Аккумуляторы использовались для хранения энергии с незапамятных времен, от багдадской батареи, которая датируется 250 годом до нашей эры, до более новых технологий, таких как водородный топливный элемент, который просто дает воду в качестве побочного продукта, батареи прошли долгий путь. Группа ячеек (аккумуляторов), соединенных вместе, называется батареей.

Аккумуляторы рекламируются как будущее хранения энергии для электромобилей. Даже первые автомобили, выпущенные в 1842 году, работали от аккумуляторов, что почти за 2 десятилетия до изобретения автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, но недостаточный запас хода и медленная скорость зарядки привели к упадку электромобилей в 20 веке. Растущая обеспокоенность состоянием окружающей среды из-за изменения климата заставила нас перейти на возобновляемые источники энергии и принять системы хранения энергии на основе аккумуляторов, а исследования и разработки технологий аккумуляторов стали активно финансироваться во всем мире.

Сейчас во многих странах мира более четверти общего загрязнения окружающей среды вызвано автомобилями. До настоящего времени внедрение электромобилей не могло набрать обороты из-за беспокойства о запасе хода, цены, отсутствия инфраструктуры и отсутствия выбора. Но исследования и разработки в области литий-ионных аккумуляторов  в последние годы проложили путь для электромобилей по всему миру. Ранее мы обсуждали основы аккумуляторов для электромобилей в целом. В этой статье мы узнаем о различных литий-ионных химических составах, их преимуществах и недостатках и сравним их с несколькими другими перезаряжаемыми аккумуляторами. Вы также можете ознакомиться со статьей о различных типах аккумуляторов, если хотите узнать больше об аккумуляторах в целом. 

Первичные и вторичные элементы питания

Первичные элементы — это одноразовые, неперезаряжаемые элементы, те, которые мы используем в пультах дистанционного управления телевизорами, настенных часах и т. д. Они значительно дешевле, при этом имеют высокую плотность энергии, что означает, что они меньше, меньше весят и более экономичны. Это делает их идеальным выбором для приложений, требующих меньшего количества энергии, поскольку это помогает снизить стоимость и вес конечного продукта.

Вторичные элементы — это устройства для хранения энергии, которые можно использовать многократно. Они могут выполнять обратимые реакции элементов, которые позволяют им перезаряжаться, просто меняя направление тока. Хотя они и дороже первичных элементов, их можно использовать многократно, что делает их лучшим выбором для приложений по хранению энергии, требующих постоянного пополнения энергии, таких как мобильные телефоны, смарт-часы, электромобили или большие системы хранения энергии на основе аккумуляторов для домов или дискотек и т. д.

На рынке доступно множество различных типов вторичных элементов, есть несколько вариантов литий-ионных элементов, никелевых элементов, свинцово-кислотных батарей, водородных топливных элементов и т. д., все эти батареи имеют свои плюсы и минусы. В этой статье мы сосредоточимся только на различных химических составах литий-ионных батарей.

Литий-ионный элемент

Литий-ионные элементы — это перезаряжаемые элементы, они используют литий в качестве одного из ключевых компонентов в конструкции элемента. Разработка литий-ионных элементов началась в начале 70-х годов, и их прогресс и потенциал для разработки систем хранения энергии, сделавших принятие электромобилей реальностью, позволили их изобретателям получить Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Это перезаряжаемые элементы, обычно используемые в портативной электронике, вплоть до чего-то большого, для хранения энергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии. В настоящее время проводится огромное количество исследований в области литий-ионных аккумуляторов, которые приведут к резкому увеличению емкости этих аккумуляторов в ближайшем будущем. За последние 3 десятилетия стоимость аккумулятора снизилась на 97%, а с последнего десятилетия она упала на 88%. 

Компоненты литий-ионного аккумулятора

Как и любой другой элемент, литий-ионные элементы также состоят из различных компонентов. Эти внутренние компоненты помогают формировать особенности и другие характеристики литий-ионного элемента. Литий-ионный элемент имеет 4 основных компонента: катод, анод, электролит и сепаратор (разделитель). На изображении ниже показаны различные компоненты литий-ионного элемента.

