твердого электролита). Этот слой обеспечивает длительное функционирование графитового анода, но в то же время в первом цикле приводит к сливу части емкости (около 10 %) за счет расхода лития на его формирование.

Другим используемым на практике анодным материалом является Li₄Ti₅O₁₂ (LTO). Этот анодный материал очень структурно стабилен и способен выдерживать даже высокие нагрузки.

Его недостатком является меньшая теоретическая емкость 175 мАч/г и относительно высокое напряжение по сравнению с литием 1,55 В, за счет чего батареи, использующие LTO на стороне отрицательного электрода, достигают меньшей гравиметрической и объемной плотности энергии.

В случае с материалами для положительных электродов литий-ионных аккумуляторов ситуация несколько сложнее, так как существует ряд различных коммерчески используемых материалов, некоторые из которых до сих пор существуют в нескольких модификациях.

Самым старым коммерчески используемым материалом положительного электрода является LiCoO₂ (LCO), впервые описанный группой Гуденаф в 1980 году и впервые примененный на практике компанией Sony в 1991 году.

Этот катодный материал характеризуется высоким напряжением относительно лития 3,88 В и теоретической емкостью 274 мАч/г. Однако практически достижимая емкость составляет около 155 мАч/г.

Это отличие связано с тем, что литий в этом материале со слоистой структурой образует один из его слоев, и если бы использовался весь материал, его структура разрушилась бы. Таким образом, гравиметрическая плотность энергии этого материала составляет около 600 Втч/кг.

Еще один из недостатков этого материала связан со слоистой структурой, а именно его более низкая термостойкость, что при температурах выше 180°С приводит к его разложению и выделению кислорода из его структуры, что впоследствии может вызвать возгорание батареи. Также недостатком является высокое содержание кобальта, который относительно дорог, а его запасы ограничены.

В настоящее время в случае LCO ведутся работы по повышению стабильности и достижимой емкости за счет легирования или обработки поверхности.

Другим материалом, используемым в коммерческой практике, является LiMn₂O₄ (LMO).

Этот материал со структурой шпинели характеризуется высокой структурной стабильностью и температурной стабильностью и связанной с этим более высокой безопасностью. В то же время марганец, используемый в его составе, дешев и легко доступен.

Напряжение по отношению к литию находится на уровне 4,05 В, а теоретическая емкость этого материала составляет 148 мАч/г. Фактическая доступная емкость составляет около 120 мАч/г. Благодаря этим параметрам гравиметрическая плотность энергии этого материала составляет около 490 Втч/кг.

Помимо меньшей гравиметрической плотности энергии недостатком является то, что при температурах выше 50 °С материал вступает в реакцию с электролитом и марганец постепенно растворяется в электролите, что приводит к снижению емкости. Это явление предъявляет повышенные требования к управлению температурой аккумуляторной батареи.

В настоящее время LiFePO₄ (LFP) является наиболее распространенным катодным материалом.

Этот материал характеризуется стабильной структурой и тем, что в нем используются аналогичные LMO элементы, которые дешевы и легкодоступны. Благодаря своей стабильной структуре характеризуется длительным сроком службы и, в то же время, высокой температурной стабильностью.

LMO характеризуется высокой теоретической емкостью 170 мАч/г и напряжением относительно лития 3,4 В. Реально достижимая емкость составляет около 150 мАч/г. Из-за более низкого напряжения гравиметрическая плотность энергии также ниже, около 510 Втч/кг.

Другим недостатком этого материала является его меньшая электропроводность, которую необходимо компенсировать модификацией частиц электродного материала или добавлением большего количества углерода за счет активного материала, что приводит к снижению достижимой гравиметрической плотности энергии электрода.

Этот материал в настоящее время широко используется, например, в стационарных накопителях энергии (смотрите — Аккумуляторные электростанции) или в электромобилях, которые не делают упора на дальность.

