Як працюють літієві батареї?

Перші дослідження

Піонерська робота з літієвих батарей розпочалася ще у 1912 році під керівництвом Г. Н. Льюїса. Лише на початку 1970-х з’явилися перші неперезаряджувані літієві батареї, що стали комерційно доступними. У 1980-х роках були зроблені спроби створити перезаряджувані акумулятори, але вони виявилися невдалими через нестабільність металевого літію, який використовувався як анодний матеріал.

Проблема металевого літію

Літій — найлегший з усіх металів, має найбільший електрохімічний потенціал і забезпечує найбільшу питому енергію на вагу. Акумуляторні батареї з металевим літієм на аноді можуть забезпечувати надзвичайно високу щільність енергії; однак у середині 1980-х років було виявлено, що циклічне розрядження призводить до утворення небажаних дендритів на аноді. Ці частинки росту проникають у сепаратор і викликають коротке замикання. Температура елемента швидко підвищується і наближається до точки плавлення літію, що призводить до теплового вибуху, також відомого як «викидання полум'я». Велика кількість акумуляторних металевих літієвих батарей, відправлених до Японії, була відкликана в 1991 році після того, як батарея в мобільному телефоні виділила палаючі гази та спричинила опіки обличчя чоловіка.

Перехід до літій-іонних систем

Властива металевому літію нестабільність, особливо під час заряджання, змусила дослідження перейти до неметалевих розчинів з використанням іонів літію. У 1991 році компанія Sony комерціалізувала перший літій-іонний акумулятор, і сьогодні цей хімічний склад став найперспективнішим і найшвидше зростаючим акумулятором на ринку. Хоча літій-іонний акумулятор має нижчу питому енергію, ніж літій-металевий, він безпечний за умови дотримання обмежень щодо напруги та струму

Роль Джона Б. Гуденафа

Заслуга у винаході літій-кобальт-оксидного акумулятора належить Джону Б. Гуденафу (1922). Кажуть, що під час розробок аспірант, який працював у Nippon Telephone & Telegraph (NTT), працював з Гуденафом у США. Невдовзі після прориву студент повернувся до Японії, взявши з собою відкриття. Потім, у 1991 році, Sony оголосила про міжнародний патент на літій-кобальт-оксидний катод. Тривали роки судових процесів, але Sony змогла зберегти патент, і Гуденаф нічого не отримав за свої зусилля. На знак визнання внеску, зробленого в розробку літій-іонних акумуляторів, Національна інженерна академія США у 2014 році присудила Гуденафу та іншим учасникам премію Чарльза Старка Дрейпера. У 2015 році Ізраїль присудив Гуденафу премію в розмірі 1 мільйона доларів, яку він передасть Техаському інституту матеріалів для сприяння дослідженням матеріалів.

Переваги літій-іонних батарей

Ключем до високої питомої енергії є висока напруга елемента 3,60 В. Удосконалення активних матеріалів та електролітів можуть ще більше підвищити щільність енергії. Характеристики навантаження хороші, а плоска крива розряду забезпечує ефективне використання накопиченої енергії в бажаному та рівному спектрі напруги 3,70–2,80 В/елемент.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

Акумулятор LiFePO4 Sacred Sun 12В 50Аг з BMS

LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

Акумулятор Sacred Sun SCIFP1250 LiFePO4 12В 50Аг

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah

Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Економічний розвиток

У 1994 році вартість виробництва літій-іонного акумулятора в циліндричній комірці 18650 становила понад 10 доларів США, а ємність становила 1100 мАг. У 2001 році ціна впала нижче 3 доларів США, тоді як ємність зросла до 1900 мАг. Сьогодні високоенергетичні елементи 18650 забезпечують ємність понад 3000 мАг, і витрати знижуються. Зниження вартості, збільшення питомої енергії та відсутність токсичних речовин проклали шлях до того, щоб зробити літій-іонний акумулятор універсально прийнятим для портативних застосувань, важкої промисловості, електричних силових агрегатів та супутників. 18650 має діаметр 18 мм та довжину 65 мм.

Літій-іонний акумулятор не потребує особливого обслуговування, що є перевагою більшості інших хімічних елементів. Акумулятор не має пам'яті та не потребує фізичних навантажень (навмисного повного розряду) для підтримки його в хорошому стані. Саморозряд менший ніж вдвічі порівняно з нікелевими системами, що допомагає в застосуванні індикаторів рівня заряду. Номінальна напруга елемента 3,60 В може безпосередньо живити мобільні телефони, планшети та цифрові камери, що спрощує роботу та знижує витрати порівняно з багатоелементними конструкціями. Недоліками є необхідність використання захисних схем для запобігання зловживанням, а також висока ціна.

