Сейчас в портативных электронных устройствах активно используются аккумуляторы типа Li-Ion. Им удалось постепенно вытеснить с рынка щелочные батареи. Литий-ионные АКБ имеют лучшие характеристики, хотя и не являются идеальными. Например, они не могут обеспечить высокий ток, который необходим портативным электроинструментам.
Однако для смартфонов и ноутбуков это некритично.
История создания
Первые батареи типа Li-Ion были созданы в 70-х годах прошедшего столетия. Благодаря высокому показателю удельной энергоемкости, они быстро стали востребованными. Производители аккумуляторов всегда стремились к созданию элементов питания на основе щелочного металла, обладающего высокой активностью. Конструкция новых батарей была создана быстро, но возникли сложности с практическим применением li-lon АКБ.
Исследователям потребовалось около двух десятилетий, чтобы понять причину проблемы — литиевые электроды. Этот металл отличается высокой активностью, и во время работы батареи часто наблюдалось самовоспламенение источника питания.
В результате конструкция была доработана, и появились литий-ионные аккумуляторы, имеющие меньший показатель удельной электроемкости, но оказавшиеся безопасными.
Особенности конструкции
В состав литий-ионных аккумуляторов входят отрицательный электрод (катод), изготовленный из алюминия, и медный положительный (анод). Между ними располагается пористый сепаратор, пропитанный раствором электролита.
Кроме этого устройство литиевого аккумулятора предполагает наличие защитных элементов, выполняющих следующие функции:
- Разрыв электроцепи при чрезмерном выделении газов.
- Отключение батареи при увеличении температуры элемента питания.
Для увеличения безопасности использования АКБ применяются дополнительные электронные системы защиты. Корпус аккумулятора должен быть герметичным, чтобы предотвратить вытекание электролита.
Собираются эти элементы питания в помещениях с низким показателем влажности и атмосферой из аргона.
Это позволяет избежать попадания внутрь батареи воды и кислорода.
Принцип действия и технические характеристики
Когда батарея подключена к электроцепи, на аноде активируется химическая реакция, продуктом которой являются свободные электроны. Они устремляются к катоду, но быстро достигнуть цели им мешает электролит. Свободным остается путь через электрическую цепь. В результате батарея питает энергией устройство.
Как только все электроны достигают катода, аккумулятор разряжается. Однако этот процесс обратимый, и батарею можно зарядить, направив электроны в противоположном направлении. С каждым новым циклом перезарядки электроды деградируют, что приводит к сокращению количества свободных ионов. В такой ситуации АКБ не может удерживать первоначальный заряд, и в итоге полностью его теряет. В корпусе прибора установлен специальный контроллер, позволяющий следить за уровнем заряда.
Стандартный процесс зарядки литий-ионной батареи выглядит следующим образом:
- Благодаря контроллеру, в начале зарядки подается ток, величина которого не превышает 10% от номинального значения. В результате напряжение увеличивается до 2,8 вольт.
- На следующем этапе ток увеличивается до номинального, и напряжение возрастает до показателя в 4,2 В.
- Затем сила тока постепенно уменьшается, а напряжение остается прежним и батарея заряжается.
Современные литий-ионные батареи имеют показатель удельной энергоемкости в 100−180 ватт-час/кг (250−400 ватт-час/л) при рабочем напряжении 3,5−3,7 В. Это основные характеристики литий-ионных аккумуляторов, на которые следует обращать внимание. Первые модели этих устройств имели более скромные показатели, например, их емкость не превышала нескольких ампер в час.
Однако исследователям удалось решить эту проблему.
Виды и область применения
Сегодня выпускается несколько видов Li-Ion батарей, отличающихся активными веществам. Объединяет эти батареи герметичный необслуживаемый корпус. Наибольшее распространение получили 6 видов АКБ:
Литий-кобальтовый — катод в этом типе источника питания изготовлен из оксида кобальта, а анод — из графита. Активно используется в мобильных электронных устройствах.- Литий-марганцевый — марганец обеспечивает более низкое сопротивление в сравнении с кобальтом. Эти батареи используются в портативных электроинструментах и медицинском оборудовании.
- Литий-марганец-кобальт-никель-оксидный — катод изготовлен из смеси марганца, кобальта и никеля, что позволяет устранить недостатки каждого металла и усилить их положительные свойства. Применяется в ИБП для компьютеров, электромобилях, солнечных электростанциях, системах аварийного освещения и т. д.
- Литий-железо-фосфатный — обладает высоким сроком эксплуатации, устойчив к неправильному использованию, способен выдавать ток большой силы. Применяется в специализированных устройствах, нуждающихся в высоких токах нагрузки.
- Литий-кобальт-алюминий-никель-оксидный — имеет высокий показатель энергетической плотности и долговечности, но стоимость такого источника питания довольно высокая. Применяется в промышленности и медицине.
- Литий-титанатный — практически по всем параметрам превосходит классические Li — Ion батареи, но высокая стоимость сдерживает широкое распространение. Применяется в электромобилях и системах уличного освещения на солнечных элементах.
Преимущества и недостатки
Литий-ионные батареи имеют склонность к самовозгоранию, что можно считать их основным недостатком. Также негативным моментом технологии является химическая деградация, наблюдаемая даже во время хранения АКБ. Следует признать, что конструкция батарей этого типа требует усовершенствования, и производителям хорошо известны направления, в которых необходимо работать.
Преимуществ у Li-Ion аккумуляторов значительно больше:
Высокий показатель энергетической плотности.- Благодаря отсутствию «эффекта памяти», батареи просты в использовании.
- Обеспечивается высокий показатель напряжения одного элемента питания.
- Обладают длительным сроком эксплуатации.
- Способны работать в широком температурном диапазоне.
- Производство является безопасным с точки зрения экологии.
Производители продолжают поиск новых материалов, которые позволят улучшить технические характеристики батарей этого типа. Также серьезные работы проводятся в направлении создания Smart-аккумуляторов. В первую очередь это касается способности источника питания самостоятельно отслеживать свое состояние и передавать информацию операционной системе устройства.
Originally posted 2018-08-29 07:40:43.
Внимание, только СЕГОДНЯ!