Литий-ионный аккумулятор
-
История и развитие литий-ионных аккумуляторов
- Литий-ионные аккумуляторы используют обратимую интеркаляцию ионов Li+ в твердые частицы для накопления энергии.
- Изобретение и коммерциализация литий-ионных аккумуляторов оказали значительное влияние на технологии и общество.
- В 1991 году Sony начала производить первые перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы.
-
Типы и свойства литий-ионных аккумуляторов
- Существует по меньшей мере 12 типов литий-ионных аккумуляторов.
- Литий-ионные аккумуляторы характеризуются высокой удельной энергией, плотностью энергии, энергоэффективностью и длительным сроком службы.
- Объемная плотность энергии увеличилась в три раза за последние 30 лет, а стоимость снизилась в десять раз.
-
Применение и безопасность
- Литий-ионные аккумуляторы используются в портативной электронике, электромобилях, сетевых системах хранения энергии и военных целях.
- Литий-ионные аккумуляторы могут представлять угрозу безопасности из-за легковоспламеняющихся электролитов.
- Ведутся исследования по разработке безопасных литий-ионных аккумуляторов и альтернативных материалов.
-
Экологические и технологические проблемы
- Неправильно переработанные аккумуляторы могут привести к токсичным отходам и возгоранию.
- Литий и другие минералы, используемые в аккумуляторах, сталкиваются с проблемами при извлечении и утилизации.
- Ведутся исследования по повышению эффективности использования минеральных веществ и поиску альтернатив.
-
Современные разработки и достижения
- В 2023 году CATL начала производство батареи из полутвердого конденсированного вещества с рекордной плотностью энергии.
- Разрабатываются проточные аккумуляторы с твердыми веществами, ориентированные на окислительно-восстановительные процессы.
- Ведутся исследования по продлению срока службы, повышению плотности энергии и безопасности литий-ионных аккумуляторов.
-
Конструкция литий-ионного аккумулятора
- Электролит представляет собой соль лития в органическом растворителе.
- Отрицательный электрод (анод) и положительный электрод (катод) защищены разделителем.
- Электроды подключены к питающей цепи через токоприемники.
-
Электрохимические процессы
- Отрицательный и положительный электроды меняются ролями при заряде.
- LiC6 теоретическая емкость графита составляет 1339 кулонов на грамм.
- Положительный электрод обычно состоит из оксида лития-кобальта, полианиона или шпинели.
-
Электролит и материалы
- Неводный электролит обычно представляет собой смесь органических карбонатов.
- Гексафторфосфат лития используется как соль электролита.
- Медь используется как токоприемник на отрицательном электроде.
-
Электрохимия и реакции
- Реагентами являются материалы электродов, содержащие атомы лития.
- Во время разряда электроны перетекают от анода к катоду.
- Во время зарядки электроны перемещаются от положительного электрода к отрицательному.
-
Зарядка и разрядка
- Во время разряда ионы лития переносят ток через электролит.
- Во время зарядки внешний источник подает избыточное напряжение.
- Потери энергии могут достигать 20% из-за контактного сопротивления.
-
Процедуры зарядки
- Один литий-ионный элемент заряжается в два этапа: постоянный ток и постоянное напряжение.
- Литий-ионный аккумулятор заряжается в три этапа: постоянный ток, баланс, постоянное напряжение.
- Балансировка происходит на этапе зарядки при постоянном напряжении.
-
Балансировка и зарядка
- Балансировка может длиться часами или днями в зависимости от дисбаланса.
- Зарядное устройство подает напряжение, равное максимальному напряжению элемента, по мере снижения тока.
- Максимальная зарядка рекомендуется при снижении напряжения ниже 4,05 В на элемент.
-
Температурные ограничения
- Литий-ионные аккумуляторы хорошо работают при повышенных температурах, но длительное воздействие тепла сокращает срок службы.
- Зарядку следует выполнять в диапазоне температур от 5 до 45 °C.
- При температуре от 0 до 5 °C ток заряда следует уменьшить.
-
Саморазряд
- Уровень саморазряда литий-ионных аккумуляторов составляет 1,5-2% в месяц.
