Устройство литиевой батарейки: Как работает литиевая батарея – подробное устройство

Содержание

Как работает литиевая батарея – подробное устройство

Обновленная статья от: 10.11.2020

Литий-ионные аккумуляторы – универсальный тип элементов питания. Они используются в смартфонах, фонариках, портативной технике, специнструменте, источниках

бесперебойного питания. Литий-ионные батареи обеспечивают автономное питание складской и клининговой техники, электромобилей, гольфкаров, инвалидных колясок, гироскутеров, самокатов, велосипедов на электротяге и многих других устройств.

Источники питания на основе лития отличаются высокой энергоемкостью при относительно малых размерах и массе. Дополнительными их преимуществами выступают:

большой ресурс – более 1000 полных циклов заряд-разряд;
малый саморазряд – не более 5–10 % в год;
высокая токоотдача;
широкий диапазон допустимых температур – от -20 до +60 °С при работе, от 0 до +45 °С при подзарядке;
простота и удобство использования.

Литиевый аккумулятор – устройство и принцип работы

В структуре Li-ion аккумулятора есть катод из производных лития на алюминиевой фольге и графитовый анод на фольге из меди. В качестве производных лития используются различные соединения: LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, LiNiO2, LiMnRON, LiC6, LiMnO2, Li4Ti5O12 и др. Между катодом и анодом находится пористый сепаратор, пропитанный электролитом с функциями проводника. Заряд переносят ионы лития, легко встраиваемые в кристаллическую решетку пористого углерода и вызывающие соответствующую химическую реакцию.

Конструкция из электродов и находящегося между ними сепаратора сворачивается в виде рулона и помещается в герметичную оболочку из стали, алюминия или полимерного материала. При этом электроды подсоединяются к токосъемникам. В итоге получаются Li-ion элементы цилиндрической или призматической формы – в зависимости от принципа сворачивания фольги. Самый распространенный типоразмер Li-ion аккумуляторов в форме цилиндра – 18650.

Как работает Li-ion аккумулятор

Принцип действия литий-ионного аккумулятора заключается в создании необходимых условий для перемещения ионов лития между катодом и анодом:

При подаче на электроды напряжения ионы лития отрываются от катода, переходят через сепаратор к графитовому аноду и встраиваются в его молекулярную структуру. В результате протекает реакция окисления, и аккумулятор заряжается.
При подаче нагрузки ионы лития перемещаются обратно к катоду. Углеродистая пластинка на медной фольге становится «минусом», а производные лития на алюминии – «плюсом».

Задачи и функции BMS платы

Слабым местом Li-ion аккумуляторов считается их чувствительность к перезарядам и глубоким разрядам. Чтобы напряжение элементов автоматически поддерживалось в безопасном диапазоне, батарея оснащается BMS платой контроля и защиты. Она автоматически размыкает выходные ключи – отключает АКБ от нагрузки при критическом разряде и от сети при полном заряде. БМС плата оберегает элементы питания и от короткого замыкания. В таких ситуациях напряжение на элементах питания резко просаживается, и мгновенно срабатывает защита от глубокого разряда. Тем самым модуль защиты продлевает срок службы АКБ.

Основой BMS платы выступает микросхема. В ней есть полевые транзисторы, используемые для раздельного управления защитой на протяжении заряда и разряда ячеек. Плата защиты следит, чтобы напряжение на каждой ячейке не превышало 4,2 В и не опускалось ниже 2,3 В. Также в схеме обычно присутствует датчик, замеряющий уменьшение напряжения на полевых транзисторах. Функции измерительного шунта выполняет переходное сопротивление транзисторов. В ряде плат дополнительно используется детектор токовых перегрузок.

Как работает контроллер заряда в литиевой батарее

Контроллер заряда – важная составляющая зарядного устройства, которая обеспечивает правильный режим подзарядки. Для литиевых элементов это режим CC/CV – вначале осуществляется зарядка при неизменном токе, а затем – при стабильном напряжении.

Контроллер ограничивает зарядный ток и контролирует объем энергии, поступающей на ячейки в единицу времени. Избыточную энергию он рассеивает в виде тепла. При достижении порога срабатывания 4,2 В контроллер переключается в режим стабилизации напряжения и плавно уменьшает ток заряда.