Катод:

Материал, используемый в катоде, определяет емкость и напряжение литий-ионного аккумулятора. Этот материал называется активным материалом. Активный материал играет решающую роль в химической реакции в аккумуляторе, которая вызывает ток. Емкость ячейки зависит от размера активного материала на катоде, т.е. для большей емкости ячейки нам нужны большие катоды. Между тем, напряжение катода зависит от элемента, используемого в качестве катода. 

Номенклатура батареи обычно зависит от катода, например, литий-ионная батарея имеет катод, состоящий из лития. Но поскольку литий является высокореактивным и нестабильным, что затрудняет его непосредственное удержание и использование, поэтому в качестве катода используется комбинация лития и кислорода. 

Анод:

Подобно катоду, анод — это другой электрод, который также покрыт активным материалом. Это отрицательный электрод, и его свойство определяет скорость заряда и разряда батареи. Мы стараемся максимально увеличить площадь поверхности анода, которая влияет на скорость протекания электрического тока через внешнюю цепь, что приводит к более высокой скорости поглощения или испускания ионов лития, высвобождаемых из катода. Анод сохраняет ионы лития во время цикла заряда батареи. На изображении ниже показаны состояния разряда и заряда батареи, показывающие поток электронов и ионов во время этих процессов.

Наиболее часто используемые аноды в литий-ионных элементах — это графит и оксидная шпинель Li4Ti5O12. Графен исследуется и считается лучшей альтернативой, которая может увеличить плотность мощности, а также скорость заряда и разряда элемента.

Электролит:

Раствор электролита — это электрически нейтральный раствор, оба электрода погружены в раствор электролита. Хотя раствор нейтрален, но при приложении электрического потенциала ионы начинают течь к электроду. Во время цикла заряда ионы лития перемещаются от катода к аноду, в то время как в цикле разряда происходит обратное. Электролит играет главную роль в перемещении ионов, тем самым делая возможным протекание тока. Движение анионов и катионов в противоположных направлениях в электролите вызывает протекание тока.

Для литий-ионного элемента электролитом должна быть литиевая соль, поэтому наиболее часто используемым электролитом в литий-ионных аккумуляторах является LiPF6, растворенный в органическом растворителе.

Разделитель:

Сепаратор играет важную роль в работе батареи. Электролит действует как среда между электродами, в то время как сепаратор помещается между электродами, чтобы изолировать их друг от друга, так что электроны не протекают через них, позволяя ионам течь между ними. Сепаратор образует катализатор, когда покрыт электролитом, таким образом облегчая движение ионов между анодом и катодом, останавливая электроны. При применении чрезмерного тепла поры сепаратора засоряются процессом плавления, это свойство может быть использовано в качестве предохранительного средства, заставляя сепаратор действовать как предохранитель, останавливая поток тока в случае перегрева, тем самым защищая батарею от возгорания.

Большинство аккумуляторов для мобильных телефонов и планшетов, которые должны быть легкими и не рассчитаны на очень жесткую эксплуатацию, имеют один полиэтиленовый сепаратор, в то время как более крупные промышленные аккумуляторы используют трехслойный сепаратор, который действует как предохранитель, защищая от возгораний при экстремальных температурах и в многоэлементных конфигурациях.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы можно классифицировать на основе комбинации используемых анода и катодов. На рынке доступно шесть категорий литий-ионных аккумуляторов: литий-кобальт-оксид (LCO), литий-марганцевый оксид (LMO), литий-никелевый марганцево-кобальтовый оксид (NMO), литий-железо-фосфат (LFP), литий-никелевый кобальт-алюминиевый оксид (NCA) и литий-титанат (LTO). За исключением аккумулятора LTO, все остальные литий-ионные аккумуляторы имеют графит в качестве анода. Все вышеперечисленные литий-ионные химические вещества имеют различные свойства, и нам необходимо знать их свойства, их рабочие условия и другие параметры, чтобы выбрать лучший аккумулятор для нашего применения. Свойства всех этих химических веществ приведены ниже.

1. ОКСИД ЛИТИЯ-КОБАЛЬТА (LCO): высокая плотность энергии, но низкая термическая стабильность

Литий-кобальт-оксидный аккумулятор имеет кобальт в качестве основного активного материала в своем катоде. Он был изобретен в 1991 году и широко использовался из-за своей высокой плотности энергии 150-200 Вт·ч/кг. Хотя эта химия аккумулятора является энергоплотной, но изучаются и другие варианты, поскольку эксперты утверждают, что мир может вскоре столкнуться с дефицитом поставок кобальта. Это связано с резким ростом продаж электромобилей, где эта химия аккумулятора широко используется, что со временем приводит к увеличению его стоимости.