- Скорость саморазряда увеличивается с возрастом батарей.
-
Катодные материалы
- Слоистые оксиды (LiCoO2, LiNiO2) имеют высокую теоретическую удельную зарядную способность, но высокую стоимость.
- Кубические оксиды (LiMn2O4) имеют низкую стоимость, но нестабильны.
- Оксоанионные соединения (LiFePO4) обладают высокой стабильностью и безопасностью, но низкой электронной проводимостью.
-
Анодные материалы
- Материалы отрицательных электродов традиционно изготавливаются из графита и других углеродных материалов.
- Новые материалы на основе кремния также используются.
-
Материалы для литий-ионных аккумуляторов
- 89% аккумуляторов содержат графит, 7% — аморфный углерод, 2% — титанат лития, 2% — кремний или олово
- Графит доминирует из-за низкого напряжения интеркаляции и хороших эксплуатационных характеристик
- Альтернативные материалы имеют более высокую емкость, но более высокое напряжение
-
Кремниевые аноды
- Кремний может вмещать больше ионов лития, но приводит к значительному увеличению объема
- Кремниевые аноды требуют защитного слоя для стабильности
- Кремний может образовывать трещины, что ухудшает емкость и стабильность
-
Высокоэнтропийные материалы
- Разрабатываются материалы на основе оксидов металлов, такие как Zn, Co, Cu, MgO
- Эти материалы выполняют различные функции, обеспечивая высокую емкость и стабильность
-
Электролиты
- Жидкие электролиты состоят из солей лития и органических растворителей
- Органические растворители разлагаются при зарядке, образуя твердый слой (SEI)
- Композитные электролиты на основе POE обеспечивают стабильную поверхность раздела
- Твердые керамические электролиты не имеют риска протечек и обладают высокой электропроводностью
-
Форматы и ячейки
- Литий-ионные аккумуляторы могут иметь многоуровневую структуру
- Ячейки выпускаются в различных форм-факторах: цилиндрические, плоские, жесткие пластиковые
- Цилиндрические ячейки имеют высокую скорость производства, но большой радиальный градиент температуры
- Ячейки-мешочки обеспечивают высокую плотность энергии, но требуют герметизации
-
Проточные аккумуляторы
- Проточные аккумуляторы суспендируют материал катода или анода в водном или органическом растворе
-
История и размеры литий-ионных аккумуляторов
- Самый маленький литий-ионный аккумулятор был изготовлен компанией Panasonic в 2014 году.
- Для ячеек LiCoO2 доступен форм-фактор coin.
-
Компоненты и безопасность
- Аккумуляторы могут быть оснащены датчиками температуры, системами обогрева/охлаждения и другими компонентами для безопасности.
-
Применение и характеристики
- Литий-ионные аккумуляторы используются в бытовой электронике, игрушках, электроинструментах и электромобилях.
- Они также обсуждаются как потенциальный вариант для хранения энергии в сети, но пока не конкурентоспособны по стоимости.
-
Напряжение и внутреннее сопротивление
- Напряжение разомкнутой цепи выше, чем у аккумуляторов на водной основе.
- Внутреннее сопротивление увеличивается с возрастом и при циклическом использовании.
-
Зарядка и производительность
- Зарядка выполняется при постоянном напряжении с помощью схемы ограничения тока.
- Современные аккумуляторы могут быть полностью заряжены за 45 минут или меньше.
- Производительность улучшалась с течением времени, например, с 1991 по 2018 год цены упали на 97%, а плотность энергии увеличилась втрое.
-
Эффективность и срок службы
- Эффективность в обоих направлениях зависит от температуры и состояния заряда.
- Срок службы определяется количеством циклов зарядки-разрядки до достижения порога отказа.
- На срок службы влияют температура, ток разряда, зарядный ток и состояние заряда.
-
Деградация и механизмы
- Деградация зависит от температуры, уровня заряда и частоты перезарядки.
- Основные механизмы деградации включают уменьшение содержания органического карбонатного электролита, нанесение металлического литиевого покрытия и потерю электроактивных материалов.