Режимы работы литиевых АКБ

Есть 2 основных режима использования литиевых АКБ:

Буферный – например, в современных источниках бесперебойного питания. Батарея в таком случае постоянно подпитывается от электросети, а при перебоях в электроснабжении – отдает накопленный заряд подключенному к ней оборудованию. Когда электроснабжение от сети восстанавливается, АКБ снова подзаряжается и находится в режиме постоянной готовности к дальнейшему использованию.

Циклический – подразумевает чередование фаз заряд-разряд, когда после пассивной фазы восстановления заряда следует продолжительная фаза активной работы. В таком режиме работают аккумуляторные батареи электровелосипедов и других видов персонального электротранспорта, погрузчиков, поломоечных машин, электромобилей, мотолодок, мобильных кофемашин и другой техники. Срок службы таких АКБ измеряется не годами, а количеством циклов глубокого разряда (до 80%) и последующего заряда.

Литий-ионные батареи успешно используются и в буферном, и в циклическом режиме. Если эксплуатация АКБ подразумевает жесткие условия и частые глубокие разряды, лучше всего с такими задачами справляются литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4).

В частности, они используются для питания лодочных электромоторов, складской и клининговой техники, е-байков и других видов электротранспорта.

Старение и деградация литиевых АКБ

В результате циклического заряда-разряда литиевые аккумуляторы постепенно «стареют» – ионы лития не всегда возвращаются в свое исходное положение, состояние катода меняется, в системе накапливаются продукты окисления. В итоге аккумуляторная батарея медленно и безвозвратно утрачивает часть своей емкости.

Считается, что при потере 30% исходной емкости жизненный цикл батареи завершается. При потере емкости на 50% батарея подлежит утилизации. Рабочий ресурс батареи определяется как количество полных циклов заряда-разряда до тех пор, когда емкость АКБ снизится на 20%. В среднем ресурс Li-ion аккумуляторов составляет 1000 циклов, у моделей вида LiFePO4 – более 2000, а у литий-титанатных – более 20 000.

Как устроен литий-ионный аккумулятор? | Вольтмаркет

Автор:
Сергей Куртов

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 07-02-2023

Рейтинг статьи: (4)

Содержание

Представление о современном мире было бы абсолютно другим, если бы не существовало литиевых аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы стали частью технологической революции, результаты которой мы постоянно наблюдаем вокруг себя (смартфоны, планшеты, ноутбуки и с недавних пор электротранспорт).

Несмотря на существование более продвинутых источников питания, например литий-титанатных ячеек (LTO), именно Li-Ion стали по-настоящему массовыми. Это связано с компактными размерами источника питания, невысокой ценой производства и оптимальным ресурсом работы. Под оптимальным ресурсом понимается далеко не самый длительный срок службы, а наоборот: литиевый аккумулятор зачастую соответствует жизненному циклу техники.

В связи с распространенностью элементов Li-Ion, полезно знать, как устроен литий-ионный аккумулятор, как правильно его эксплуатировать и в каких случаях он представляет опасность.

Как работает литий-ионный аккумулятор

В общих чертах строение литиевой батареи похоже на старые добрые свинцово-кислотные АКБ: здесь тоже есть анод, катод и электролит. Активными веществами здесь выступают графит (минус) и оксид лития (плюс). Конечно, анод и катод не состоят исключительно из перечисленных выше веществ. Данные вещества наносятся тонким слоем на медную и алюминиевую фольгу соответственно. Между листами фольги располагается разделитель, пропитанный электролитом.

В итоге получается эдакий пласт из тонких листов фольги, который и представляет собой литий-ионный аккумулятор. Далее этот пласт скручивается в трубочку – и получается стандартный цилиндрический элемент 18650 и других типоразмеров.

