Bateria litiu - ion (Li-ion) este un tip de baterie electrică care este utilizată pe scară largă în electronicele moderneși își găsește aplicarea ca sursă de energie în vehiculele electrice și în dispozitivele de stocare a energiei în sistemele de alimentare. Este cel mai popular tip de baterie în dispozitive precum telefoane mobile , laptopuri , camere digitale , camere video și vehicule electrice . În 2019, Whittingham, Goodenough și Yoshino au primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru dezvoltarea bateriilor litiu-ion.
Pentru prima dată, posibilitatea fundamentală de a crea baterii cu litiu bazată pe capacitatea disulfurei de titan sau a disulfurei de molibden de a include ioni de litiu în timpul descărcării bateriei și de a-i extrage în timpul încărcării a fost demonstrată în 1970 de Michael Stanley Whittingham . Un dezavantaj semnificativ al unor astfel de baterii a fost tensiunea joasă - 2,3 V și pericolul mare de incendiu din cauza formării dendritelor cu litiu metalic care închid electrozii.
Mai târziu , J. Goodenough a sintetizat alte materiale pentru catodul unei baterii cu litiu - cobaltita de litiu Li x CoO 2 (1980), ferofosfat de litiu LiFePO 4 (1996). Avantajul unor astfel de baterii este o tensiune mai mare - aproximativ 4 V.
Versiunea modernă a bateriei litiu-ion cu anod de grafit și catod de litiu cobaltit a fost inventată în 1991 de Akira Yoshino . Prima baterie litiu-ion conform brevetului său a fost lansată de Sony Corporation în 1991 .
În prezent, cercetările sunt în desfășurare pentru a găsi materiale pe bază de siliciu și fosfor care oferă o capacitate crescută de intercalare a ionilor de litiu și pentru a înlocui ionii de litiu cu ioni de sodiu .
Alte studii reduc efectul îmbătrânirii și măresc durata de viață. De exemplu, utilizarea bis-imino-acenaftenechinonă-parafenilenă (Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene, BP) va economisi 95% din capacitatea bateriei chiar și după 1700 de cicluri de încărcare. [1] [2]
Whittingham, Goodenough și Yoshino au primit Premiul Nobel pentru Chimie în 2019 cu mențiunea „pentru dezvoltarea bateriilor litiu-ion”.
În funcție de compoziția chimică și dispozitiv, bateriile litiu-ion sunt împărțite în tipuri care diferă foarte mult în calitatea consumatorului.
Acest soi are cea mai mare capacitate, dar este pretențios la condițiile de muncă și are o resursă foarte limitată. Gama de tensiune de funcționare este de la 3 la 4,2 V. Cel mai mare consum specific de energie este de până la 250 Wh / kg, curentul de descărcare de vârf nu este mai mare de două capacități (adică o baterie de 2 Ah are un curent permis de 4 A) , curentul de descărcare pe termen lung nu este mai mult de un container.
Temperatura de stocare a bateriei pe termen lung -5°C la 40-50% încărcare. Bateriile cu litiu-cobalt sunt explozive și se pot aprinde dacă sunt supraîncălzite sau descărcate adânc. Din aceste motive, acestea sunt de obicei echipate cu o placă de protecție și sunt etichetate Protejat. Tensiunea de descărcare - nu mai mică de 3 V. Exploziv dacă carcasa este deteriorată, îmbătrânește rapid (durată medie - 3-5 ani, în cicluri "încărcare-descărcare" - nu mai mult de 500). Încărcarea cu curent ridicat este nedorită. Extrem de toxic dacă este aprins.
Mai durabil și mai sigur decât cobaltul, încărcarea cu curent ridicat este acceptabilă. Gama de tensiune de funcționare - de la 2,5 la 4,2 V. Consum specific de energie - 140-150 Wh / kg. Resursă - aproximativ 5-6 ani - până la 1000 de cicluri de încărcare-descărcare. Curent mare sub sarcină - până la 5 capacități. Limita de descărcare este de 2,5 V, totuși, este posibilă o scădere a resursei. Bateriile INR au rareori o placă de protecție, dar circuitul de încărcare este întotdeauna limitat la tensiune. Inoperabil sub -10 °C. Destul de sigur pentru utilizare, nu exploda sau aprinde. Au autodescărcare scăzută.
