Как устроен литиевый аккумулятор?

13 мая 2021 г.

Появление аккумуляторных батарей (АКБ), построенных на электрохимических свойствах ионов лития, стало переворотом в технике запасания электроэнергии, особенно для мобильного применения. Это электронные гаджеты, ноутбуки и электротранспорт. Только с литий-ионными возобновляемыми источниками питания они смогли стать реально массовыми и доступными.

Базовая ячейка литий-ионной АКБ

В АКБ электропитания используется набор одиночных элементов, соединяемых последовательно и параллельно для увеличения рабочего тока, напряжения и ёмкости. То есть каждая ячейка – это аккумулятор, но ещё не батарея.

В состав элемента входят:

• корпус с выводами для подключения;
• электроды – анод и катод с подложками и нанесённой на них активной массой;
• электролит;
• разделители (сепараторы).

Активное вещество на аноде и катоде имеет разный состав, в зависимости от конкретного типа электрохимических реакций и применяемой оптимизации параметров изделия.

Основные параметры и виды Li-ion накопителей

Химический состав активного вещества постоянно модернизировался. В зависимости от предпочтения тех или иных свойств конечного изделия, а также по мере совершенствования технологий, появлялись и в настоящее время производятся различные типы литий-ионных элементов:

1. литий-кобальтовые ICR, хороши по электрическим характеристикам, но небезопасные;
2. литий-марганцевые с никелем NMC, они же гибридные, хороший компромисс во всём, наиболее распространены;
3. литий-феррофосфатные IFR, перспективный тип с хорошими электрическими свойствами;
4. литий-полимерные, использующие особый электролит, более безопасные.

Существует и много иных технологий, идеальный литиевый аккумулятор пока не создан, развитие продолжается. Совершенствуются батареи в направлении улучшения главных характеристик:

• удельная ёмкость, пока она определяется базовым значением 200 Ватт-часов на килограмм массы;
• рабочий диапазон температур, особенно морозостойкость;
• способность отдавать значительные токи;
• ресурс по сроку службы и количеству циклов;
• характеристики саморазряда при хранении;
• допустимая скорость принятия заряда.

С непрерывным ростом ёмкости батарей важным параметром становится также разброс характеристик отдельных элементов, высокая точность снижает требования к управляющей электронике.

Варианты конструктивного исполнения батарей

Проблему составляет необходимость последовательно-параллельного подключения большого количества элементов. Ставший классическим аккумулятор автомобилей Tesla содержит тысячи ячеек, объединённых в модули. Используются цилиндрические, призматические и плоские конструктивы отдельных элементов, единого предпочтения нет даже у одного производителя.

Состав батареи должен включать в себя:

• блоки элементов;
• корпус, объединяющий несколько блоков (модулей);
• разводку шин питания большого сечения;
• предохранительные вставки;
• управляющую и выравнивающую электронику BMS;
• системы подогрева и охлаждения.

В итоге АКБ становится функционально законченной конструкцией, интегрированной в систему электропитания мобильного или стационарного объекта.

Достоинства и недостатки

Li-ion батареи по комплексу своих характеристик, таких как плотность упаковки энергии, срок службы и перспективность направления, пока не превзойдены. Они с огромной скоростью захватили мир источников питания и продолжают развиваться.

Из недостатков можно отметить сохраняющуюся пожароопасность, высокую цену и температурные ограничения по скорости зарядки. Каждый из минусов может быть преодолён, но пока только в рамках отдельных технологических типов. Можно не сомневаться, что идеальная литиевая батарея появится очень скоро, научно-исследовательские предпосылки уже к тому имеются.