А каким образом описанная выше структура вообще способна накапливать и отдавать электроэнергию? Тут все тоже довольно-таки интересно. Электрический ток – это движение заряженных частиц. Именно это движение нам требуется обеспечить. Цикл работы литий-ионного аккумулятора можно представить следующим образом:

Процесс заряда. При подключении внешнего источника питания от стабильного оксида лития на алюминиевой пластине отделяются крайне нестабильные атомы лития. На внешней орбите атома имеется электрон, который стремится отделиться. Это мгновенно и происходит с атомом лития. Отделившийся электрон не может пройти через слой разделителя – тот пропускает только положительные ионы. Поэтому электрон минует разделитель через внешнюю цепь (зарядное устройство), попадая на медную пластину. После этого оставшиеся на “минусе” положительные ионы лития тоже начинают “притягиваться” положительным полюсом. Они беспрепятственно преодолевают разделитель. В итоге мы имеем положительный полюс, состоящий из слоев графита, которые захватили электроны лития и его ионы. В таком состоянии Li-Ion аккумулятор считается заряженным.

Процесс разряда. Пока к аккумулятору не подключается внешняя цепь в виде нагрузки, ионы и электроны лития остаются в слоях графита. Но стоит подключить к АКБ потребителя, как начнется активное движение. Ионы “поспешат” вернуться на свое место, протекая через разделитель. Электроны, как и ранее, пройти его не могут и вынуждены двигаться через внешнюю цепь, которая представляет собой потребителя электроэнергии. Пусть это будет традиционная лампочка. Протекая из положительной пластины через потребителя, электроны образуют электрический ток. Достигнув пункта назначения, ионы лития и электроны снова становятся частью стабильного оксида лития.

Таким образом, основной идеей литий-ионных аккумуляторов является то, что электронам требуется внешняя цепь, чтобы перетечь вслед за положительными ионами. Именно на счет этого аккумулятор может как заряжаться, так и разряжаться – меняется лишь направление движения частиц.

Опасны ли Li-Ion аккумуляторы

Как мы теперь знаем, в работе литиевого аккумулятора замешаны нестабильные вещества, которые то и дело норовят высвободить энергию. В процессе электрохимической реакции выделяются газы, так как когда ионы лития оседают на одной пластине, на другой образуются соли кислорода. Как и в случае с необслуживаемыми свинцово-кислотными АКБ, в случае нормальной работы газовыделение полностью контролируется. Но в случае перегрева или перезаряда аккумулятор может вздуться от внутреннего давления.

Как правило, АКб мобильных гаджетов оснащены контроллером и нарушение параметров заряда практически невозможно. Но всегда есть место заводскому браку или халатности “no-name” производителей, в результате чего аккумулятор может представлять опасность. Если АКБ вздулась – незамедлительно ее утилизируйте, иначе может случиться воспламенение.

Как взрываются литий-ионные аккумуляторы? Опять же, все снова связано с нестабильностью лития. При контакте с кислородом он тут же воспламеняется. Поэтому герметичность элемента питания очень важна. Также одной из стандартных причин возгорания может стать короткое замыкание между положительной и отрицательной пластиной. Наиболее часто это происходит из-за сочетания сильной степени износа и допущения перегрева, который негативно сказывается на целостности электролита. Разделитель призван защитить пользователя от внутреннего короткого замыкания, однако вероятность этого все равно имеется.

Что же делать, если аккумулятор вот-вот загорится или уже горит? Можно ли тушить литиевую батарею водой? Выше мы уже обратили внимание, что литий активно реагирует с кислородом, который в том числе имеется в составе воды. Поливать аккумулятор не рекомендуется, так как это может спровоцировать взрыв элемента. Пользователи, имевшие дело с воспламенением литий-ионного аккумулятора, советуют дать реакции закончится естественным способом, поместив АКБ в безопасное место, например в закрытую кастрюлю. Если же аккумулятор уже горит и взять его невозможно, очаг следует накрыть чем-то негорючим. Опять же, условная кастрюля, которой можно накрыть АКБ, отлично для этого подходит: и не допустит распространение огня, и перекроет доступ кислорода.

10 устройств с литий-ионными батареями и способы их утилизации – RecycleNation

В литий-ионной батарее анод и катод удерживают ионы лития. Электролит переносит ионы лития из одной области в другую через часть, называемую сепаратором. Движение между анодом и катодом создает электрический заряд на положительной и отрицательной частях батареи.