Ultima generație cu cea mai mare resursă. Gama de tensiune de funcționare este de la 2 la 3,65 V, tensiunea nominală este de 3,2 V. Consumul specific de energie este de aproximativ 150 Wh/kg. Resurse - 10-20 de ani, aproximativ 1500-3000 de cicluri de încărcare-descărcare (până la 8000 în condiții blânde). Curentul de sarcină mare (până la 10 capacități) și tensiunea de descărcare stabilă sunt ideale pentru vehicule electrice, rover, biciclete și aplicații similare. O descărcare în apropierea limitei inferioare de tensiune (2 V) poate reduce resursa. Încărcarea cu curent ridicat cu siguranță este permisă. În cele mai severe condiții de funcționare, nu emit gaze, nu explodează și nu se aprind.
Cea mai mare durabilitate și gamă largă de temperaturi de funcționare. Gama de tensiune de funcționare și de la 1,6 la 2,7 V, tensiune nominală - 2,3 V. Consum specific de energie - aproximativ 100 Wh/kg. Resurse - mai mult de 15.000 de cicluri de încărcare-descărcare. Interval de temperatură și de la -30 °C la +60 °C. Are o rezistență foarte scăzută, permițând utilizarea încărcării ultra-rapide, și o auto-descărcare scăzută, aproximativ 0,02% pe zi.
Principalii indicatori ai elementelor, în funcție de compoziția chimică, se încadrează în următoarele limite:
Aproape întotdeauna, în carcasa bateriei este încorporat un controler (sau o placă PCM ( Modul de circuit de protecție englezesc )), care controlează încărcarea și protejează bateria de supraîncărcare, supradescărcare și supratemperatură, ceea ce duce la degradarea sau distrugerea prematură. . De asemenea, acest controler poate limita consumul de curent, protejează împotriva scurtcircuitelor . Cu toate acestea, rețineți că nu toate bateriile sunt protejate. Producătorii nu îl pot instala pentru a reduce costul, greutatea, iar în dispozitivele care au un controler de protecție încorporat, bateriile (de exemplu, laptopurile) folosesc baterii fără o placă de protecție încorporată [7] .
Bateriile cu litiu au cerințe speciale atunci când se conectează mai multe celule în serie . Încărcătoarele pentru astfel de baterii cu mai multe celule sau bateriile în sine sunt prevăzute cu un circuit de echilibrare a celulelor. Ideea echilibrării este că proprietățile electrice ale celulelor pot diferi ușor, iar unele celule vor ajunge la încărcare / descărcare completă înaintea altora. În același timp, este necesar să opriți încărcarea acestei celule, în timp ce încărcați în continuare restul, deoarece supradescărcarea sau supraîncărcarea bateriilor litiu-ion le dezactivează. Această funcție este realizată de un nod special - un echilibrator (sau BMS-board ( English Battery Management System ) [8] ). Deviază celula încărcată astfel încât curentul de încărcare să treacă peste ea. Echilibratoarele îndeplinesc simultan atât funcția de placă de protecție în raport cu fiecare dintre baterii, cât și bateria în ansamblu [9] [10] .
Încărcătoarele pot suporta o tensiune finală de încărcare în intervalul 4,15-4,25 V.
Există baterii litiu-ion și litiu-polimer de dimensiuni AA și AAA cu o tensiune de 1,5 V. Au nu numai un circuit de protecție, ci și un convertor electronic de tensiune încorporat ( de exemplu, convertor DC-DC ). Diferența dintre astfel de baterii este o tensiune stabilizată la contactele de 1,5 V, indiferent de tensiunea de funcționare a celulei bateriei în sine și de punerea la zero a acesteia instantanee atunci când celula cu litiu este descărcată la limita inferioară admisă și este declanșată protecția la supradescărcare. Aceste baterii pot fi confundate cu bateriile 14500 și 10440 de 3,7 V de dimensiuni similare, precum și cu bateriile cu litiu de unică folosință nereîncărcabile . Toate sunt marcate diferit.
