XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Принцип работы основан на возможности ионов лития встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов - обычно графита или оксида кремния - с образованием химических связей: соответственно при зарядке ионы встраиваются в кристаллическую решетку, тем самым накапливая заряд на одном электроде, при разрядке соответственно переходят обратно к другому электроду, отдавая нужный нам электрон. В качестве электролита используются водосодержащие растворы, не содержащие свободного протона и устойчивые в широком диапазоне напряжений. Как видно в современных аккумуляторах все сделано достаточно безопасно - металлического лития нет, взрываться нечему, по сепаратору бегают только ионы [1]

Рис. 1 - Принцип работы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы могут иметь различные конструкции и составы, что позволяет создавать батареи с разными характеристиками и применениями.

Корпусы литий-ионных аккумуляторов:

1. Цилиндрические аккумуляторы: это традиционная форма, часто используемая в портативных электронных устройствах, таких как ноутбуки, фонари. Они выглядят как цилиндры и обычно состоят из свернутого слоя анода, катода и электролита. Рис. 2(а) [3]

2. Плоские аккумуляторы (прямоугольные): Эти аккумуляторы имеют плоскую, прямоугольную форму и часто используются в более компактных устройствах, таких как смартфоны, планшеты и некоторые виды ноутбуков. Они обеспечивают более равномерное распределение энергии в устройствах с плоскими корпусами. Рис. 2(б) [4]

3. Призматические аккумуляторы: это еще одна форма литий-ионных аккумуляторов, которая обеспечивает некоторую гибкость в форме. Они могут быть тонкими и прямоугольными, что делает их подходящими для использования в более плоских устройствах. Рис. 2(с) [5]

Рис. 2 – Типы корпусов аккумуляторов

Типы литий-ионных аккумуляторов:

1. Литий-кобальтовые (LiCoO2)[3]:

• Характеристики: Высокая энергоемкость.

• Применение: Электроника, портативные устройства.

• Недостатки: Потенциальная нестабильность, риск перегрева.

2. Литий-марганцевые (LiMn2O4)[5]:

• Характеристики: Устойчивость к перегреву.

• Применение: Энергетика, электромобили.

• Недостатки: немного меньшая энергоемкость.

3. Литий-фосфатные (LiFePO4)[6]:

• Характеристики: Долговечность, безопасность.

• Применение: Электромобили, энергосистемы.

• Недостатки: Низкая энергоемкость по сравнению с некоторыми.

4. Литий-никель-марганец-кобальт (Li-NMC) [5]:

• Характеристики: Баланс между энергоемкостью и стабильностью.

• Применение: Электромобили, электроника.

5. Литий-титанатные (Li4Ti5O12)[7]:

• Характеристики: Стабильность, долговечность, высокая скорость зарядки.

• Применение: Энергосистемы, электромобили.

• Недостатки: Низкая энергоемкость.

Проблема нагрева — это важная трудность, которую необходимо преодолеть в аккумуляторной технологии. Поэтому давайте посмотрим на причины нагрева:

Это не связано с протеканием тока в батарее. Он обусловлен высокой мощностью и током, который он потребляет из батареи и который должен проходить через соединение батареи, а также возможным межслойным градиентом напряжения из-за разницы в напряжении, вызванной атомными орбиталями неидеальной 2D структуры всего N параллельных 2D литиевых элементов, сгруппированных в разделенные сечения, и количеством n слоев, что дает напряжение батареи V = nG, как показано на рис. 3.

Во многих современных литий-ионных батареях металлические частицы Li беспорядочно перемешаны в CoO2, как показано на рис. 3(a). CoO2 является изолятором при температуре плавления. При контакте с обычными проводниками в батарее выделяется тепло, что приводит к короткому замыканию и опасности возгорания или даже взрыва.

Обе эти проблемы можно устранить, если материал, разделяющий слои и соединительные клеммы, будет сверхпроводящим, поскольку сверхпроводящая развязка между слоями выровняет напряжение всех слоев, а также устранит нагрев соединений.