Когда устройство использует электрический ток, анод выделяет ионы лития на катод по мере необходимости. Когда аккумулятор заряжается, путь от катода к аноду меняется на противоположный. Литий-ионные аккумуляторы являются перезаряжаемыми, что делает их важными компонентами многих современных электронных устройств. Когда батарея больше не держит заряд, пришло время их утилизировать. Вы не можете просто выбросить их. Их необходимо правильно утилизировать.

Как вы перерабатываете литий-ионные батареи? Чтобы лучше понять, как утилизировать эти аккумуляторы, нужно посмотреть на само устройство. Вот 10 устройств с литий-ионными батареями и лучший способ их переработки.

#1 — Bluetooth-гарнитуры и наушники

Многие марки Bluetooth-гарнитур и наушников используют литий-ионные аккумуляторы. Если у вас есть устройство, которое больше не работает, вам нужно тщательно решить, что с ним делать. Их нельзя выбрасывать. Посмотрите, есть ли у вас местное предприятие по переработке, которое принимает старую электронику.

Подумайте о покупке у таких компаний, как Jlab. Они предлагают скидку потребителям, которые возвращают им сломанные или отслужившие свой срок гарнитуры и наушники при покупке нового устройства. Они позаботятся о том, чтобы ваши старые гарнитуры и наушники отправились в центр утилизации.

#2 – Сотовые телефоны

Посмотрите на свой мобильный телефон. У большинства людей он есть и они используют его ежедневно, но через год или два телефон устаревает и устаревает. Когда приходит время для обновления, некоторые операторы позволяют вам обменять свой мобильный телефон на более новую модель. Это может упростить управление переработкой литий-ионных аккумуляторов, металла, стекла и пластика.

Если это невозможно, узнайте, принимает ли ваш местный приют для женщин в качестве пожертвований рабочие старые сотовые телефоны. Некоторые делают это, чтобы предоставить женщинам недорогой мобильный телефон, которым они могут пользоваться. В противном случае проверьте местное предприятие по переработке отходов, чтобы узнать, есть ли там ящик для отходов.

#3 – Периферийные устройства компьютера

Иногда компьютерная мышь работает на щелочных батареях. Все больше устройств имеют порты USB, которые позволяют заряжать внутреннюю литий-ионную батарею по мере необходимости. Logitech, Microsoft и Surface — лишь некоторые из компаний, которые продают перезаряжаемые мыши.

Компания Logitech гордится тем, что использует переработанный пластик и металлы во многих своих компьютерных периферийных устройствах. Вы можете посетить их веб-сайт, чтобы найти местные предприятия и учреждения, которые принимают литий-ионные батареи. Если в вашем районе есть магазин Amazon, компания сотрудничает с ERI и имеет безопасные контейнеры для переработки электроники в нескольких городах. Оставьте свою мелкую электронику в этих безопасных контейнерах и знайте, что ваш предмет будет переработан должным образом или включен в программу восстановления Amazon «Второй шанс», если предмет все еще имеет ценность.

#4 – Цифровые фотоаппараты

Цифровой фотоаппарат имеет литий-ионный аккумулятор, стеклянные линзы, металл и много пластика. Все это должно быть переработано ответственно. Это несложно. Извлеките все карты памяти, прежде чем отправлять их на переработку, и убедитесь, что вы загрузили все фотографии, чтобы не потерять ценные изображения.

Программа Amazon Second Chance также является хорошим способом утилизации ненужных цифровых камер. Вы можете сдать камеры в UPS для ответственной утилизации. Амазон оплачивает даже доставку! Если у вас нет местного пункта ИБП, используйте Recycle Nation’s средство поиска предприятия по переработке , чтобы найти местное предприятие по переработке.

#5 – Электронная книга

Электронная книга, такая как Barnes and Noble Nook или Amazon Kindle, содержит важную информацию, такую как ваше имя, местоположение, покупки и книги. Когда устройство больше не работает должным образом или вы решили его обновить, важно тщательно утилизировать его. Во-первых, литий-ионный аккумулятор вызывает беспокойство. Во-вторых, у вас также есть стеклянные, металлические и пластиковые компьютерные компоненты, которые могут загрязнять почву и грунтовые воды, если их не утилизировать должным образом.

Начните с производителя. У Amazon Kindle есть программа, по которой они принимают ваш старый Kindle в обмен. Это облегчает переработку. Если это не вариант, обратитесь в местное предприятие по переработке отходов.