O baterie litiu-ion este formată din electrozi (material catodic pe folie de aluminiu și material anod pe folie de cupru) separați printr-un separator poros impregnat cu electrolit. Pachetul de electrozi este plasat într-o carcasă etanșă, catozii și anozii sunt conectați la bornele colectorului de curent. Corpul este uneori echipat cu o supapă de siguranță care eliberează presiunea internă în caz de urgență sau încălcări ale condițiilor de funcționare. Bateriile litiu-ion diferă în ceea ce privește tipul de material catodic utilizat. Purtătorul de încărcare dintr-o baterie litiu-ion este un ion de litiu încărcat pozitiv, care are capacitatea de a se intercala (intercala) în rețeaua cristalină a altor materiale (de exemplu, în grafit, oxizi și săruri metalice) cu formarea unei substanțe chimice. se leagă, de exemplu: în grafit cu formarea de LiC 6 , oxizi (LiMnO 2 ) și săruri (LiMn R O N ) ale metalelor.
Inițial, litiu metalic a fost folosit ca plăci negative , apoi cocs de cărbune . Mai târziu, grafitul a început să fie folosit . Utilizarea oxizilor de cobalt permite bateriilor să funcționeze la temperaturi mult mai scăzute, crește numărul de cicluri de descărcare/încărcare a unei baterii. Răspândirea bateriilor cu litiu-fier-fosfat se datorează costului lor relativ scăzut. Bateriile litiu-ion sunt folosite într-un set cu un sistem de monitorizare și control - SKU sau BMS (sistem de management al bateriei) - și un dispozitiv special de încărcare/descărcare.
În prezent, există trei clase de materiale catodice utilizate în producția de masă a bateriilor litiu-ion:
Circuite electrochimice ale bateriilor litiu-ion:
Datorită auto-descărcării scăzute și a unui număr mare de cicluri de încărcare/descărcare, bateriile Li-ion sunt cele mai preferate pentru utilizarea în energie alternativă. Totodată, pe lângă sistemul I&C, acestea sunt echipate cu invertoare (convertoare de tensiune).
Bateriile litiu-ion utilizate în mod obișnuit sunt adesea extrem de inflamabile atunci când sunt supraîncărcate, încărcate necorespunzător sau deteriorate mecanic.
Bateriile Li-ion din prima generație au fost supuse unui efect exploziv. Acest lucru s-a explicat prin faptul că au folosit un anod din litiu metalic, pe care, în timpul multiplelor cicluri de încărcare/descărcare, au apărut formațiuni spațiale ( dendrite ), ducând la scurtcircuitul electrozilor și, ca urmare, la incendiu sau explozie. . Acest neajuns a fost în cele din urmă eliminat prin înlocuirea materialului anodului cu grafit. Procese similare au avut loc și pe catozii bateriilor litiu-ion pe bază de oxid de cobalt atunci când condițiile de funcționare au fost încălcate (reîncărcate). Bateriile cu litiu-fero-fosfat sunt complet lipsite de aceste neajunsuri.
Bateriile cu litiu prezintă ocazional o tendință de ardere spontană explozivă. [18] [19] [20] Intensitatea arderii chiar și de la bateriile miniaturale este de așa natură încât poate duce la consecințe grave. [21] Companiile aeriene și organizațiile internaționale iau măsuri pentru a limita transportul bateriilor și dispozitivelor cu litiu cu acestea în transportul aerian. [22] [23]
Arderea spontană a unei baterii cu litiu este foarte greu de stins prin mijloace tradiționale. În procesul de accelerare termică a unei baterii defecte sau deteriorate, nu are loc doar eliberarea energiei electrice stocate, ci și o serie de reacții chimice care eliberează substanțe pentru a susține arderea, gaze combustibile din electrolit [24] , și, de asemenea, în cazul electrozilor non-LiFePO4 [25] , oxigen. Prin urmare, o baterie arsă este capabilă să ardă fără acces la aer, iar mijloacele de izolare de oxigenul atmosferic nu sunt potrivite pentru stingerea acesteia. Mai mult, litiul metalic reacționează activ cu apa pentru a forma hidrogen gazos combustibil, prin urmare stingerea bateriilor cu litiu cu apă este eficientă numai pentru acele tipuri de baterii în care masa electrodului de litiu este mică. În general, stingerea unui incendiu de baterie cu litiu este ineficientă. Scopul stingerii nu poate fi decât reducerea temperaturii bateriei și prevenirea răspândirii flăcărilor [26] [27] [28] .
