Літій-іонні акумулятори

Тільки на початку 1970-х років літієві батареї стали доступні споживачам. Спроби розробити акумуляторні літієві батареї почалися в 1980-х роках, але були невдалими через нестійкість металевого літію, що використовується як анодний матеріал.

Літій є найлегшим з усіх металів, володіє найбільшим електрохімічним потенціалом і забезпечує найбільшу питому енергію на вагу. Акумуляторні батареї з літієвим металом на аноді (негативні електроди) можуть забезпечити надзвичайно високі енергетичні влстивості, проте періодично можуть виникнути небажані сплески на аноді, які можуть стати причиною займання самого акумулятора.

Вроджена нестійкість металевого літію, особливо під час зарядки, змусили дослідників переключитися на металевий розчин з використанням іонів літію. Незважаючи на те, що літій-іон має меншу питому енергію, ніж літій-метал, зате він безпечний за умови, що виробники акумуляторів дотримуються всіх заходів безпеки.

Перший Li-Ion акумулятор був проданий компанією Sony в 1991 році, а сьогодні ця технологія стала найперспективнішою і швидко зростаючої на ринку. Тим часом, дослідження продовжують розробляти вдосконалити металеву літієвої батарею в надії зробити її безпечною.

Якщо в 1994 році Li-ion акумулятор в форм факторі 18650 коштував більше 10 дол. США і забезпечував пропускну здатність 1100 мАг, то до 2000 році ціна впала до 2 доларів, а потужність збільшилася до 1,900 мАг. Сьогодні високоенергетичні елементи 18650 забезпечують більш 3000 мАг, а витрати ще більше скоротилися. Зниження витрат, збільшення питомої енергії і відсутність токсичного матеріалу - все сприяє тому, щоб зробити Li-ion універсально прийнятною батареєю для переносного застосування, спочатку в споживчої індустрії, а тепер все частіше і у важкій промисловості, включаючи електричні силові агрегати для автомобілів.

Принцип роботи літій-іонних акумуляторів

Як і у випадку з свинцево-нікелевої архітектурою, літій-іон використовує катод (позитивний електрод), анод (негативний електрод) і електроліт в якості провідника. Катод являє собою оксид металу, а анод складається з пористого вуглецю. Під час розряду іони протікають від анода до катода через електроліт і сепаратор; Заряд інвертує напрямок, і іони течуть від катода до анода.

Коли елемент заряджається і розряджається, іони переміщаються між катодом (позитивний електрод) і анодом (негативний електрод). При розряді анод піддається окисленню або втраті електронів, а катод зазнає зменшення або посилення електронів. Заряд змінює рух.

Всі матеріали в батареї володіють теоретичною питомою енергією, а ключ до високої ємності і хороших характеристиках акумулятора лежить в основному на катоді. Протягом останніх 10 років катод характеризував літій-іонний акумулятор. Основним катодних матеріалом є оксид літій-кобальту (або літій-кобальтат), оксид літію марганцю (також відомий як шпінель або літій-манганат), літій-фосфат літію, а також літій-нікелевий марганець-кобальт (NMC) і літій-нікелевий кобальтові оксид алюмінію (NCA).

Сьогодні літій-іонний акумулятор Sony використовував кокс в якості анода (вугільний катод), а з 1997 року більшість літій-іонних батарей використовують графіт для досягнення більш плоскої кривої розряду. Як анода пробують також різні матеріали, в тому числі сплави на основі кремнію. Кремній досягає 20-30-відсоткового збільшення питомої енергії за рахунок зниження навантажувальних струмів і скорочення терміну служби. Наноструктуровані літій-титанат як анодної добавки показує багатообіцяючий життєвий цикл, хороші навантаження, відмінні низькотемпературні характеристики і чудову безпеку.

У 2009 році приблизно 40% відсотків усіх проданих батарей були зроблені за технологією Li-ion. Такі акумулятори не мають пам'яті і не потребує перезарядити для збереження ємності. Це робить Li-ion ккумулятори відповідним для застосування в різних приладах. Такі акумулятори зараз застосовуються в мобільних телефонах і ноутбуках.