#6 — Игровые контроллеры

Независимо от того, являетесь ли вы владельцем Playstation, Xbox или Nintendo или используете игровой контроллер на своем игровом ПК, в большинстве контроллеров используются литий-ионные или щелочные батареи. Если контроллер является перезаряжаемым, у вас есть литий-ионный аккумулятор, который необходимо правильно утилизировать. Когда контроллер перестает работать, его нельзя просто выкинуть в мусорку.

Утилизируйте свои игровые контроллеры так же, как и любой другой небольшой электронный предмет. Начните с местного предприятия по переработке отходов. Если это не вариант, подумайте о покупке нового контроллера через GameStop. GameStop принимает взамен, которые компания затем ремонтирует для перепродажи или перерабатывает должным образом.

#7 — Ноутбуки

Литий-ионные аккумуляторы в современных ноутбуках — это лишь одна из причин, по которой вам необходимо утилизировать свой ноутбук. Компоненты компьютера содержат тяжелые металлы, такие как свинец и ртуть. Кроме того, у вас много пластика и немного стекла. Ноутбуки легче утилизировать, чем вы думаете, поскольку у большинства производителей есть программы утилизации.

Dell и HP предлагают пункты приема на всей территории США. В вашем местном магазине Staples могут проводиться мероприятия по переработке в магазине или сезонные мероприятия по переработке. Best Buy — еще один магазин, который предлагает переработку в магазине. Вы можете найти полный список программ утилизации компьютеров в EPA.

#8 – Смарт-часы

По оценкам, в 2019 году в США было продано более 20 миллионов смарт-часов. Когда ваши смарт-часы перестают работать или больше не держат заряд, вам необходимо ответственно отнестись к их переработке. Смарт-часы состоят из стекла, пластика и небольших компьютерных компонентов, содержащих много металла. Это в дополнение к литий-ионному аккумулятору и кожаному, металлическому или силиконовому ремешку.

Когда вы покупаете новые смарт-часы, ищите производителей, которые принимают их в обмен. Это избавляет вас от необходимости искать способ утилизации ваших часов. Если вы не покупаете новый, рассмотрите программу Trade-In от Target. Найдите свои смарт-часы в списке магазина, узнайте, сколько они стоят, отправьте их компании с предоплаченной этикеткой доставки и получите подарочную карту Target, которую можно использовать при будущих покупках.

#9 – Детекторы дыма/огня/угарного газа

Иногда ваши датчики дыма, огня и угарного газа рассчитаны на 10 лет и снабжены литиевой батареей, рассчитанной на десятилетнюю работу без замены батареи. В этот момент вы удаляете весь блок и заменяете его новым.

Детекторы дыма могут использовать ионизационную или фотоэлектрическую сигнализацию. Фотоэлектрические датчики лучше справляются с задымлением, используя свет внутри камеры для обнаружения дыма. Ионизационная сигнализация использует радиоактивные материалы для создания ионов, которые помогают идентифицировать дым. В тепловых извещателях используется электропневматическая или термопарная технология для обнаружения внезапных изменений комнатной температуры.

В зависимости от вашего детектора дыма/пожарной сигнализации производитель может забрать его обратно. First Alert бесплатно забирает их детекторы ионизации, если вы не вернете им более четырех. Kidde рекомендует доставить их на местный завод по переработке.

#10 – Планшеты

Планшеты, такие как iPad или Samsung Galaxy Tab, также содержат литий-ионный аккумулятор. По истечении срока службы эти таблетки необходимо утилизировать надлежащим образом. Помимо батареи, эти планшеты содержат металлические, стеклянные и пластиковые компоненты, которые также можно перерабатывать.

Чтобы утилизировать планшет, обратитесь в местное предприятие по переработке. В большинстве штатов есть пункты самовывоза. Однако будьте осторожны, так как личные данные, такие как ваша банковская информация или SSN, остаются на жестком диске, даже если вы выполняете восстановление заводских настроек. Вы хотите, чтобы ваш планшет попал в руки учреждения, имеющего сертификаты eStewards и R2. Таким образом, вы можете быть уверены, что ваши данные будут уничтожены до того, как они будут отправлены в шредеры для переработки или восстановления.