Типи та матеріали

Літій-іонний акумулятор використовує катод (позитивний електрод), анод (негативний електрод) та електроліт як провідник. (Анод розрядженого акумулятора негативний, а катод позитивний. Катод виготовлений з оксиду металу, а анод — з пористого вуглецю. Під час розряду іони рухаються від анода до катода через електроліт та сепаратор; заряд змінює напрямок, і іони рухаються від катода до анода. Рисунок 1 ілюструє цей процес.

Рисунок 1: Потік іонів у літій-іонному акумуляторі.
Під час заряджання та розряджання елемента іони переміщуються між катодом (позитивний електрод) та анодом (негативний електрод). Під час розряду анод зазнає окислення або втрати електронів, а катод зазнає зменшення або посилення електронів. Заряд здійснює зворотний рух.

Літій-іонні акумулятори бувають різних типів, але всі вони мають одну спільну рису – слоган «літій-іонний». Хоча на перший погляд вони разюче схожі, ці акумулятори відрізняються за продуктивністю, а вибір активних матеріалів надає їм унікальних особливостей.

У оригінальному літій-іонному акумуляторі Sony як анод використовувався кокс (вугільний продукт). З 1997 року більшість виробників літій-іонних акумуляторів, включаючи Sony, перейшли на графіт, щоб досягти більш пологої кривої розряду. Графіт – це форма вуглецю, яка має довготривалу циклічну стабільність і використовується в графітових олівцях. Це найпоширеніший вуглецевий матеріал, за яким йдуть твердий і м’який вуглець. Нанотрубчастий вуглець ще не знайшов комерційного використання в літій-іонних акумуляторах, оскільки він має тенденцію до заплутування та впливу на продуктивність. Майбутнім матеріалом, який обіцяє покращити продуктивність літій-іонних акумуляторів, є графен.

На рисунку 2 зображено криву розряду напруги сучасного літій-іонного акумулятора з графітовим анодом та ранньої коксової версії.

Рисунок 2: Крива розряду літій-іонного акумулятора.
Акумулятор повинен мати плоску криву напруги в робочому діапазоні розряду. Сучасний графітовий анод робить це краще, ніж ранній коксовий варіант.

Удосконалення

Для покращення характеристик графітового анода було випробувано кілька добавок, зокрема сплави на основі кремнію. Для зв'язування з одним іоном літію потрібно шість атомів вуглецю (графіту); один атом кремнію може зв'язатися з чотирма іонами літію. Це означає, що кремнієвий анод теоретично може зберігати в 10 разів більше енергії, ніж графіт, але розширення анода під час заряджання є проблемою. Тому чисті силіконові аноди непрактичні, і для досягнення хорошого терміну служби до анода кремнієвого анода зазвичай додають лише 3–5 відсотків кремнію.

Використання наноструктурованого титанату літію як анодної добавки демонструє багатообіцяючий термін служби, хороші навантажувальні можливості, чудові низькотемпературні характеристики та підвищену безпеку, але питома енергія низька, а вартість висока.

Експерименти з матеріалами катода та анода дозволяють виробникам посилити внутрішні якості, але одне вдосконалення може поставити під загрозу інше. Так званий «енергетичний елемент» оптимізує питому енергію (ємність) для досягнення тривалого часу роботи, але при меншій питомій потужності; «енергетичний елемент» пропонує виняткову питому потужність, але при меншій ємності. «Гібридний елемент» є компромісом і пропонує трохи і того, і іншого.

Виробники можуть відносно легко досягти високої питомої енергії та низької вартості, додаючи нікель замість дорожчого кобальту, але це робить елемент менш стабільним. Хоча компанія-початківець може зосередитися на високій питомій енергії та низькій ціні, щоб швидко отримати визнання на ринку, безпека та довговічність не повинні бути поставлені під загрозу. Шановані виробники надають великого значення безпеці та довговічності. У таблиці 3 підсумовано переваги та обмеження літій-іонних акумуляторів.

Більшість літій-іонних акумуляторів мають схожу конструкцію, що складається з позитивного електрода (катода) з оксиду металу, нанесеного на алюмінієвий струмозбірник, негативного електрода (анода) з вуглецю/графіту, нанесеного на мідний струмозбірник, сепаратора та електроліту з літієвої солі в органічному розчиннику. У таблиці 3 підсумовано переваги та обмеження літій-іонних акумуляторів.

Переваги