Как работают литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы невероятно популярны в наши дни. Вы можете найти их в ноутбуках, КПК, сотовых телефонах и iPod. Они настолько распространены, потому что, по весу, они являются одними из самых энергоемких доступных перезаряжаемых батарей.

Литий-ионные аккумуляторы также были в последнее время в новостях. Это потому, что эти батареи могут время от времени воспламеняться. Это не очень распространено - всего две или три батареи на миллион имеют проблемы, - но когда это происходит, это экстремально. В некоторых ситуациях частота отказов может возрасти, и когда это произойдет, вы получите отзыв батареи по всему миру, который может стоить производителям миллионы долларов.

Итак, вопрос в том, что делает эти батареи такими мощными и такими популярными? Как они загораются? И есть ли что-нибудь, что вы можете сделать, чтобы предотвратить эту проблему или продлить срок службы ваших батарей? В этой статье мы ответим на эти и другие вопросы.

Литий-ионные аккумуляторы популярны, поскольку имеют ряд важных преимуществ перед конкурирующими технологиями:

Они, как правило, намного легче, чем другие типы перезаряжаемых батарей того же размера. Электроды литий-ионной батареи сделаны из легкоголитияиуглеродаЛитий также является высокореактивным элементом, что означает, что много энергии может храниться в его атомных связях. Это приводит к очень высокойплотности энергиидля литий-ионных аккумуляторов. Вот способ получить представление о плотности энергии. Типичная литий-ионная батарея может хранить 150 ватт-часов электроэнергии в 1 килограмме батареи. АккумуляторNiMH (никель-металлогидридный)может хранить примерно 100 ватт-часов на килограмм, хотя более типичным может быть от 60 до 70 ватт-часов.свинцово-кислотная батарея может хранить только 25 ватт-часов на килограмм. При использовании свинцово-кислотной технологии требуется 6 кг для хранения того же количества энергии, которое может выдержать 1-килограммовая литий-ионная батарея. Это огромная разница.
Они держат заряд. Литий-ионный аккумулятор теряет всего около 5 процентов своего заряда в месяц по сравнению с 20-процентной потерей в месяц для NiMH аккумуляторов.
У них нетэффекта памяти, что означает, что вам не нужно полностью разряжать их перед зарядкой, как в случае с некоторыми другими аккумуляторами.
Литий-ионные аккумуляторы выдерживают сотни циклов зарядки/разрядки.

Это не означает, что литий-ионные аккумуляторы безупречны. У них есть и несколько недостатков:

Они начинают портиться, как только покидают завод. Они прослужат всего два или три года с даты изготовления, независимо от того, используете вы их или нет.
Они чрезвычайно чувствительны к высоким температурам. Под воздействием тепла литий-ионные аккумуляторы разлагаются намного быстрее, чем обычно.
Если полностью разрядить литий-ионный аккумулятор, он выйдет из строя.
Литий-ионный аккумулятор должен иметь бортовой компьютер для управления аккумулятором. Это делает их еще более дорогими, чем они уже есть.
Есть небольшой шанс, что в случае отказа литий-ионного аккумулятора он загорится.

Многие из этих характеристик можно понять, взглянув на химию внутри литий-ионного элемента. Мы рассмотрим это далее.

Внутри литий-ионного аккумулятора и ячейки

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных форм и размеров, но все они выглядят примерно одинаково внутри. Если бы вы разобрали аккумулятор ноутбука (что мыНЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания аккумулятора и возгорания), вы бы обнаружили следующее:

литий-ионные элементымогут быть либо цилиндрическими батареями, которые выглядят почти идентичными элементам AA, либо они могут бытьпризматическими, которые означает, что они квадратные или прямоугольные Компьютер, состоящий из:
Один или несколькодатчиков температуры для контроля температуры батареи
Aсхема преобразователя напряжения и регулятора для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
Экранированныйразъем для ноутбука, который позволяет питанию и информации поступать и выходить из аккумуляторной батареи
Aотвод напряжения, который контролирует энергетическую емкость отдельных ячеек в аккумуляторной батарее
Aмонитор состояния заряда батареи, который представляет собой небольшой компьютер, который обрабатывает весь процесс зарядки, чтобы обеспечить максимально быструю и полную зарядку батарей.

Если во время зарядки или использования аккумулятор сильно нагревается, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться охладить его. Если вы оставите свой ноутбук в сильно нагретой машине и попытаетесь использовать его, этот компьютер может помешать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы полностью разрядятся, аккумуляторная батарея отключится, потому что элементы будут разрушены. Он также может отслеживать количество циклов зарядки/разрядки и отправлять информацию, чтобы индикатор заряда батареи ноутбука мог сообщить вам, сколько заряда осталось в батарее.

Это довольно сложный маленький компьютер, питающийся от батареек. Это энергопотребление является одной из причин, по которой литий-ионные батареи теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц, когда простаивают.