Если вы не можете заставить производителя забрать ваш товар, и у вас нет местного предприятия по переработке, что вы делаете? У ERI есть гораздо более простой способ переработки всех 10 перезаряжаемых электронных устройств. Свяжитесь с ERI и спросите о наших безопасных контейнерах для утилизации. Вы можете упаковать свою электронику в предоплаченную коробку, отправить ее в ERI для обработки и предотвратить попадание всех литий-ионных аккумуляторов на свалку.

PackSafe – литиевые батареи | Федеральное авиационное управление

Блоки питания, чехлы для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов, перезаряжаемые и неперезаряжаемые литиевые аккумуляторы, аккумуляторы для сотовых телефонов, аккумуляторы для ноутбуков, блоки питания, внешние аккумуляторы, портативные зарядные устройства

Несмотря на то, что литиевые батареи должны проходить испытания на безопасность, все литий-ионные батареи могут перегреваться и подвергаться процессу, называемому тепловым выходом из строя. Термический выход из строя может произойти без предупреждения в результате различных факторов, в том числе в случае повреждения, перегрева, воздействия воды, перезарядки или неправильной упаковки аккумулятора. Тепловой разгон также может происходить сам по себе из-за производственного брака.

Летные экипажи обучены распознавать и реагировать на возгорание литиевых батарей в салоне. Пассажиры должны немедленно уведомить летный экипаж, если их литиевая батарея или устройство перегреваются, расширяются, дымятся или горят.

Запасные (неустановленные) ионно-литиевые и литий-металлические аккумуляторы, включая блоки питания и футляры для зарядки аккумуляторов сотовых телефонов, должны перевозиться только в ручной клади . При проверке ручной клади у выхода на посадку или на борту самолета все запасные литиевые батареи и блоки питания должны быть извлечены из сумки и храниться у пассажира в салоне самолета. Клеммы аккумулятора должны быть защищены от короткого замыкания.

Сюда входят запасные литий-металлические и перезаряжаемые ионно-литиевые батареи для персональных электронных устройств, таких как фотоаппараты, сотовые телефоны, портативные компьютеры, планшеты, часы, калькуляторы и т. д. Сюда также входят внешние зарядные устройства (портативные зарядные устройства), содержащие ионно-литиевую батарею. Для литиевых батарей, установленных в устройствах (ноутбуках, сотовых телефонах, фотоаппаратах и т. д.), см. позицию «портативные электронные устройства, содержащие батареи» .

Ограничения по размеру : Литий-металлические (неперезаряжаемые) батареи ограничены 2 граммами лития на батарею. Литий-ионные (перезаряжаемые) батареи ограничены номинальной мощностью 100 ватт-часов (Втч) на батарею. Эти ограничения позволяют использовать почти все типы литиевых батарей, которые обычные люди используют в своих электронных устройствах. С разрешения авиакомпании пассажиры также могут перевозить до двух запасных литий-ионных аккумуляторов большего размера (101–160 Втч) или литий-металлических аккумуляторов (2–8 грамм).

Этот размер охватывает более крупные аккумуляторы для портативных компьютеров с увеличенным сроком службы, а также некоторые более крупные аккумуляторы, используемые в профессиональном аудио- и видеооборудовании.

Ограничения по количеству : Нет для большинства аккумуляторов, но аккумуляторы должны использоваться пассажиром. Аккумуляторы, перевозимые для дальнейшей продажи или распространения (образцы поставщиков и т. д.), запрещены. Для более крупных литий-ионных аккумуляторов, описанных выше (101–160 ватт-часов на аккумулятор), существует ограничение в два запасных аккумулятора на человека.

Батареи должны быть защищены от повреждений.

Клеммы аккумулятора (обычно концы) должны быть защищены от короткого замыкания (т. е. клеммы не должны соприкасаться с другим металлом). Методы включают в себя: оставить батареи в их розничной упаковке, заклеить клеммы батареи лентой, использовать футляр для батареи, использовать чехол для батареи в сумке для камеры или аккуратно поместить их в пластиковый пакет или защитный чехол.

Как работает литиевая батарея – подробное устройство