XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) являются одними из самых распространенных и широко используемых типов аккумуляторов в современном мире [1]. Это связано с их высокой энергетической плотностью, низким уровнем саморазряда и отсутствием эффекта памяти [1]. Устройство литий-ионных аккумуляторов довольно сложно и включает несколько компонентов [1].

Энергетическая плотность аккумулятора (удельная энергоемкость) - это количество энергии, которое может храниться в аккумуляторе на единицу его объема или массы. Она измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг) или в ватт-часах на килограмм (Вт·ч/кг) [1]. Чем выше энергетическая плотность, тем больше энергии можно хранить в аккумуляторе при том же весе или объеме [1].

Высокая энергетическая плотность является важным параметром для электромобилей и портативных электронных устройств, таких как смартфоны, планшеты и ноутбуки, так как они должны быть компактными и легкими, но при этом иметь высокую емкость и длительное время работы [1].

Основные компоненты литий-ионного аккумулятора включают в себя: катод, анод, электролит и сепаратор [1].

Катод и анод представляют собой электроды аккумулятора, которые отвечают за движение ионов лития внутри аккумулятора. Катод обычно состоит из оксида лития, анод - из графита или кремния [1].

Электролит является важным компонентом литий-ионных аккумуляторов, так как он обеспечивает проводимость ионов лития между катодом и анодом. В качестве электролита могут использоваться различные вещества, такие как литий-соли в органических растворителях или полимерные материалы [1].

Сепаратор представляет собой тонкую мембрану, которая разделяет катод и анод, предотвращая короткое замыкание и обеспечивая безопасность и надежность работы аккумулятора [1].

Рис .1. Схематическое изображение компонентов и электрохимических процессов в литий-ионной батарее [5].

Литий, как химический элемент давно известен способностью легко отдавать заряд за счет одного электрона расположенного на внешней орбите [1]. Однако в соединениях литий стабилизируется, и его соли плохо вступают в реакцию [1]. В Li-Ion аккумуляторах задача применения свойств этого химического элемента для питания электрических потребителей решается за счет конструктивных особенностей.[1]

Рис. 2. Устройство литий-ионного аккумулятора [1].

Преимущества и недостатки:

В последнее время литий-ионные аккумуляторы заняли свою весомую нишу в сфере независимых источников питания и продолжают вытеснять другие модели. Такой успех объясняется рядом весомых преимуществ:

1. Обладают высокой энергетической плотностью, в сравнении с щелочными, кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными.

2. В сравнении с другими видами, один элемент характеризуется куда большей величиной напряжения, которую тот способен выдать.

3. Характеризуются довольно большим количеством циклов заряда и разряда, благодаря чему могут похвастаться более длительным сроком эксплуатации.

4.Может функционировать в достаточно широком температурном диапазоне.

5.В сравнении с другими типами аккумуляторов, не содержит веществ, представляющих угрозу экологии.

Однако, на ряду с преимуществами, литий-ионные аккумуляторы характеризуются и некоторыми недостатками.

1.Так, в случае несоблюдения основных режимов заряда или эксплуатации батарея может не только выйти со строя, но и загореться.

2.В случае понижения температуры менее допустимого предела, емкость аккумулятора может снизиться до 20%.

3.При избыточном заряде литий-ионный быстро выходит со строя.[3]

Характеристики
В эксплуатации литий-ионного аккумулятора опираются на его технические параметры. К основным характеристикам батарей данного типа относят:

• Плотность энергии – измеряется в Вт*ч/кг, для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего, находится в пределах от 90 до 120.
• Удельная мощность – определяет количество энергии в единице веса, составляет порядка 1 – 1,8 кВт/кг.
• Процент саморазряда – определяет количество растрачиваемой аккумулятором энергии за период времени. Для литий-ионных моделей составляет 2 – 3% в месяц. При условии нахождения батареи в комнатной температуре саморазряд составляет только 7% в год.
• Допустимый диапазон температур – для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего составляет от -30 до +50°С, но в некоторых моделях может варьировать в пределах от – 60 до +70°С.
• Число циклов – указывает количественное выражение для возможности разряда и последующего заряда до выхода литий-ионного аккумулятора со строя. В зависимости от модели и конструктивных особенностей составляет от 2 до 5тысяч циклов. А при 0,5 – 1 тысяче, как правило, теряется порядка 20% начальной емкости.
• Минимальное и максимальное напряжение – для литий-ионных аккумуляторов наименьшая величина составляет в пределах 2,2 – 2,5В, а наибольшая составляет 4,25 – 4,35В.
• Время заряда – при оптимальном режиме составляет около 2 – 4 часов.[2]

Разработка твердотельных литий-ионных аккумуляторов:

Твердотельные литий-ионные аккумуляторы могут иметь более высокую энергетическую плотность, более долгий срок службы и более безопасную конструкцию по сравнению с жидкостными литий-ионными аккумуляторами.

Литий-ионные аккумуляторы имеют большой потенциал для развития и будут играть важную роль в будущих технологиях, связанных с хранением энергии. Однако, для реализации этого потенциала требуется дальнейшее исследование и разработка новых технологий.[4]

Список литературы

1. Образовательный сайт Школа для электрика.2008-2023 [Электронный ресурс]. URL: https://xn--80acgdejgbepf9aiagbh6bl7a.xn--p1ai/news-blog/accumulate.html

2. Медведев Б.С., Налбандян В.Б., Гутерман В.Е. «Материалы литий-ионных аккумуляторов» 2007

3. Попова C.С., Денисов А.А., Денисова Г.П. «Химические источники тока. Литий — ионные аккумуляторы пленочной конструкции» 2009

4. Мельничук О. В. «Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами» 2016

5. Схематическое изображение компонентов и электрохимических процессов в литий-ионной батарее [Электронный ресурс] URL: https://tst-msk.ru/printsip-deystviya-i-raznovidnosti-litiy-ionnyh-batarey-dostoinstva-i-pravila-ekspluatatsii-akkumulyatorov