Одним из двух оставшихся коммерчески используемых материалов положительного электрода является LiNi_0,8Co_0,15Al_0,05O₂ (NCA). Компания Tesla с самого начала использовала этот материал в своих автомобилях.

Напряжение этого материала относительно лития составляет 3,7 В, а достижимая емкость составляет примерно 180 мАч/г, при этом емкость зависит от представленности отдельных элементов (Ni, Co, Al) в структуре материала. В случае увеличения содержания никеля емкость этого материала возрастает ближе к значениям чуть более 200 мАч/г.

Гравиметрическая плотность энергии в случае этого катодного материала колеблется от 670 Втч/кг в случае более низкого содержания Ni и более 740 Втч/кг в случае более высокого содержания Ni.

В настоящее время мы можем встретить LiNi_0,86Co_0,1Al_0,04O₂ или LiNi_0,88Co_0,1Al_0,02O₂. Кроме того, ожидается уменьшение количества кобальта и увеличение содержания никеля. Однако недостатком этого материала является более низкая структурная стабильность, которая несколько лучше, чем у LCO.

Последним из широко используемых в настоящее время катодных материалов является LiNi_0,33Mn_0,33Co_0,33O₂ (NMC).

Этот тип катодного материала в настоящее время является наиболее часто используемым материалом для положительных электродов литий-ионных аккумуляторов.

Емкость снова определяется представлением отдельных элементов и колеблется от 150 мАч/г до чуть более 200 мАч/г в случае материалов с более высокой концентрацией никеля (LiNi_0,8Mn_0,1Co_0,1O₂). Гравиметрическая плотность энергии в этом случае превышает 740 Втч/кг.

Снижение содержания кобальта приводит не только к увеличению емкости этих материалов, но и к снижению цены.

С точки зрения срока службы и стабильности структуры NMC более стабильны, чем NCA или LCO, но по мере увеличения количества никеля стабильность структуры снижается, и по этой причине на рынок поступают аккумуляторы с катодами NMC, содержащими большое количество никеля.

Электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов ближайшего будущего

Как и в предыдущей главе, мы можем разделить материалы на анодные и катодные, и мы также начнем с анодных материалов.

В настоящее время и в ближайшем будущем ожидается увеличение использования кремния в качестве замены используемому в настоящее время графиту. С точки зрения применения кремний обладает рядом интересных свойств.

Это второй по распространенности элемент в земной коре, поэтому он экологичен и легкодоступен, и в то же время с точки зрения электрохимических свойств имеет низкое рабочее напряжение по отношению к литию около 0,4 В и его теоретическую емкость составляет 3579 мАч/г в состоянии Li₁₅S₄, при этом до 15 атомов лития могут связываться с четырьмя атомами кремния. Таким образом, эта теоретическая емкость примерно в 10 раз больше, чем в случае графита.

С другой стороны, использование кремния несет с собой ряд недостатков, таких как большое изменение объема при циклировании, примерно 270 %, растрескивание частиц и образование слоя SEI с необратимой емкостью в десятки процентов.

Таким образом, использование чистого кремния приводит к относительно быстрой потере емкости. По этой причине ведутся поиски других способов использования кремния.

В современной практике уже можно встретить аккумуляторы с небольшим количеством кремния в аноде, но это процент от веса анода, а отрицательные свойства кремния компенсируются покрывающим его графитом.

В будущем количество кремния в электроде предполагается увеличить примерно до 40-60%. Для достижения этой цели используется ряд методов, таких как создание композитов углерод-кремний или полимерных матриц, окружающих частицы кремния.

Также предпринимаются попытки использовать 100% кремниевые аноды, однако они либо сталкиваются с проблемами, упомянутыми выше, либо с ограничениями в отношении количества кремния, которое они могут использовать.

В случае катодов больше материалов, которые ближе к применению или начинают применяться. Интересным материалом является, например, LiNi_0,5Mn_1,5O₄.

