Аккумуляторные батареи, если говорить максимально просто, это устройства, предназначенные для хранения и передачи энергии электричества. Они состоят из одной или нескольких ячеек, которые накапливают электроэнергию в процессе зарядки и, соответственно, отдают ее при разрядке.
В небольшом обзоре, подготовленном НЭТЕР, мы расскажем основные моменты, которые стоит знать об аккумуляторных батареях.
Какие типы аккумуляторов существуют?
Современная отрасль готова предоставить заказчику и итоговому потребителю разные разновидности аккумуляторных батарей, такие как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, а также спроектированные с использованием «белого золота» современного мира — лития.
Каждая из них имеет свои особенности, характеристики и область применения, но экспертное мнение единодушно – современная отрасль производства АКБ пока основывается на литии, то есть самыми выгодными, экономичными и современными вариантами являются Li-ion, LiPo и LiFePO4 аккумуляторы.
Какие варианты аккумуляторов предшествовали современным литиевым разработкам?
Свинцово-кислотные АКБ:
- доступные и надежные, но имеют ограниченный срок службы.
Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы:
- имеют хорошую устойчивость к перегрузкам и низким температурам;
- зависимы от эффекта памяти.
Никель-металлгидридные (NiMH) АКБ:
- более экологичны, чем NiCd, и имеют большую емкость, но не экологичны.
Какие литиевые аккумуляторы соединили в себе практически все вышеописанные достоинства, но не недостатки?
Литий-ионные (Li-ion) АКБ:
- обладают высокой плотностью энергии и длительным сроком службы;
- меньше подвержены эффекту памяти.
Литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы:
- обладают высокой гибкостью в форме и размере, но требуют осторожного обращения.
Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы:
- обладают высокой термостойкостью и долгим сроком службы.
Остановимся на современных вариантах аккумуляторов — какой принцип работы объединяет все «литиевые» решения?
Такие АКБ хранят химическую энергию, которая преобразуется в электрическую. При зарядке происходит обратимый химический процесс, в результате которого энергия накапливается. При разрядке этот процесс идет в обратном порядке.
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы работают, используя движения ионов лития между анодом и катодом для хранения и освобождения энергии. Литий-ионная батарея состоит из трех основных компонентов:
- анод (обычно из графита);
- катод (часто из литий-кобальт-оксидов или литий-железо-фосфата);
- электролит (жидкий или полимерный).
Когда аккумулятор заряжается, внешний источник питания подает электрический ток. Ионы лития движутся из катода через электролит к аноду, где они встраиваются в слои графита. В ходе этого процесса происходит накопление энергии. При использовании аккумулятора электрический ток вырабатывается благодаря обратному процессу. Ионы лития перемещаются обратно от анода к катоду, высвобождая электроны. Эти электроны движутся через внешний контур, обеспечивая электрической энергией подключенные устройства. Электролит играет важную роль, обеспечивая проводимость между анодом и катодом, а также защищая элементы от коротких замыканий и других проблем.
Литий-полимерные (LiPo) батареи работают по аналогичному принципу, что и литий-ионные, но отличаются конструкцией и используемыми материалами. Такая аккумуляторная АКБ состоит из анода, катода и электролита, но в качестве последнего здесь используется полимерный материал. Это позволяет делать такие аккумуляторы более легкими и гибкими. При зарядке ионы лития перемещаются из катода (обычно из литий-металлических оксидов) через полимерный электролит в анод, где они осаждаются в графитовой структуре. Этот процесс приводит к накоплению энергии. При разрядке ионы лития возвращаются от анода к катоду через полимерный электролит, значит освобождаются электроны. Электроны проходят через внешний контур, обеспечивая питание для подключенных устройств.
Литий-железно-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) работают по принципу обмена ионами лития между анодом и катодом, но имеют свои уникальные характеристики. Вот основные аспекты их работы. АКБ данного типа состоит из:
- анода (обычно на основе графита);
- катода (состоящего из литий-железно-фосфатного соединения);
- электролита, который обеспечивает движение ионов лития.
При зарядке ионы лития перемещаются из катода через электролит к аноду. Этот процесс сопровождается накоплением электрической энергии в аноде. Во время разрядки ионы лития возвращаются обратно к катоду, после чего высвобождаются электроны, которые проходят через внешний электрический контур, обеспечивая питание устройства.
Какая сфера применения литий-ионных аккумуляторов?
Применение очень обширно, так как практически все современные автономные устройства работают именно на таких АКБ, а их производители выбирают именно литиевые решения для питания.
Речь о малом и большом приборостроении, различных беспилотных системах, медицинском оборудовании, складском (шаттлы, погрузчики, тележки, тягачи), роботах, даже гольфкарах и поломоечной технике, ледозаливочной и ледонарезной технике, о водном транспорте, автодомах и многом другом. Самое главное, что современные АКБ имеют возможность многократного перезаряда, они относительно компактные и способны работать в различных (часто довольно экстремальных) условиях.
