Важнейшие области применения литий-ионных аккумуляторов
Уже 30 лет литий-ионные батареи используются для надежного, безопасного, экономичного питания электрической техники. Почти каждый из нас уже сталкивался с ними в быту или профессиональной деятельности. Литиевые батареи получили широкое распространение благодаря высокой плотности энергии, низкой скорости саморазряда, длительному сроку службы и простоте обслуживания.
Важнейшие области применения Li — ion аккумуляторов:
- бытовая и профессиональная электроника;
- подъемно-транспортная складская техника;
- энергетика (автономные источники питания);
- электротранспорт (электромобили, электробусы);
- наземное вспомогательное оборудование аэропортов (НВО);
- средства индивидуальной мобильности.
Электронные устройства
Сегодня литий-ионные широко распространены в мобильных телефонах, планшетах, ноутбуках, портативных колонках, игровых консолях, беспроводных наушниках. Выбор производителей в пользу этих химических источников тока обусловлен низким весом, высокой энергоемкостью, устойчивостью к тряске и колебаниям температуры. Благодаря литий-ионной технологии имплантируемые кардиостимуляторы и дефибрилляторы способны служить 7-15 лет, что улучшает качество жизни больных людей.
Складская техника
Применение литий-ионных батарей для электрических погрузчиков, штабелеров, ричтраков и электротележек дает много преимуществ:
- Время работы. В среднем электропогрузчик способен проработать от Li — ion батареи 7,2 часа. Для свинцово-кислотных АКБ средний показатель 5,4 часа.
- Скорость зарядки. Используемые в погрузчиках литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы можно зарядить за 1-2 часа, а подзаряжать в любой момент. Свинцово-кислотные АКБ заряжаются от 6 до 14 часов.
- Ненужность охлаждения после зарядки.
- Возможность работы в несколько смен. Благодаря долгому времени работы и быстроте зарядки одну и ту же li — ion батарею можно использовать несколько смен, а не докупать дополнительную.
- Длительный срок службы. Хорошие тяговые свинцово-кислотные батареи служат 1000-1500 циклов, а литий-ионные АКБ – 3000-7000 циклов.
- Минимальное техобслуживание. Не требуется доливка воды в электролит. Не нужно отдельное помещение для зарядки. Система управления батарей ( BMS ) контролирует процесс зарядки и температуру.
Энергетика
С развитием «зеленой энергетики» литий-ионные аккумуляторы все чаще служат резервными источниками питания на электростанциях. Именно здесь важны длительный срок службы, высокая удельная плотность энергии, способность сохранять первоначальную емкость при высоких токах разряда, отсутствие потребности в обслуживании. Кстати, две перезаряжаемые li-ion АКБ были установлены даже в марсоход Curiosity.
Электротранспорт
Легкие литий-ионные батареи используются для питания электрических автомобилей, внедорожников, квадроциклов и даже вертолетов. По статистике, в первом полугодии 2021 года продажи электромобилей в мире выросли на 168%. Общий объем продаж составил 2650000 машин.
Наземное вспомогательное оборудование аэропортов
Наземное вспомогательное оборудование значительно влияет на соблюдение авиакомпаниями расписания. Но включает в себя транспортные средства и технические устройства для обслуживания, буксировки, заправки воздушных судов, погрузки и выгрузки грузов, посадки и высадки пассажиров, электроснабжения аэродромов. К такому оборудованию относятся:
- наземные источники питания;
- ленточные погрузчики;
- багажные тележки,
- аэродромные тягачи;
- машины для мойки воздушных судов;
- противообледенительные машины;
- тестеры трения взлетно-посадочной полосы;
- измерители сцепления взлетно-посадочных полос;
- машины для очистки взлетно-посадочных полос.
Работая от литий-ионных батарей, наземное вспомогательное оборудование не загрязняет воздух и не теряет в производительности. Оно хорошо готово к частым запускам и остановкам, не боится длительных простоев.
Оборудование для мобильности
Аккумуляторы Li — ion отлично подходят для мобильных средств передвижения: электросамокатов, гироскутеров, моноколес (унициклов), сигвеев. Сегодня такой мобильный транспорт становится не только различением, но и полезным городским средством передвижения. Благодаря своей легкости, долговечности, быстроте зарядки литиевые батареи также часто используются в электрических инвалидных колясках, компактных лестничных подъемниках.
Выводы
Благодаря широкому спектру преимуществ – от длительного срока службы до повышенной безопасности – популярность Li — ion батарей стремительно растет. Ожидается, что по мере развития литий-ионной технологии эта тенденция сохранится.
«В ночном видении и дефибрилляторах»: Li-ion ставят не только в смартфоны
Они ведь взрываются и вздуваются? Вы удивитесь, какие серьёзные отрасли доверились литиевой технологии. Где сейчас только не применяются литий-ионные аккумуляторы, помимо смартфонов и гаджетов.
Список такой длинный, что переход от медицинского оборудования к роскошным яхтам случится лишь где-то через час утомительного чтения.
Но где их применение бывает удивительным и неожиданным?
Литиевые батареи теперь обслуживают нашу безопасность, надёжность оборудования, комфорта современной жизни. Благодаря этой технологии электронные устройства избавились от проводов, стали компактнее и мобильнее. Вас может удивить, что перезаряжаемым литиевым батареям как в смартфонах или ноутбуках доверили такие важные отрасли.
Портативное медицинское оборудование
- • Инфузионные насосы;
- • Портативные рентгеновские системы;
- • Респираторы;
- • Дефибрилляторы;
- • Хирургические инструменты;
- • Устройства для наблюдения за пациентами;
- • Моторизованные кровати и тележки;
- • Мышечные стимуляторы.
Профессиональная электроника
- • Портативные принтеры;
- • Измерительные устройства;
- • Устройства сбора данных;
- • Системы обнаружения газа;
- • Устройства захвата изображений.
Безопасность и охрана
- • Оборудование для видеонаблюдения;
- • Тепловизионные устройства;
- • Носимые системы обнаружения газов;
- • Персональные будильники.
Военная отрасль
- • Очки/шлемы ночного видения;
- • Надёжное портативное оборудование связи;
- • Защищённые вычислительные устройства;
- • Электроинструменты и техника;
- • Измерительное оборудование и лазеры;
- • Строительное и монтажное оборудование.
Есть ли минусы перехода на Li-ion?
Есть. Технологии 30 лет, но она всё ещё борется с собственными недостатками (какими) путём ограничений и сложного контроля — то есть «костылей» (про защиту), если говорить техническим языком.
Кроме того, эффективных схем утилизации (сбора и переработки) для литий-ионных аккумуляторов всё ещё не существует. Мы приводили примеры компаний, кто работает в этой сфере и как они всё делают. Непросто им.
Ближайшие изменения к лучшему в технологии произойдут ещё нескоро (когда), если верить учёным MEET. Да и толковой альтернативы Li-ion фактически не существует (теоретически есть), если обратиться к свершённым фактам за последние пару лет.
Минусы у применения Li-ion хоть и есть, но с экономической точки зрения они незначительные. Разумно смириться с тем, что недостатки под контролем. Сама же технология эффективная и дешёвая (к тому же продолжает дешеветь).
Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
Почему мы до сих пор пользуемся литий-ионными аккумуляторами вместо графеновых
Возникало ли у вас ощущение, что в современной технике прогрессирует все, кроме аккумуляторов? У смартфонов улучшаются процессоры, экраны, камеры, растет память, электрокары обрастают продвинутой электроникой и учатся ездить на автопилоте, но все эти девайсы по-прежнему черпают энергию из литий-ионных батарей.
Где же обещанные графеновые аккумуляторы? Давайте разбираться.
Литий-ионные аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя на рынке — уже пару десятков лет они обеспечивают энергией наши девайсы и готовых решений, которые могли бы взять и полноценно заменить их, на горизонте пока не предвидится. Неужели это венец творения и у них нет недостатков? Отнюдь.
Недостатки литий-ионных аккумуляторов
- Недолговечность. Литий-ионные батареи теряют емкость примерно на 10-15% в год, а для смартфонов 1000 циклов разрядки/зарядки уже можно считать пределом.
- Чувствительность к температуре. Литиевые аккумуляторы плохо переносят перепады температур — работа при слишком низких или слишком высоких температурах приводит к деградации батареи.
- Чувствительность к мощной зарядке. Слишком быстрая зарядка ведет к излишнему выделению тепла и может приводить к замыканию и выходу аккумулятора из строя.
- Потенциальная опасность. Литий — редкоземельный металл, который стоит недешево, а его добыча и производство аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде.
Ученые считают, что решить эти проблемы — хотя бы частично — может графен. А некоторые уверяют, что потенциально он даже способен совершить настоящую революцию в устройствах для хранения энергии. Так ли это?
Что такое графен
Графен — это углерод, такой же, как графит или алмаз. Химическая формула у них идентична, но способ соединения атомов углерода друг с другом определяет свойства материала. Атомы в графене расположены в пространстве особым образом — это лист толщиной всего в один атом, причем атомы углерода образуют в нем шестиугольники, похожие на пчелиные соты. Такая структура наделяет графен неординарными свойствами. Это отличный проводник, он прочнее стали, но при этом гибкий и эластичный.
Чем отличаются графеновые аккумуляторы от литий-ионных
Хотя литий-ионные и графеновые батареи могут хранить и передавать энергию схожим образом, в конструктивных аспектах и областях применения они отличаются друг от друга — с точки зрения срока службы, безопасности и скорости передачи энергии. Главное преимущество графеновых батарей — отличная способность рассеивать тепло.
С увеличением тепловой энергии растет сопротивление проводников, что приводит к деградации аккумулятора. Поэтому ученые начали добавлять графен в литий-ионные аккумуляторы для улучшения характеристик. Такие батареи известны как гибридные — они имеют большую зарядную емкость, меньшую массу, увеличенный срок службы и уменьшенное время зарядки по сравнению с «традиционными» аккумуляторами.
Почему не делают «чисто графеновые» батареи
Коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах до сих пор не существует. Причиной тому является высокая стоимость и сложность получения графена. Но это еще не все. Главное, что графен не очень подходит для долгосрочного хранения энергии — и вот почему.
В литиевых аккумуляторах заряд накапливается благодаря тому, что ионы лития проникают внутрь графитового анода. Если вместо графита для изготовления анода применить графен, ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности.
Саморазряд батареи в этом случае будет гораздо более заметным. Зато концепция, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий взять и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Добавлением графена в электроды можно повысить их проводимость, хотя по сути батарея останется литиевой.
Литий-ионные аккумуляторы. Как устроены, где применяются, безопасность.
В современном мире литий-ионные аккумуляторы массово используются в электромобилях, поломоечных машинах, бытовой электронной технике и во многих других устройствах. В данной статье рассмотрим, как устроены литий-ионные аккумуляторы, насколько они являются опасными и в каких сферах используются.
Вспомним историю создания
Поблагодарим великих учёных, Стэнли Уиттингема, Джона Гуденафа и Акира Ёсино, которые подарили миру гениальную разработку – литий-ионные аккумуляторы. Разработка прошла эволюционный путь с 1970 года по 1991.
Впервые заряжаемый аккумулятор был разработан в 1970 году британцем М.С Уитенгемом. Аккумулятор имел анод из сульфида титана, а катод состоял из лития. Но его разработка имела весомые недостатки: низкое напряжение ‒ 2,3В, большая стоимость и, к тому же, батарея имела высокий риск возгорания.
Позже, в 1890 году Джон Гуденаф, американский учёный, сделал попытку использовать кобальтат лития в качестве материала для катода в аккумуляторах. Он смог достичь высокого напряжения до 4В, что привело к появлению мощных аккумуляторов. Вот только проблема с возгоранием снова осталась нерешенной.
И, наконец, в 1991 году эту острую проблему решил японский учёный-химик Акиро Ёсино. Его изобретением стала аккумуляторная батарея с анодом из графита и катодом из кобальта лития. Его изобретение было признано более эффективным и безопасным в эксплуатации. В 1991 году по патенту учёного, корпорация «Sony» выпустила первый литий-ионный аккумулятор. А В 2019 году все вышеперечисленные учёные стали лауреатами Нобелевской премии за данную разработку. А Акиро Ёсино всю свою последующую деятельность связал с совершенствованием данной технологии.
Попытки усовершенствования процесса производства и технических характеристик аккумуляторов не останавливается и на сегодняшний день.
Как устроен аккумулятор?
Литий-ионный аккумулятор по своему строению похож на свинцово-кислотный. В его состав входит анод, катод и электролит. Активные вещества представлены графитом и оксидом лития. В составе анода и катода имеются и другие вещества, не только те, которые мы указали. Все эти вещества наносятся тонким слоем на фольгу из меди или алюминия. Между этими листами находится разделитель, который пропитан электролитом. В итоге, на выходе мы имеем пластину, состоящую из тонких листов фольги, которая скручивается в трубочку ‒ это и есть литий-ионный аккумулятор.
Насколько опасны литий-ионные аккумуляторы?
Как известно, в работе литиевого аккумулятора имеются нестабильные вещества, которые пытаются высвободить энергию. В процессе электрохимической реакции происходит выделение газов в связи с тем, что, когда ионы лития оседают на одной пластине, на другой происходит образование соли кислорода. При нормальной работе аккумуляторной батареи газовыделение находится под контролем. Однако, если аккумулятор перегреется или перезарядится, то может произойти вздутие от внутреннего давления.
В большинстве случаев аккумуляторы оснащены внутренним контролёром, задача которого сделать невозможным нарушение параметров заряда. Но, не будем забывать, что существует заводской брак и производители без имени. Эти два фактора, связанные с качеством производств могут создавать опасность для потребителя.
Если вы увидели, что аккумулятор вздулся, то сразу же примите меры по его утилизации.
Как утилизировать литий-ионный аккумулятор и не навредить себе?
Напомним, что литий нестабилен; он воспламеняется при взаимодействии с кислородом. Поэтому, такой параметр как герметичность является весьма важным. Так же причиной возгорания может послужить замыкание между положительной и отрицательной пластиной. В основном это происходит из-за значительного уровня износа и перегрева, который оказывает влияние на целостность электролита. Миссия разделителя – защитить потребителя от внутреннего короткого замыкания, но вероятность последнего всё же имеется.
Если вы видите, что аккумулятор скоро начнёт загораться или уже горит, то не стоит пытаться поливать его водой, ведь литий активно взаимодействует с кислородом, а он имеется в составе воды. Такое действие может спровоцировать взрыв аккумулятора. В подобной ситуации позвольте реакции завершиться естественным путём, предварительно поместив аккумулятор в безопасное место. Многие пользователи, которые сталкивались с подобной ситуацией, рекомендуют поместить аккумулятор в кастрюлю. В случае, если возможности поместить аккумулятор в безопасное место нет, так как он уже во всю горит, то накройте его негорючим предметом, например, той же самой кастрюлей, которая заодно перекроет доступ к кислороду.
Где применяют литий-ионные аккумуляторы?
Литий-ионные аккумуляторные батареи широко применяются в промышленных товарах, на железнодорожном транспорте и других видах техники. А также в портативных устройствах, таких как радиооборудование, телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и другие устройства.