Li-ion батерии
Първите експерименти с литиеви батерии датират от 1912 г., но първите масово произвеждани литиеви батерии се появяват през 70-те години, те не са презареждаеми.
В средата на 80-те години се появяват серийни литиеви батерии, но използването им е ограничено поради висока експлозивност - при циклиране върху литиев анод се образуват литиеви дендритни кристали, които растат към катода и провокират вътреклетъчно късо съединение и експлозия поради прегряване, което предизвиква химическа реакция между литий и органичен електролит. От 1991 г. започна търговската употреба на литиево-йонни батерии, произведени от Sony. Тези батерии използват литиев кобалтат (LiCoO 2) и кокс като електроден материал. Електролитът е разтвор на литиева сол в органичен разтворител. При условията на разреждане / зареждане тези елементи са достатъчно безопасни по отношение на експлозия, което гарантира техния търговски успех. В края на 90-те - началото на 2000-те се появиха много нови играчи на пазара на литиево-йонни батерии - започнаха да се произвеждат батерии на базата на литиеви кобалтати върху графитни електроди, появиха се батерии на базата на по-евтина химия - LiNiO 2, LiMnO 2, LiMn 2O 4, LiFePO 4. Появиха се и батерии с полимерен електролит за използване в миниатюрна електроника . В момента литиево-йонни батерии, базирани на нови химически и структурни компоненти, се появяват на всеки шест месеца. Възможностите за подобряване на батериите, базирани на литий, далеч не са изчерпани, което вдъхва надежда, че в най-близко бъдеще на пазара ще се появят все по-големи, по-безопасни и по-евтини батерии.
Предимства и недостатъци
Обмислипредимства и недостатъци на литиево-йонните батерии и акумулаторните батерии на тяхна основа.
Ползи
- най-високата енергийна плътност от всички видове батерии - както обемни, така и тегловни
- захранващото напрежение на клетката е 3,6V, което е 3 пъти по-високо от това на NiMH и NiCd батерии и почти 2 пъти по-високо от това на оловно-киселинните батерии
- бърз процес на зареждане на батерията - до 90% капацитет за 30-40 минути
- висок ресурс - над 1000 цикъла на разреждане/зареждане (в лабораторни условия)
- ниска скорост на саморазреждане - до 5% на месец
- екологичност - може да се изхвърля без предварителна обработка
- възможността от експлозия, ако батерията е механично повредена или презаредена (възможността от експлозия при съвременните батерии е драстично намалена)
- сравнително бързо стареене на батерията - повечето батерии се разграждат драстично, когато се съхраняват или използват повече от 5 години
- батериите изискват сложна система за управление на батерията
- висока цена, но китайските производители работят усилено върху този параметър
Как да удължите живота на батерията
Изминаха повече от 17 години от началото на масовото производство на литиево-йонни батерии през 1991 г. от Sony, но много процеси в литиево-йонните батерии все още са слабо разбрани. В тази статия можете да се докоснете до онези зрънца знания за удължаване живота на литиево-йонните батерии, които са натрупани през годините.
Материалът в статията е представен под формата на подбор на отделни факти, свързани с живота и условията на трудлитиево-йонни батерии. Тази компилация от факти ще ви позволи експертно да определите стратегията за запазване на живота на литиево-йонна батерия, в зависимост от областта на използване в следващата статия от цикъла. Литиево-йонните батерии страдат повече от „стареене“ (деградация с течение на времето), отколкото от цикъл. Това означава, че повечето батерии не могат да издържат повече от 5 години при нормални условия на работа (оптимистична прогноза). Моралът е следният - ако купувате литиево-йонна батерия, внимавайте за датата на производство - ако е на шест месеца, ще загубите 10% от обявения живот.
Стареенето на батерията се ускорява от работа или съхранение при горещи условия - вижте таблицата за литиево-кобалтови батерии (резултатите са малко по-добри за литиево-манганови и литиево-железни батерии).
Правила за работа
Правилно използване на батериите за лаптоп
Батерията на лаптопа съдържа пълна система за управление, която често позволява на потребителя да забрави дали използва батерията правилно. Има обаче няколко неща, които трябва да имате предвид, когато работите с лаптоп. При свързване за първи път батерията на лаптопа трябва да е напълно заредена и след това системата за управление трябва да се калибрира. Калибрирането се извършва чрез пълно разреждане на батерията при постоянно натоварване (трябва да влезете в настройките на BIOS и да оставите лаптопа да работи, когато е изключен от мрежата, докато не бъде изключен, много настройки на BIOS имат специален елемент за калибриране, предназначен да изпълнява тази задача). Не забравяйте да заредите батерията на вашия лаптоп веднага след като е напълно разредена. Калибрирането на батерията на лаптопа обикновено се прави веднъж на всеки 1-3 месеца, за да се избегнеефектът на "цифровата памет" - в процеса на работа на батерията постепенно се натрупват грешки при определяне на остатъчния капацитет, което намалява живота на батерията на лаптопа. За някои модели лаптопи има помощни програми на производителя за задаване на нивото на разреждане на батерията, при което започва зареждането. Ако батерията на лаптопа служи като непрекъсваемо захранване (работата е неподвижна с мрежово захранване), тогава настройването на допустимото ниво на разреждане на 40% и поддържането на батерията в полуразредено състояние ще удължи живота на батерията два пъти. Някои лаптопи се доставят с допълнителна батерия. Ако не го използвате дълго време, има смисъл да разредите допълнителната батерия до 40%, да я опаковате в найлонов плик с вакуумно заключване и да оставите плика в камерата на хладилника при температура 3-4°C.