Кобальт является высоколетучим металлом, что ограничивает возможности обработки тока аккумулятора LCO из-за риска перегрева. Кроме того, аккумуляторы LCO имеют более низкую термическую стабильность, что делает их чувствительными к более высоким рабочим температурам и перезарядке.

Аккумуляторы LCO широко используются в портативной электронике, такой как телефоны, камеры, ноутбуки, и пользуются большим спросом в электромобилях. 

2. ОКСИД ЛИТИЯ-МАРГАНЦА (LMO): самая безопасная литий-ионная химия

Литий-марганцевые оксидные батареи также известны как литий-ионные марганцевые батареи. В качестве катода используется LiMn2O4. Самая ранняя коммерчески разработанная батарея с этой химией была произведена в 1996 году. Эти батареи имеют низкое внутреннее сопротивление и высокую температурную стабильность, что делает их более безопасными, чем другие типы литий-ионных батарей. Батареи LMO способны выдавать ток до 20-30 ампер благодаря низкому внутреннему сопротивлению, что делает возможной быструю зарядку и разрядку.  

Главным недостатком этой химии является ее относительно низкий циклический ресурс - 300-700 циклов. Эти батареи также имеют более низкую емкость. Из-за этих недостатков в будущем ожидаются ограниченные исследования и развитие этого типа батарей.

Аккумуляторы LMO широко используются в приложениях, где требуются высокие показатели тока разряда, например, в электроинструментах. Они также применяются в электромобилях и в медицинских приложениях.

3. ФОСФАТ ЛИТИЯ ЖЕЛЕЗА (LFP): доступный, безопасный и надежный

Литий-железо-фосфатные батареи используют фосфат в качестве активного материала в катоде. Эти батареи являются одними из наиболее часто используемых химических веществ в электрических мотоциклах, электрорикшах, а также в других приложениях, которым требуется длительный жизненный цикл и значительная безопасность. Эти батареи имеют умеренно высокую плотность энергии 90-160 Вт·ч/кг. Подобно LMO, химия LFP имеет низкое внутреннее сопротивление, что приводит к более высокой термической стабильности. В отличие от батареи LCO, эти батареи долговечны и имеют длительный жизненный цикл с низкими скоростями саморазряда. Батареи LFP имеют один из лучших жизненных циклов, что делает их очень экономичным вариантом, учитывая их длительный срок службы. Однако номинальное напряжение 3,2 В литий-фосфатной батареи означает, что она имеет меньше энергии, чем другие типы литиевых батарей. 

Аккумуляторы LFP используются в промышленном оборудовании и тяжелой технике из-за их высокой термической стабильности и большого жизненного цикла. Они широко используются в электромобилях, особенно в электровелосипедах, электрорикшах и многих автомобилях из-за их способности выдерживать множество механических и термических воздействий. 

4. ЛИТИЙ-НИКЕЛЬ-МАРГАНЦЕВО-КОБАЛЬТОВЫЙ ОКСИД (NMC): дорогая, но высокопроизводительная батарея

Литий-никелевые, марганцево-кобальтовые (NMC) батареи используют комбинацию никеля, марганца и кобальта в качестве активного материала для своего катода. Наиболее часто используемое соотношение - 60 процентов никеля, смешанного с 20 процентами каждого из марганца и кобальта для формирования сплава. Изменение соотношения этих металлов может изменить свойство, и мы можем либо достичь высокой удельной плотности энергии, либо высокой удельной мощности. Эти батареи дешевле, чем другие литий-ионные батареи, и имеют очень низкую скорость самонагрева и номинальное напряжение 3,7 В. Батареи NMC имеют плотность энергии 150-220 Вт·ч/кг, что выше, чем у большинства других химических веществ. 

Эта батарея обычно используется для питания медицинского оборудования, электроинструментов и считается одним из предпочтительных химических составов аккумуляторов для электромобилей.

