Литиево-ионные аккумуляторы
Литий является самым легким металлом, в то же время он обладает и сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением и значительной емкостью. Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены G. N. Lewis в 1912 году. Однако только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались в 1980-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними.
В результате исследований, проведенных в 1980-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом на поверхности лития формируются дендриты. Прорастание дендрита до положительного электрода и возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока является причиной выхода элемента из строя. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв.
Исследования в области создания безопасного источника тока на основе лития привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития на внедрение лития в уголь и оксиды переходных металлов. Наиболее популярными материалами для создания литиево-ионных аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид. В таком источнике тока в ходе заряда-разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и наоборот.
Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда-разряда. В 1991 году фирма Sony начала коммерческое производство литиево-ионных аккумуляторов и в настоящее время является самым крупным поставщиком данных изделий. Удельные характеристики литиево-ионных аккумуляторов по крайней мере вдвое превышают аналогичные показатели никель-кадмиевых аккумуляторов и хорошо характеризуют себя при работе на больших токах. Литиево-ионные аккумуляторы имеют достаточно низкий саморазряд, не более 5 процентов в месяц.
Для обеспечения безопасности и долговечности каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда, должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей возможность образования металлического лития на поверхности электродов в ходе эксплуатации, что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям, практически устранена.
По материалу отрицательного электрода литиево-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа, с отрицательным электродом на основе кокса, что характерно для изделий Sony, и на основе графита, чего придерживается большинство других изготовителей. Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом.
Поэтому в целях получения максимально возможной емкости конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым отрицательным электродом обычно устанавливают ниже по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом. Кроме того, аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с коксовым отрицательным электродом.
Напряжение окончания разряда для аккумуляторов с графитовым отрицательным электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств. Производители непрерывно совершенствуют технологию литиево-ионных аккумуляторов. Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литиево-ионных аккумуляторов как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем. Литиево-ионные аккумуляторы являются наиболее дорогими из доступных сегодня на рынке.
Однако совершенствование технологии производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материал может привести к уменьшению их стоимости на 50 процентов в течение ближайших нескольких лет. Продолжается развитие и других литиево-ионных технологий. Так, согласно данным Fujifilm, разработанный этой фирмой аморфный композиционный окисный материал на основе олова для отрицательного электрода способен обеспечить в 1,5 раза более высокую электрическую емкость по сравнению с аккумуляторами со стандартным углеродным электродом. Дополнительные возможные преимущества аккумуляторов с этим материалом заключаются в большей безопасности, более быстром заряде, хороших разрядных характеристиках и высокой эффективности при низкой температуре.
Владимир ДАНИЛОВ
В результате исследований, проведенных в 1980-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом на поверхности лития формируются дендриты. Прорастание дендрита до положительного электрода и возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока является причиной выхода элемента из строя. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв.
Исследования в области создания безопасного источника тока на основе лития привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития на внедрение лития в уголь и оксиды переходных металлов. Наиболее популярными материалами для создания литиево-ионных аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид. В таком источнике тока в ходе заряда-разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и наоборот.
Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда-разряда. В 1991 году фирма Sony начала коммерческое производство литиево-ионных аккумуляторов и в настоящее время является самым крупным поставщиком данных изделий. Удельные характеристики литиево-ионных аккумуляторов по крайней мере вдвое превышают аналогичные показатели никель-кадмиевых аккумуляторов и хорошо характеризуют себя при работе на больших токах. Литиево-ионные аккумуляторы имеют достаточно низкий саморазряд, не более 5 процентов в месяц.
Для обеспечения безопасности и долговечности каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда, должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей возможность образования металлического лития на поверхности электродов в ходе эксплуатации, что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям, практически устранена.
По материалу отрицательного электрода литиево-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа, с отрицательным электродом на основе кокса, что характерно для изделий Sony, и на основе графита, чего придерживается большинство других изготовителей. Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом.
Поэтому в целях получения максимально возможной емкости конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым отрицательным электродом обычно устанавливают ниже по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом. Кроме того, аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с коксовым отрицательным электродом.
Напряжение окончания разряда для аккумуляторов с графитовым отрицательным электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств. Производители непрерывно совершенствуют технологию литиево-ионных аккумуляторов. Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литиево-ионных аккумуляторов как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем. Литиево-ионные аккумуляторы являются наиболее дорогими из доступных сегодня на рынке.
Однако совершенствование технологии производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материал может привести к уменьшению их стоимости на 50 процентов в течение ближайших нескольких лет. Продолжается развитие и других литиево-ионных технологий. Так, согласно данным Fujifilm, разработанный этой фирмой аморфный композиционный окисный материал на основе олова для отрицательного электрода способен обеспечить в 1,5 раза более высокую электрическую емкость по сравнению с аккумуляторами со стандартным углеродным электродом. Дополнительные возможные преимущества аккумуляторов с этим материалом заключаются в большей безопасности, более быстром заряде, хороших разрядных характеристиках и высокой эффективности при низкой температуре.
Владимир ДАНИЛОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 42 за 2009 год в рубрике обор. и инстр.