Керамика с высокой критической температурой (HTC) в своей нормальной фазе является дырявым проводником, и при прохождении тока литий-ионная батарея будет терять напряжение, а также выделять тепло в керамике. Однако если среда HTC находится в сверхпроводящей фазе, как на рис. 3 (b), литий-ион не будет терять энергию. Тогда такая литий-ионная батарея должна быть размещена в температурном корпусе ниже Tc керамики HTC. Другими словами, такая конструкция батареи пригодна только для использования в очень энергоемких устройствах, таких как электромобили.

Когда ток проходит через металлический провод, соединенный со сверхпроводником HTC, где носителями заряда являются дырки VB, под действием приложенного напряжения, например, от подключения к литий-ионному аккумулятору, он не теряет энергию, в том числе из-за эффективной разницы масс; электроны в металлическом проводе не могут заполнить дырки HTC. Фактически, из-за сохранения импульса, он может иметь только упругое рассеяние и сохранять непрерывность тока. Это означает, что мы можем предотвратить быстрый внезапный нагрев, поскольку при прохождении тока литий-ионная батарея подключается к сверхпроводнику, а не к обычному проводнику. Конечно, при этом происходит незначительная потеря энергии в месте соединения.

Рис. 3. - Блок сгруппированных литиевых элементов. Очень важно, чтобы слой Li был изготовлен из изоляционного материала для предотвращения внутреннего короткого замыкания в батарее. (a) Li с изоляционными материалами; (b) металлические слои Li с разделением слоев HTC.

Для того чтобы повысить как напряжение литий-ионного аккумулятора, так и его мощность, в его конструкции можно использовать два технических приема. Для повышения напряжения необходимо увеличить привязку VB. Ограничение пространственных размеров структуры металлического лития до максимально близких к 2D достижимо при использовании технологии нано осаждения, а увеличение мощности батареи может быть достигнуто за счет увеличения количества многократно разделенных слоев металлического лития. В настоящее время такие технологии ограничены потенциальным током, который генерируется между слоями, что приведет к внутреннему нагреву, если разделительный материал между слоями лития изготовлен из несверхпроводящего вещества. Предложенная нами схема использования HTC и поддержания температуры батареи при помощи жидкого азота является новой.

Добыча металлического лития является энергоемкой и ведется в основном в Южной Америке и Австралии. Таким образом, он также вносит свой вклад в экологическую проблему, несмотря на чистоту окружающей среды при использовании его в качестве батареи. Однако использованные и выброшенные литий-ионные батареи могут быть переработаны, поскольку содержащийся в них металлический литий может быть извлечен и использован повторно, без новых поставок из горнодобывающей промышленности. Поэтому, заботясь об окружающей среде, мы должны учитывать возможность переработки при разработке новых батарей. [2]

Список литературы

1. Li-Ion аккумуляторы - правда и мифы. URL: https://www.iguides.ru/blogs/All_About_Computers/liion-batteries-the-truth-and-the-myths/
2. Armand, M., & Tarascon, J. M. (2008). Building better batteries. Nature, 451(7179), 652–657.
Principle for the Working of the Lithium-Ion Battery, Kai Wai Wong1, Wan Ki University, Hong Kong, China. URL: https://www.scirp.org/journal/paperinformation?paperid=103936
3. Whittingham, M. S. (2014). History, Evolution, and Future Status of Energy Storage. Proceedings of the IEEE, 102(7), 1011–1020.
4. Tarascon, J. M., & Armand, M. (2001). Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature, 414(6861), 359–367.
5. Lu, L., Han, X., Li, J., Hua, J., & Ouyang, M. (2013). A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles. Journal of Power Sources, 226, 272–288.
6. Arico, A. S., Bruce, P., Scrosati, B., Tarascon, J. M., & Van Schalkwijk, W. (2005). Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices. Nature Materials, 4(5), 366–377.
7. Armstrong, A. R., et al. (2006). Structure and lithium transport pathways in Li4Ti5O12 electrodes for lithium batteries. Journal of Materials Chemistry, 16(3), 262–265.

Код для цитирования: Скопировать