Литий-ионные аккумуляторы

 

     Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) появились на мировом рынке химических источников тока (ХИТ) в конце 1990-х годов. Этому предшествовали разработки перезаряжаемых источников тока с отрицательным литиевым электродом, которые имели более высокие удельные энергетические характеристики чем широко используемые щелочные аккумуляторы, но ресурс их был значительно меньше. Успех был достигнут только тогда, когда в качестве анода литиевых аккумуляторов стали использовать матрицу из углеродных материалов.

     Свое название ЛИА получили из-за того, что электрический ток во внешней цепи появляется за счет переноса литиевых ионов от анода к катоду на основе различных соединений (чаще всего LiCoO2, LiNiO2 и смешанных оксидов). При заряде направление переноса обратное.

    Первоначально на рынке появились японские малогабаритные ЛИА (призматические и цилиндрические) для устройств сотовой связи, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов и другой портативной аппаратуры. В настоящее время работы в области литий-ионных аккумуляторов и литий-полимерных (в них жидкий органический электролит заменен на полимерный, а генерация тока аналогична имеющей место в ЛИА) во всем мире ведутся в двух направлениях: модернизации малогабаритных источников тока с целью увеличения их емкости и разработке аккумуляторов большой емкости (до тысяч Ач), которые раньше считались небезопасными в эксплуатации. В настоящей статье рассматриваются источники тока емкостью до 10 Ач.

     Современные малогабаритные ЛИА (см. рис. 1) с номинальным напряжением 3,6 В имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/дм3. Номинальный ток разряда – 0,2 С, но они допускают разряд и током до 2 С (см. рис. 2) в диапазоне температур от -20 (у некоторых от -50) до +60 °С. Ресурс ЛИА достигает 1000 циклов при сроке службы 5 лет. При уменьшении глубины разряда количество циклов увеличивается.

Рис. 1 Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора SAFT типа МР 176065 при разных токах.

 

Рис. 2 Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора SAFT типа МР 176065 при разных температурах.

     Заряд ЛИА производится в две стадии: сначала постоянным током из диапазона от 0,1 до 1 С, затем при постоянстве достигнутого напряжения (4,1-4,2 В для продукции большей части производителей). Продолжитель-ность заряда при больших токах можно видеть на рис. 3. Большим достоинством ЛИА является высокий коэффициент их использования ηисп = Сраз/Сзар, близкий к 1. Точность установки величины регламентированного предельного напряжения в зарядных устройствах для ЛИА очень важна, так как эти аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду и существует опасность быстрого повышения в них давления и разгерметизации. Повышение напряжения приводит также и к быстрому снижению ресурса.

Рис.3. Зарядные характеристики литий-ионного аккумулятора SAFT типа МР 176065 при разных начальных токах заряда и постоянном напряжении 4,1 В.

   Малогабаритные ЛИА выполняются конструктивно в виде плоских призматических и цилиндрических источников тока. Первые из них – слаботоковые: они имеют тонкий металлический корпус и в них сложно обеспечить сжимающие усилия на электроды. Они используются главным образом для сотовых телефонов. В более жестких цилиндрических аккумуляторах скрученный рулон электродов с сепаратором между ними помещен в стальной или алюминиевый корпус. В них проще разместить и элементы защиты от перегрева при заряде и от повышенного давления. Иногда рулон скручивают в эллиптическую спираль, и тогда аккумулятор может быть условно назван призматическим, как аккумулятор серии МР компании SAFT.

       Малогабаритные аккумуляторы выпускаются, главным образом, в странах Юго-Восточного региона мира. Более половины всего общемирового производства осуществляют компании Sony и Sanyo в Японии, серьезную конкуренцию им составляют компании MBI, Samsung, GP и другие в Корее, многочисленные китайские компании. В США массовое производство таких аккумуляторов налажено в десятке компаний, но они по понятным причинам на российский рынок не попадают.

      Номенклатура цилиндрических и плоских призматических ЛИА обширна и у некоторых компаний насчитывает более десятка типоразмеров. Наиболее популярные цилиндрические аккумуляторы имеют емкость до 2,4 Ач в типоразмере 18650 (ø18 мм, h = 65мм). Аккумуляторы более высокой емкости (4,6 и 6,8 Ач) выпускает французская компания SAFT. Последний имеет габаритные размеры 18х60х65 мм. Один такой аккумулятор заменяет три цилиндрических, включенных параллельно для увеличения мощности источника тока, и по определению надежнее их.

    С 2005 г. запущено производство и отечественных ЛИА. Аккумуляторная компания «АК «Ригель» в г. Санкт-Петербург освоила производство призматических аккумуляторов емкостью 0,9; 1,3 и 10 Ач и цилиндрического аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 1,5 Ач.

    Литий-ионные источники энергии для портативной аппаратуры с большим напряжением реализуются в виде последовательной цепочки аккумуляторов, сколько-нибудь мощные – могут иметь последовательно-параллельное их соединение. Безопасность эксплуатации таких батарей обязательно обеспечивается внешней электронной защитой от перезаряда и переразряда отдельных аккумуляторов. Она включает контроллеры, измеряющие напряжение каждого из них или блока из параллельно соединенных, и ключи для размыкания электрической цепи при достижении предельных величин напряжения, которые делаются обычно с использованием полевых транзисторов. Для контроля температуры батареи используются термисторы. Устройство внешней защиты размещают обычно на плате, устанавливаемой прямо на аккумуляторе. Системы электронной защиты батарей у разных производителей могут существенно различаться, а доступ к этой части изделия часто защищен.

     Зарубежная продукция поступает на российский рынок практически только в виде батарей в продаваемой портативной аппаратуре и запасных. Из цилиндрических аккумуляторов можно найти лишь продукцию компании GP. При попытке заменить такими аккумуляторами те, что вышли из строя в блоках питания разнообразной аппаратуры нужно помнить не только о возможности сохранения систем защиты, но и о возможных вариациях установок их параметров. Аккумуляторы повышенной мощности серии МР компания SAFT поставляет на российский рынок через официальных дистрибьюторов в виде батарей любой конфигурации со встроенной системой защиты каждого их них.

     Более подробную информацию об особенностях процессов в литий-ионных аккумуляторах, о новых электродных материалах и связанных с ними перспективах модернизаций источников тока этой электрохимической системы, а также о тенденциях в разработках литий-полимерных ХИТ и новой волне интереса к разработке источников тока с металлическим литиевым электродом можно найти в справочнике: Таганова А.А., Бубнов Ю.И., Орлов С.Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург. Химиздат. 2005. 262 с.