Этот катодный материал имеет высокое рабочее напряжение по отношению к литию 4,7 В. Его теоретическая емкость составляет 148 мАч/га, что делает его теоретическую плотность энергии чуть выше 690 Втч/кг.

Это не содержащий кобальта материал, большую часть которого составляет марганец, который легко доступен и дешев. Еще одним преимуществом этого материала является его высокая термостойкость. Недостатком является высокое рабочее напряжение, что приводит к деградации используемых в настоящее время электролитов. Другим недостатком является растворение марганца в электролите при более высоких рабочих температурах, превышающих 50 °С.

Другим новым материалом, который в настоящее время применяется, например, компанией LG и который, как ожидается, будет расширяться в ближайшие годы, является LiNi_0,9Mn_0,045Co_0,045Al_0,01O₂ (NMCA).

Этот материал с высоким содержанием никеля и очень низким содержанием кобальта дополнительно стабилизируется за счет добавления алюминия.

Его преимуществом является более высокая структурная и температурная стабильность, чем в случае NMC и NCA с высоким содержанием никеля и лучшими электрохимическими свойствами, т.е. более высокая располагаемая емкость и более высокая циклируемость за счет более высокой стабильности структуры при циклировании, когда не происходит растрескивания частиц, как в NMC и NCA. В сочетании с рабочим напряжением 3,7 В достижимая плотность энергии этого материала составляет около 850 Втч/кг.

Еще одним новым материалом, который начинает поступать в коммерческую практику, хотя и ограниченно, является LiFe_0,5Mn_0,5PO₄. Этот катодный материал на основе катодного материала LFP использует в своей структуре помимо железа марганец, при этом представление отдельных элементов может быть различным.

Преимуществом этого материала является более высокое рабочее напряжение по отношению к литию, чем в случае с LFP, на уровне 4 В, а затем 3,5 В, так как разрядное плато разделено на два уровня напряжения. Достижимая емкость очень похожа на емкость LFP около 150 мАч/г, благодаря чему гравиметрическая плотность энергии этого материала может достигать примерно 570 Втч/кг.

Таким образом, батареи с этим типом катодного материала могут достигать плотности энергии, аналогичной элементам на основе LCO. Недостатком этого материала является его более низкая циклическая устойчивость по сравнению с LFP.

Последним из многообещающих материалов, которые вскоре могут быть применены на практике, является обогащенный литием NMC, иногда называемый высокоэнергетическим NMC или многоструктурным NMC. Этот материал наиболее далек от вышеперечисленных материалов коммерческого применения.

Это материал, состоящий из двух структур xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂, где М обозначает металл. В структуре могут использоваться различные металлы, такие как Ni, Mn, Co, поэтому возможно производство этого материала даже без использования кобальта.

Потенциал этого материала по отношению к литию составляет примерно 3,6 В, но его можно заряжать до 4,8 В. В зависимости от состава теоретическая емкость составляет около 360 мАч/г, а реально около 300 мАч/г. Гравиметрическая плотность энергии этого материала тогда близка к 1100 Втч/кг.

Однако этот материал обременен рядом проблем, таких как нестабильность конструкции, что приводит к быстрому падению емкости и падению потенциала. Еще одним недостатком является значительное падение емкости при более высоких нагрузках.

Тенденции будущего – меньше кобальта и больше энергии

Как видно из текста статьи, электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов существует множество и в результате свойства коммерческих литий-ионных аккумуляторов сильно различаются в зависимости от используемого материала.

Из упомянутого перечня выделяется тенденция, направленная на ограниченное использование кобальта или его полное исключение с целью снижения себестоимости продукции и снижения зависимости от ограниченных ресурсов.

Другой тенденцией является поиск материала с более высокой гравиметрической плотностью энергии, что должно привести к увеличению гравиметрической плотности энергии клеток даже на практике до уровней, приближающихся к 350 Втч/кг.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика