Почему именно литий используют в батарейках

8

Почему мы используем литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы сейчас используются практически везде — от тяжелой промышленности до электрических приборов для домашнего использования. В этом легко убедиться просто открыв заднюю крышку своего смартфона — на батарее точно есть пометка Li-ion. До литий-ионных батарей техника работала на никель-кадмиевых аккумуляторах. Но в связи с резким ухудшением экологической ситуации в мире, в Европе с 2017 года запрещено производство и использование аккумуляторов на основе кадмия.

Аккумуляторные инновации в мире

Технологии не стоят на месте, и практически ежедневно ученые делают все больше открытий, открывают новые химические реакции и их свойства, которые должны послужить на благо человечеству.

Так, например, в 2016 году исследователи Калифорнийского университета в Ирвайне совершили «случайное» открытие: заменив жидкий электролит на гелевый, основой которого является полиметилметакрилат, и добавив золотые нанонити, ученые отметили, что энергоёмкость новых аккумуляторов не снижается даже после большого количества циклов зарядки.

Если стандартный аккумулятор ведет свою «жизнедеятельность» на протяжении 500-2000 циклов, то аккумуляторы с использованием нанотехнологий увеличивают свою работу практически до 100 тысяч циклов.

Российские разработки в аккумуляторной сфере

Российские ученые не отстают от зарубежных производителей аккумуляторов. В Самарском национальном исследовательском университете имени академика С. П. Королёва в 2016 году стартовали разработки аккумулятора на основе алюминия. Технология обещает быть более безопасной в использовании, экологичнее при утилизации и дешевле при производстве.

А в Санкт-Петербурге, в Университете ИТМО инженеры с 2017 года разрабатывают новую технологию производства аккумуляторов, которая заключается в создании нового электродного материала и полной замене лития на твердый электролит. За счет этого время полной зарядки аккумулятора составляет всего 1 минуту, а общее количество циклов зарядки без энергопотерь увеличивается практически до 10 тысяч. Также гарантируется безопасность при эксплуатации и утилизации.

Прикладное развитие аккумуляторов в инструменте и садовой технике

Но здесь нужно отметить тот факт, что о массовом производстве таких инновационных аккумуляторов речь пока не идет, так как помимо высокой стоимости производства сам технологический процесс до сих пор не отработан.

— Вопрос использования литий-ионных аккумуляторов при существующих аналогах индивидуален. Некоторые предпочитают исключительно аккумуляторную технику, а кто-то работает «по старинке». Но на дворе XXI век, все технологии стремятся улучшить свою работоспособность и при этом не вредить окружающей среде. На данный момент литий-ионные аккумуляторы являются лучшим решением проблем экологической ситуации в мире в совокупности с удобством использования, энергоэффективностью и доступной ценой.

Почему именно литий используют в батарейках

Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий

Li-Ion аккумуляторы — правда и мифы.

Миф первый. Li-Ion аккумулятор в устройстве нельзя разряжать до нуля процентов.
На деле все звучит правильно и согласуется с физикой — при разрядке до

2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится — при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже

3 В «умный» контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все — аккумулятор можно нести на помойку.
Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до «критических» 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому «разряженному» аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.

Литий для аккумулятора: откуда он берётся, почему дорожает?

Литий — один из основных химических элементов, применяемых для создания аккумуляторов (как, например, никель и кобальт). На литий с начала 2021-го года прослеживается повышенный спрос из-за смещения акцента производства в автомобильных концернах к линейкам электромобилей (EV, Electric Vehicle).

В издании Trading Economics отметили, что спотовые цены Китая на карбонат лития в январе 2021 выросли на 41% и составили 65 500 юаней за тонну металла.

Предлагаем узнать с чем связан рост цен и другие базовые вещи про литий для аккумулятора: откуда берётся, почему большой спрос, где добывают и есть ли в России. Постараемся передать действительность максимально доступным языком и простыми словами для всех желающих разобраться в вопросе.

Почему такой высокий спрос на литий?

Для аккумуляторов литий — в наибольшей степени приемлемый химический элемент при современных условиях массовой эксплуатации потребительской электроники. Здесь следует оговориться, что для нишевых задач изготовитель может отдать предпочтение другим видам химии (например, никель, свинец и другие). У лития не всё так прекрасно, как хотелось бы, но для определённых задач ему пока нет равных.

Преимущества и недостатки литиевых источников питания мы приводили в нашем специальном материале, рекомендуем ознакомиться.

Выбор лития для аккумуляторов обоснован инженерно-техническими свойствами и экономическими. Относительная доступность ресурса играет важнейшую роль на глобальном рынке. И вот, с чем нам сейчас приходится жить.

Использование аккумуляторов на основе лития

• • В простейшем фонарике один литий-ионный элемент питания;
• • в смартфоне обычно один аккумулятор Li-Ion или Li-Polymer, но с недавних пор их может быть и два;
• • ноутбук включает гораздо больше элементов — от трёх до двенадцати в среднем;
• • тоже самое касается и электроинструмента, где в некоторых случаях может насчитываться 24 ячейки внутри батарейного блока;
• • теперь популярность обретают электромобили на литиевых тяговых батареях с порядка 5000 элементами внутри.

Для одного такого электромобиля с 5000 ячейками понадобится 10 кг лития! Это количество не изменится даже если вы попытаетесь подобрать разные химические соединения.

Откуда вообще взялся литий?

Литий — наиболее лёгкий металл (удельный вес 0,54) и наименее плотный твёрдый элемент из известных.

Главные преимущества лития:

• • хороший электрохимический потенциал;
• • низкая температура плавления.

Литий добывается из минералов в вулканических породах. Они сложены крупными пластами (минерал сподумен). Также извлекается при опреснении воды (рассолы) с высокой концентрацией карбоната лития. Оба способа играют равную роль для производственных процессов.

Карбонат лития является основным источником лития. Это стабильная соль, очищенная для получения металла. С ним обращаются предельно осторожно ввиду его высокой реакционной способности.

Примерно 5,3 тонны карбоната лития требуется для получения 1 тонны лития (источник).

Литий наиболее эффективен в химических источниках тока с жидким или твёрдым электролитом. Этот металл применяют в производстве анодов аккумуляторов и гальванических элементов.

Где добывают литий для аккумуляторов?

Для аккумуляторов добываются литиевые минералы. В издании NS Energy сообщают, что их запасы во всём мире составляют около 80 миллионов тонн и распределяются между следующими крупнейшими регионами.

• • Крупнейшая «заначка» у Боливии — порядка 21 миллиона тонн;
• • на втором месте с 17 миллионами тонн соседняя Аргентина;
• • замыкает тройку литиевых «воротил» Чили с 9 миллионами тонн;
• • американцы (США) обладают 6,8 миллионами тонн (очень крупный запас, следует отметить).
• • столько же и у Австралии с другого конца планеты — 6,5 миллионов тонн лития;
• • чуть меньше только у Китая с оценкой запасов в 4,5 миллиона тонн.

Все упомянутые страны составляют крупнейший стратегический запас лития на планете. По сути они являются хранителями главного ресурса нашего общего безуглеродного будущего.

А что с литием в России — сколько запасов у нас?

Исходя из сведений госпрограммы «Развитие промышленности и повышение её конкурентоспособности» (источник в «Консультанте»), запасы редкоземельных металлов в России оцениваются в 28 миллионов тонн. Из них почти 900 000 тонн относятся к литию (сведения экспертов АКРА).

В иных экспертных оценках (например, подразделениями «Росатома») упоминается в России альтернативный источник. Речь об изобилии свалок и отходов химпроизводства. В их переработке можно добыть значительную долю ценного ресурса.

Всё о производстве литий-ионных аккумуляторов в России

Мы бы хотели сделать особый акцент на том, что в данный момент ни одно из упомянутых государств не использует потенциал внутренней добычи лития более, чем на 40% (что-то производится внутри, что-то импортируется у других). Будущее литиевой эпохи, как считается, ещё не наступило. Но человечество уже на подступах к ней и уже вовсю заглядывает в глубины планеты.

Оставляйте вопросы в комментарии или отправьте сообщение нам 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.

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.