Вътрешните части на литиево-йонна батерия
Време е да се потопите в дълбините на химията на литиево-йонните батерии.
Опитите за създаване на вторични химически източници на ток датират от двадесетте години на миналия век. Изследователите бяха привлечени от високия теоретичен капацитет на такива батерии.
Пречка за литиевата батерия беше високата реактивност на лития. Дори през 80-те години на миналия век индустриалните литиеви батерии бяха силно експлозивни и запалими продукти със среден цикъл на живот от 50 цикъла. Основната причина за повредата на литиевите батерии е нарастването на литиевите дендрити, образувани по време на циклиране, към електрод с противоположен знак, което води до късо съединение вътре в клетката и бързо нагряване. В същото време литият реагира бурно с органичен електролит, което често води до експлозия.
Напредък в областтаелектрониката увеличи необходимостта от обемни и леки акумулаторни източници на енергия и също така създаде предпоставки за появата на системи за управление на батерии (BMS). През 1992 г. Sony Corporation представи на света нова визия за базираната на литий батерия.
В по-новите батерии металният литий е заменен с по-безопасна йонна форма. За да се гарантира безопасността, батериите бяха оборудвани с BMS система (мониторингът на режимите на зареждане и разреждане позволи драстично да се намали рискът от поява на метален литий в батерията - основният виновник за опасността от експлозия на литиево-йонна батерия).
Първата литиево-йонна батерия имаше положителен електрод на базата на литиев кобалтат, отрицателен електрод на базата на въглерод (Sony използва кокс, материал, получен от термичната обработка на въглища) и електролит на базата на литиев хексафлуорофосфид, разтворен в органичен разтворител.
Тъй като Sony се забави с споделянето на патента върху новите си батерии, други производители намериха изход чрез прилагане на нови електродни химикали и промяна на свойствата на електролита.
Първите модификации засегнаха структурата на отрицателния електрод - коксът беше заменен от графит с различни размери на зърната. Въпреки това, химиците на Sony бяха толкова успешни в използването на евтин кокс с отлична производителност, че други производители на подобни батерии с графитни електроди имаха дълъг път, за да намерят правилната структура на графитен прах, която осигурява същата производителност при работа.
Тъй като литиево-кобалтовият положителен електрод вече беше патентован от Sony, очите на изследователите се насочиха към алтернативни варианти - електродите бяха създадени на базата на литиево-манганов, литиево-железен фосфат и много други.химични съставки.
Много от новите електроди се показаха от най-добрата си страна и се оказаха търсени на пазара. В момента най-широко използваните литиево-манганови, литиево-кобалтови и литиево-железни фосфатни литиево-йонни батерии.
Използвайки чудесната безплатна програма за 3D моделиране Blender, успях схематично да представя кристалните решетки на различни варианти за положителните електроди на литиево-йонните батерии.
Както можете да видите, литиево-кобалтовата кристална решетка се характеризира с подреждането на литиевите йони в слоеве. Тази подредба предвижда доста добри характеристики на разреждане на батерията, но стабилността на такава кристална решетка е сравнително ниска, така че литиево-кобалтовите батерии не понасят добре разряди с висок ток.
Литиево-мангановите батерии се характеризират с "триизмерно" разположение на литиеви йони в кристалната решетка на положителния електрод. Това разположение води до добра толерантност към високи разрядни токове и доста добра стабилност на електрода по време на работа.
Положителните електроди от литиево-железен фосфат са много стабилни - което много ясно се вижда в здравата кристална решетка с "канали" за литиеви йони. Този факт обаче рязко ограничава мобилността на литиевите йони и такива електроди се използват сравнително наскоро - след като производителите успяха да създадат електроди, сглобени от частици литиево-железен фосфат с размери стотици нанометри (размерът на частиците е сто пъти по-малък от този на "3D" литиево-мангановите батерии, следователно общата площ е четири порядъкапо-горе и този факт драстично подобрява характеристиките на литиево-железния фосфат).
След като придобиха модния сега префикс "нано-" към името си, литиево-железните фосфатни батерии се оказаха едни от най-обещаващите за по-нататъшно използване в мощни устройства (те дори могат да се използват като стартерни батерии за автомобили).
В допълнение към материала за отрицателния електрод, производителите са се научили да използват полимерен материал с включвания на гелообразен литиево-проводим пълнител като електролит. Такива литиево-йонни полимерни батерии вече са станали стандарт за миниатюрни устройства.
Развитието в областта на полимерните електролити направи възможно създаването на твърд електролит, който провежда литиеви йони чрез йонообменния механизъм вътре в електролитната матрица. Такъв електролит направи възможно връщането към живот на изтощени батерии с литиево-метални електроди.
Твърдият електролит създава повърхност в точката на контакт с металния литий, която предотвратява образуването на литиеви дендрити по време на цикъл, което прави възможно да се забрави за основния проблем, водещ до пожар и експлозия на литиевите батерии.
Колкото и да не искам да завършвам статията, все още има тема за отрицателен електрод в литиево-йонна батерия. В момента има разработки на базата на литиев титанат (с модния префикс "нано-"). Комбинацията от тези електроди с положителни електроди от литиево-железен фосфат обещава драстично увеличаване на живота и безопасността на литиево-йонните батерии.