În mod tradițional, se credea că, spre deosebire de bateriile Ni-Cd - și Ni-MH , bateriile Li-Ion sunt complet lipsite de efectul de memorie . Conform rezultatelor cercetărilor efectuate de oamenii de știință de la Institutul Paul Scherer (Elveția) în 2013, acest efect a fost totuși descoperit, dar s-a dovedit a fi neglijabil. [29]
Motivul pentru aceasta este că baza funcționării bateriei este procesele de eliberare și recaptare a ionilor de litiu, a căror dinamică se deteriorează în cazul încărcării incomplete. [30] În timpul încărcării, ionii de litiu părăsesc unul câte unul particulele de ferofosfat de litiu, a căror dimensiune este de zeci de micrometri. Materialul catodic începe să se separe în particule cu conținut diferit de litiu. Bateria este încărcată pe fondul creșterii potențialului electrochimic. La un moment dat, își atinge limita. Acest lucru duce la o eliberare accelerată a ionilor de litiu rămași din materialul catodic, dar aceștia nu mai modifică tensiunea totală a bateriei. Dacă bateria nu este încărcată complet, atunci un anumit număr de particule aproape de starea limită va rămâne pe catod. Aproape au ajuns la bariera de eliberare a ionilor de litiu, dar nu au avut timp să o depășească. În timpul descărcării, ionii de litiu liberi tind să se întoarcă la locul lor și să se recombine cu ioni de ferofosfat. Cu toate acestea, ele sunt întâlnite și pe suprafața catodului de particulele în stare limită, care conțin deja litiu. Recapturarea devine mai dificilă și microstructura electrodului este perturbată.
În prezent, se au în vedere două modalități de rezolvare a problemei: modificări ale algoritmilor sistemului de management al bateriei și dezvoltarea catozilor cu o suprafață crescută.
Descărcarea profundă distruge complet bateria litiu-ion. De asemenea, ciclul de viață al bateriei este afectat de adâncimea descărcării acesteia înainte de următoarea încărcare și încărcare cu curenți mai mari decât cei specificati de producător. Datorită rezistenței interne scăzute a bateriei, curentul de încărcare este foarte dependent de tensiunea la bornele sale în timpul încărcării. Curentul de încărcare depinde de diferența de tensiune dintre baterie și încărcător și de rezistența atât a bateriei în sine, cât și a firelor conectate la aceasta. O creștere a tensiunii de încărcare cu 4% poate duce la o creștere a curentului de încărcare cu un factor de 10, ceea ce afectează negativ bateria, cu îndepărtarea insuficientă a căldurii, aceasta se supraîncălzi și se degradează. Ca urmare, dacă tensiunea bateriei este depășită cu doar 4%, aceasta își va pierde capacitatea de două ori mai repede de la ciclu la ciclu [31] .
Bateriile cu litiu se îmbătrânesc chiar dacă nu sunt folosite. În consecință, nu are sens să cumperi o baterie „în rezervă” sau să te lași prea purtat de „economisirea” resursei acesteia.
Condițiile optime de depozitare pentru bateriile Li-ion se realizează cu o încărcare de 40% din capacitatea bateriei și o temperatură de 0 ... 10 °C [32] .
| Temperatura, ⁰C | Cu o taxă de 40%, % pe an | Cu încărcare 100%, % pe an |
|---|---|---|
| 0 | 2 | 6 |
| 25 | patru | douăzeci |
| 40 | cincisprezece | 35 |
| 60 | 25 | 60 (40% în trei luni ) |
Ca și în cazul altor tipuri de baterii, descărcarea la temperaturi scăzute are ca rezultat o reducere a energiei, în special la temperaturi sub 0 ⁰C. Astfel, o scădere a aportului de energie de ieșire atunci când temperatura scade de la +20 ⁰C la +4 ⁰C duce la o scădere a energiei de ieșire cu ~5-7%, o scădere suplimentară a temperaturii de descărcare sub 0 ⁰C duce la o pierderea energiei de ieșire cu zeci de procente. Descărcarea bateriei la o temperatură nu mai mică decât cea specificată de producătorul bateriei nu duce la degradarea acestora (epuizarea prematură a resursei). Ca și în cazul altor tipuri de baterii, o soluție la problemă este bateriile cu încălzire internă [33] .