5. ЛИТИЙ-НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ-АЛЮМИНИЕВЫЙ ОКСИД (LINICOALO2) NCA: высокая энергия и длительный срок службы

Литий-никелевые кобальтовые аккумуляторы, также известные как аккумуляторы NCA, имеют комбинацию никеля, кобальта и алюминия в качестве активного материала в катоде. Эти аккумуляторы имеют высокий жизненный цикл и являются одними из самых энергоемких литий-ионных химических соединений с плотностью энергии до 260 Вт·ч/кг и номинальным напряжением 3,6 В. Но главным недостатком этого аккумулятора является его более низкая термостойкость и высокая стоимость, что делает их нежизнеспособным вариантом для потребительской электроники. Они являются хорошим вариантом для электромобилей из-за своей плотности энергии, аккумуляторы NCA должны использоваться в автомобилях с дополнительными мерами безопасности для мониторинга их производительности и других данных, чтобы обеспечить безопасность водителей.

Аккумуляторные батареи NCA приобретают все большее значение в электрических силовых агрегатах, таких как Tesla, и находят применение в сетевых накопителях благодаря своему сроку службы и плотности энергии. 

6. Литий-титанатный LTO: длительный срок службы, быстрая зарядка с использованием передовых нанотехнологий

Литий-титанат является одним из недавно разработанных литий-ионных химических веществ. Они имеют передовые нанотехнологии и заменяют графит, используемый в аноде, на литий-титанат в качестве активного материала. Большая площадь поверхности литий-титаната позволяет большему количеству электронов быстрее входить и выходить из анода, что делает возможной очень высокую скорость зарядки и разрядки без ущерба для безопасности. Главным недостатком этого аккумулятора является то, что он страдает от низкого номинального напряжения и низкой плотности энергии 2,4 В и 50-80 Вт·ч/кг соответственно. Что делает этот аккумулятор особенным, так это его способность обеспечивать скорость разрядки, превышающую 30 С в течение короткого периода времени. Использование передовых нанотехнологий делает его одним из самых безопасных химических веществ, доступных сегодня. 

В настоящее время многие крупные производители электромобилей и мотоциклов, такие как Mitsubishi, Honda и т. д., используют литий-титанатные аккумуляторы, и существует потенциал для использования этого типа аккумуляторов в электрических автобусах для общественного транспорта. 

Аккумуляторы LTO имеют потенциальную сферу применения в аэрокосмической и военной промышленности, а также используются в системах хранения энергии для хранения энергии ветра и солнца, а также для создания интеллектуальных сетей. Их способность выдерживать высокие скорости разряда делает их предпочтительным вариантом для устройств управления частотой в сетевых приложениях. 

Сравнение аккумуляторов

Аккумулятор можно сравнивать по многим различным параметрам, таким как номинальное напряжение, вес аккумулятора, удельная энергия и т. д. В приведенной ниже таблице сравниваются данные по разным химическим составам литий-ионных элементов. Для справки, мы также добавили NiMh, Ni-cd аккумулятор в таблицу ниже.

Химия аккумулятора	Мин. температура (℃ )	Макс. температура (℃ )	Напряжение ячейки (вольт)	Саморазряд (%/месяц)	Время циклов (макс.)	Масса
NiCd	-20	60	1.2	20	800	Тяжелый
NiMH	-20	70	1.2	30	500	Средний
Низкий саморазряд NiMH	-20	70	1.2	1	2000	Средний
Литий-ионный (LCO)	-40	70	3.6	10	1000	Легкий
Литий-ионный (LFP)	-40	80	3.2	5	12000	Легкий
LiPo (LCO)	-40	80	3.7	10	1000	Самый легкий
Литий-титан (LTO)	-40	55	2.4	5	20000	Легкий
LMO	-	85	3.7	-	700	Тяжелый

Для лучшего представления вышеизложенных данных были построены графики. Первый график представляет рабочие температуры различных химических составов аккумуляторов, а второй график показывает скорость саморазряда различных химических составов аккумуляторов.

Из приведенного выше графика видно, что все литий-ионные аккумуляторы имеют более широкий рабочий диапазон, чем аккумуляторы на основе никеля.

Из приведенного выше графика, показывающего скорость саморазряда, ясно, что большинство литий-ионных элементов имеют очень низкую скорость саморазряда.