Литий-ионные аккумуляторы

Как и у большинства аккумуляторов, внешний корпус выполнен из металла. Использование металла здесь особенно важно, потому что батарея находится под давлением. В этом металлическом корпусе есть какое-то чувствительное к давлениювентиляционное отверстиеЕсли батарея когда-нибудь нагреется настолько, что рискует взорваться из-за избыточного давления, это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление. После этого батарея, вероятно, будет бесполезна, поэтому этого следует избегать. Вентиляционное отверстие там строго из соображений безопасности. Так же, как и переключательПоложительный температурный коэффициент (PTC), устройство, которое должно предохранять батарею от перегрева.

В этом металлическом корпусе находится длинная спираль, состоящая из трех спрессованных вместе тонких листов:

AПоложительный электрод
AОтрицательный электрод
Aразделитель

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит. Эфир является одним из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист пластика с микроперфорацией. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя проходить ионам.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO₂Отрицательный электрод изготовлен из углерода. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному и прикрепляются к углероду. Во время разряда ионы лития возвращаются к LiCoO_{2 из углерода.}

Движение этих ионов лития происходит при достаточно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка вырабатывает 3,7 вольта. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычного щелочного элемента типа АА, который вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные батареи более компактными в небольших устройствах, таких как мобильные телефоны. Подробную информацию о различных химических элементах батарей см. в статье «Как работают батареи».

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, а затем узнаем, почему они могут взорваться.

Срок службы и выход из строя литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы стоят дорого, поэтому, если вы хотите, чтобы ваши аккумуляторы работали дольше, следует помнить о некоторых вещах:

Литий-ионная химия предпочитаетчастичный разрядвместоглубокий разряд, поэтому лучше не разряжать аккумулятор до нуля. Так как литий-ионная химия не имеет "памяти", вы не навредите аккумулятору частичной разрядкой. Если напряжение литий-ионного элемента падает ниже определенного уровня, он выходит из строя.
Литий-ионные аккумуляторывозраст Их хватает всего на два-три года, даже если они лежат на полке неиспользованными. Так что не «избегайте использования» батареи, думая, что батарея прослужит пять лет. Это не будет. Кроме того, если вы покупаете новый аккумулятор, убедитесь, что он действительно новый. Если он пролежал на полке в магазине год, долго он не протянет. Даты изготовления важны.
Избегайте нагревания, которое разрушает батареи.

Взрывающиеся батареи

Теперь, когда мы знаем, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, давайте посмотрим, почему они могут взрываться.

Если аккумулятор нагреется настолько, что воспламенится электролит, вы получите пожар. В Интернете есть видеоклипы и фотографии, которые показывают, насколько серьезными могут быть эти пожары. Статья CBC «Лето взрывающегося ноутбука» описывает некоторые из этих инцидентов.

Пожар, подобный этому, обычно возникает из-за внутреннего короткого замыкания в аккумуляторе. Напомним из предыдущего раздела, что литий-ионные элементы содержат разделительный лист, который разделяет положительный и отрицательный электроды. Если этот лист проколот и электроды соприкоснутся, батарея очень быстро нагреется. Вы, возможно, испытали на себе, какое тепло может производить батарея, если вы когда-нибудь клали в карман обычную 9-вольтовую батарейку. Если монета замкнет на двух клеммах, батарея сильно нагреется.

При отказе сепаратора такое же короткое замыкание происходит внутри литий-ионного аккумулятора. Поскольку литий-ионные батареи очень энергоемкие, они сильно нагреваются. Тепло заставляет батарею выпускать органический растворитель, используемый в качестве электролита, и тепло (или близлежащая искра) может зажечь ее. Как только это происходит внутри одной из камер, тепло огня распространяется на другие камеры, и вся стая сгорает в огне.

Важно отметить, что пожары случаются очень редко. Тем не менее, достаточно пары возгораний и небольшого освещения в СМИ, чтобы вызвать отзыв.

Часто задаваемые вопросы о литий-ионных батареях

Как долго работают литий-ионные батареи?

Литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать сотни циклов зарядки/разрядки или от двух до трех лет.

Что такое литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионный аккумулятор - тип перезаряжаемой батареи, обычно используемый в ноутбуках и сотовых телефонах. Для создания энергии ионы лития перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду.

Сколько стоит литий-ионный аккумулятор?

По данным BloombergNEF, средняя стоимость литий-ионного аккумулятора в 2020 году упала до 137 долларов за кВтч. Для смартфона батарея стоит от 2 до 4 долларов, но для электромобиля литий-ионный аккумулятор может стоить от 2 до 4 долларов. от 7 000 до 20 000 долларов. Однако цена этих батарей снизилась примерно на 88 процентов за последнее десятилетие и продолжает снижаться..

Каковы недостатки литий-ионных аккумуляторов?

Эти батареи могут время от времени воспламеняться. Это не обычное явление - эта проблема возникает только у двух-трех упаковок на миллион. Они чрезвычайно чувствительны к высоким температурам, что может привести к их быстрой деградации. Они также начинают портиться, как только покидают завод, независимо от того, используются они или нет.

Есть ли аккумулятор лучше литий-ионного?

В настоящее время ничто не сравнится с ионно-литиевой батареей. По сравнению с другими сотовыми технологиями он имеет более высокую плотность энергии, больше циклов работы от батареи, более высокую скорость зарядки и более безопасен в использовании.