-
Исследования и будущее
- Исследования старения литий-ионных аккумуляторов проводились при повышенных температурах.
- Будущие разработки направлены на улучшение плотности энергии и снижение стоимости.
-
Условия хранения и деградация
- Полностью заряженные никель-кобальт-алюминиевые и литий-железо-фосфатные элементы теряют около 20% заряда за 1-2 года.
- Катоды на основе марганца ускоряют разложение на 20-50%.
- Литий-ионные аккумуляторы теряют около 20% заряда за 3-5 лет при 25°C.
-
Механизмы деградации
- Образование слоя SEI на аноде из оксида лития, фторида лития и полукарбонатов.
- Разложение электролита при повышенных температурах, образование газов и повышение внутреннего давления.
- Осаждение металлического лития на анодах при низких температурах.
-
Гидролиз и термическое разложение
- Гидролиз LiPF6 приводит к образованию LiF и HF, что увеличивает толщину пленки SEI.
- Термическое разложение солей электролита и взаимодействие между солями и растворителем при высоких температурах.
-
Литиевое покрытие и дендриты
- Литиевое покрытие образуется при низких температурах, перезаряде и высокой скорости зарядки.
- Дендриты могут вызывать короткое замыкание и тепловой выброс.
-
Рекомендации и безопасность
- Стандарт IEEE 1188-1996 рекомендует заменять аккумуляторы при потере 80% заряда.
- Литий-ионные аккумуляторы могут представлять угрозу безопасности из-за легковоспламеняющегося электролита и возможности взрыва.
- Производители используют устройства прерывания тока и устройства с положительным температурным коэффициентом для предотвращения взрывов.
-
Риски и опасности литий-ионных аккумуляторов
- Перегрузка, внешнее короткое замыкание, механическое повреждение и внутреннее короткое замыкание могут привести к возгоранию.
- Неисправные зарядные устройства и зарядка при низких температурах также опасны.
- Дым от перегрева литий-ионных аккумуляторов огнеопасен и токсичен.
-
История и примеры инцидентов
- В 2016 году Samsung отозвал устройства из-за возгорания батареи.
- В 2023 году на швейцарских предприятиях по переработке отходов произошло 12 пожаров.
- В 2006 году было отозвано около 10 миллионов аккумуляторов Sony из-за внутреннего загрязнения.
-
Меры безопасности и исследования
- Литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющийся электролит.
- Проводятся исследования по разработке негорючих электролитов.
- В каждой камере требуются дополнительные средства безопасности, такие как отключающий сепаратор и вентиляция.
-
Экологические последствия
- Добыча лития, никеля и кобальта загрязняет воду и окружающую среду.
- Производство литий-ионных аккумуляторов требует значительных энергетических затрат.
- Эффективная переработка отходов может снизить выбросы углекислого газа.
-
Переработка литий-ионных аккумуляторов
- Элементы аккумуляторов, включая железо, медь, никель и кобальт, безопасны для мусоросжигательных заводов и свалок.
- Переработка аккумуляторов может быть экономически выгодной, но добыча полезных ископаемых обычно дешевле.
- В 2019 году перерабатывалось менее 5% аккумуляторов.
-
Методы переработки
- Пирометаллургическое восстановление: высокотемпературная печь для получения сплава Co, Cu, Fe и Ni.
- Гидрометаллургическая утилизация: использование водных растворов для удаления металлов.
- Прямая переработка: извлечение катода или анода и повторное использование.
- Разделение физических материалов: механическое дробление и сортировка компонентов.
- Биологическая утилизация: использование микроорганизмов для расщепления оксидов металлов.
-
Проблемы и риски
- Накопление отходов аккумуляторов создает технические проблемы и опасность для здоровья.
- Хранение аккумуляторов сопряжено с рисками из-за их реактивности.
- Добыча сырья для аккумуляторов может представлять опасность для местного населения.
-
Исследования и перспективы
- Исследователи работают над улучшением характеристик аккумуляторов.
- Полностью твердотельные аккумуляторы рассматриваются как перспективные аккумуляторы следующего поколения.