Сравнение различных литий-ионных химических составов

Свойства литий-ионного элемента полностью зависят от химии элемента. Все химические элементы имеют свои плюсы и минусы, которые необходимо учитывать при выборе батареи для конкретного использования. В таблице ниже сравниваются различные химические элементы Li-Ion.

	Титанат лития (Li2 TiO3 ) — LTO	Оксид лития никеля марганца кобальта (LiNiMnCoO2) — NMC	Литий-железо-фосфат (LiFePO 4 ) — LFP	Оксид лития никеля кобальта алюминия (LiNiCoAlO2) — NCA	Оксид лития-кобальта (LiCoO2) — LCO
Номинальное напряжение, В	2.40В	3,70 В	3.30В	3,70 В	3,70 В
Типичный рабочий диапазон (В/ячейка)	1,8–2,85 В	3,0 В–4,2 В	2,5В–3,65В	3,0 В–4,2 В	3,0 В–4,2 В
Удельная энергия (Вт·ч/кг)	50–80 Вт·ч/кг	150–220 Вт·ч/кг	90–120 Вт·ч/кг	200-260 Втч/кг	150–200 Вт·ч/кг.
Заряд (C-rate)	1С обычно; 5С максимум, заряжает до 2,85 В	0,7–1С, заряжает до 4,20 В	1С обычно, заряжает до 3,65 В	0,7С, заряжается до 4,20 В, возможна быстрая зарядка для некоторых ячеек	0,7–1С, заряжает до 4,20 В
Разряд (C-rate)	10С возможно, 30С 5с импульс	1С, 2С возможны на некоторых ячейках	1С, 25С на некоторых ячейках	1С	1С
Жизненный цикл	3000–7000	1000–2000	5000-7000; в некоторых ячейках возможно до 12000	500	500–1000
Тепловой разгон	200°С +	210°C (410°F)	270°C (518°F)	150°C (302°F)	150°C (302°F)
Расходы (за кВтч)	~$1005	~$420	~$580	~$350	-
Приложения	Электромобили, ИБП и т.д.	Электровелосипеды, электрорикши, промышленное оборудование и т. д.	Электровелосипеды, электрорикши, аккумуляторные системы хранения энергии для дискотек, офисов и домов	Медицинские приборы, промышленное оборудование, электромобили	Умные часы, мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, камеры

На графике ниже сравниваются номинальные напряжения различных литий-ионных аккумуляторов.

Из приведенного выше графика можно сказать, что номинальное напряжение NMC, LCO и LMO выше, чем у других химий, а у LTO оно самое низкое. Если сравнить данные по плотности энергии из таблицы, то можно обнаружить, что химия следует той же тенденции, при этом LTO имеет самую низкую плотность энергии.

С точки зрения срока службы аккумуляторы LFP и LTO имеют наилучший срок службы, в то время как аккумуляторы NCA и LTO имеют очень низкий срок службы, что делает их непригодными для электромобилей. 

LFP, NMC и LTO имеют наилучший тепловой разгон, что делает их наиболее подходящими для работы в условиях экстремальных температур.

При рассмотрении затрат LTO хорошо работает по большинству параметров, но его стоимость неоправданна для потребительских товаров и повседневного портативного оборудования, в то время как NMC и LFP сочетают в себе лучшее из обоих миров: они конкурентоспособны по цене и обеспечивают достойную производительность, и хотя NCA дешевле других вариантов, его плохие тепловые характеристики делают его опасным для электромобилей и других видов деятельности, где распространены высокие температуры и механические нагрузки, поэтому необходимо учитывать дополнительные затраты на применение дополнительных функций безопасности, чтобы сделать его безопасным в использовании.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что литий-ионные аккумуляторы — это будущее хранения энергии, спецификация ячейки зависит от внутреннего состава, то есть материала, используемого для электродов, сепаратора и электролита. Изменяя катод, можно контролировать такие свойства, как удельная энергия, скорость зарядки, циклический срок службы, номинальное напряжение и т. д., но каждая химия имеет свои плюсы и минусы, которые необходимо учитывать при выборе литий-ионной ячейки для продукта. 

В области аккумуляторов проводится много исследований, и, по мнению отраслевых экспертов, в ближайшем будущем плотность энергии аккумуляторов будет увеличиваться, а их стоимость, как ожидается, снизится.

19 просмотров