Литий-ионные батареи или Li-ion – современные и эффективные источники энергии, широко применяемые в малом и большом приборостроении, при оснащении складской техники, в системах резервного питания и многих других сферах. Благодаря высокой плотности энергии, долговечности и стабильной работе такие АКБ уже практически вытеснили с рынка несовершенные свинцово-кислотные аналоги. В данной статье специалисты компании НЭТЕР расскажут, каково устройство литий-ионного аккумулятора, про основные компоненты, определяющие его характеристики, и еще многое о том, как работает эта технология.
Основные элементы конструкции Li-ion батареи
Итак, из чего состоит литиевый аккумулятор? В АКБ данного типа входят несколько ключевых компонентов, каждый из которых играет важную роль в процессе хранения и передачи энергии.
1. Отрицательный электрод или анод.
Анод принимает ионы лития в процессе заряда и высвобождает ионы лития в процессе разряда. В большинстве Li-ion батарей анод выполнен из графита, который обеспечивает высокую циклическую стабильность и надежность работы.
Особенности анода, на которые необходимо обратить внимание при покупке и которые обязательно в наличии у качественных АКБ:
- должен быть устойчив к многократным циклам заряда/разряда;
- возможность замены на кремний-графитовые аноды для повышения срока службы.
2. Положительный электрод или катод.
В процессе разряда катод принимает ионы лития, а при заряде происходит обратный процесс. Катод является ключевым элементом, который определяет напряжение и удельную энергоемкость аккумулятора.
В литий-ионных батареях используются различные химические составы катода, в том числе следующие:
- литий-кобальт-оксид (LiCoO2, LCO) – высокоэнергоемкий, но менее долговечный;
- литий-железо-фосфат (LiFePO4, LFP) – отличается высокой стабильностью и безопасностью;
- литий-никель-марганец-кобальт-оксид (NMC) – обеспечивает баланс между емкостью и долговечностью;
- литий-никель-кобальт-алюминий-оксид (NCA) – имеет высокую удельную энергию.
Мы перечислили самые основные типа, чтобы наши читатели имели общие представления. Существуют и прочие литированные оксиды переходных металлов, но эта информация будет интересна уже, скорее, узким специалистам. Для понимания того, из чего состоит литиевый аккумулятор, вполне достаточно этих четырех типов.
3. Электролит, который служит средой для перемещения литиевых ионов между анодом и катодом во время зарядки и разрядки. В современных АКБ используется жидкий или гелеобразный электролит на основе органических растворителей и литиевых солей.
Функции электролита внутри устройства следующие:
- вышеупомянутая ионная проводимость;
- высокая химическая стабильность;
- многие компании в настоящее время разрабатывают твердотельные электролиты, которые могут значительно повысить безопасность аккумуляторов.
4. Сепаратор, представляющий собой тонкую пористую мембрану, разделяющую анод и катод, он призван предотвратить их прямой контакт (иначе высок риск короткого замыкания и возгорания). При этом ионы лития проходят свободно. К этой части батареи предъявляют следующие требования:
- высокая термостойкость;
- химическая инертность;
- прочность и стабильность структуры.
Кстати, применение твердотельных АКБ делает использование сепаратора ненужным.
5. Оболочка, защищающая аккумулятор от механических повреждений и внешних воздействий, предотвращая утечку электролита, а также выполняющая роль электрической изоляции между внутренними компонентами и внешней средой.
Что получает пользователь при соединении этих элементов в качественную АКБ?
- При зарядке ионы лития переходят из катода в анод, где они закрепляются в графитовой структуре.
- При разряде ионы возвращаются обратно в катод, высвобождая электроны, которые создают электрический ток.
- Процесс повторяется на протяжении всего срока службы аккумулятора, который может достигать десятков тысяч циклов в зависимости от типа катода и условий эксплуатации.
Какие бывают форм-факторы литий—ионных АКБ?
Здесь важно упомянуть и форм-факторы литиевых батарей. Самые частые следующие форматы:
- цилиндрические (18650, 21700, 32700, 4680 и прочие) – очень распространены в современном приборостроении;
- призматические в жестком корпусе (Hard Case) – используются в складской технике, тяговых аккумуляторах;
- призматические пакеты (Pouch) – применяются в БПЛА.
Надеемся, что смогли составить у вас примерное представление о том, из чего состоит литиевый аккумулятор. Это сложные, но очень эффективные химические источники энергии, состоящие из анода, катода, электролита, сепаратора и оболочки, разобраться в многообразии которых всем клиентам с удовольствием помогут специалисты НЭТЕР.
