АвтоАккумулятор литий ионный автомобильный – техническая характеристика, классификация, инструкция по использованию, спецификация, установка и особенности эксплуатации

Аккумулятор литий ионный автомобильный – техническая характеристика, классификация, инструкция по использованию, спецификация, установка и особенности эксплуатации

Содержание

Литиевый аккумулятор для автомобиля: преимущества и недостатки

Литиевый аккумулятор для автомобиля набирает все большую популярность. Легкие литиевые аккумуляторы разработаны для целого ряда транспортных средств, начиная от мотоциклов и заканчивая военной техникой. Растущий спрос на них заставил поставщиков и ученых сосредоточиться на повышении плотности энергии, рабочей температуры, безопасности, долговечности, времени зарядки и выходной мощности литий-ионных батарей.

Литиевый аккумулятор для автомобиля

Литиевый аккумулятор для автомобиля

Разработка литиевых АКБ началась с 1912 года под руководством Г.Н Льюиса, но появились первые литиевые неперезаряжаемые источники питания только в начале 1970-х годов. В 1980-х годах попытались разработать перезаряжаемый питающий элемент, но разработка не удалась из-за нестабильности в металлическом литии, используемом в качестве основного материала.

Литиевая батарея использует литий в качестве анода. АКБ Lion используют графит в качестве анода и активных материалов в катоде.

В связи с нестабильностью лития во время зарядки ученые стали использовать неметаллический раствор с использованием лития. В 1991 году фирма «SONY» запатентовала первый ион Li батарею. Продолжая развиваться, она остается популярной и перспективной на мировом рынке.

Свинцово-кислотные источники питания уступают литий-ионным автомобильным аккумуляторам по многим показателям. Вес литиевых АКБ на 80 % легче свинцово-кислотных. В батарее Lion долгое время сохраняется зарядка, срок службы достигает десяти лет.

С другой стороны, цена на автомобильные литиевые аккумуляторы в несколько раз превышает стоимость свинцово-кислотных.

Автомобильный литий-ионный аккумулятор часто используется в электромобилях. Электромобиль приводится в движение, используя энергию источника питания.

использования литиевых аккумуляторов для автомобилей

использования литиевых аккумуляторов для автомобилей

Типы батарей электромобиля

В электромобилях используется три типа аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, батареи гидрида металла никеля и литий-ионные источники питания.

Свинцово-кислотные АКБ изобретены в 1859 году и считаются привычной формой источника питания. Они использовались во всех типах автомобильного транспорта. Это вид жидких батарей, которые содержат емкости со слабым раствором серной кислоты.

Свинцовые электроды и кислота используется для производства электроэнергии в АКБ. Источник питания не имеет сложности в обслуживании и отличается небольшой стоимостью. Но содержит опасные газы, которые приводят к взрыву при неправильной эксплуатации.

Типы-батарей-электромобиля

Типы-батарей-электромобиля

Никель-металлогидридные аккумуляторы используются с 1980 года. Это маленькая, легкая и вместительная батарея, которая имеет высокую плотность и не содержит никаких токсических металлов.

Литий-ионные аккумуляторы для автомобилей используются с начала 1990 года. Они отличаются очень высокой плотностью энергии.

Из-за облегченных и низких требований к техническому обслуживанию, литий-ион используется в электронных устройствах, часто в портативных компьютерах.

Этот тип питающих элементов считается лучшим для питания электромобилей.

Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются

В настоящее время используются три вида LIB, которые отличаются материалами катода.

Катоды лития, содержащие кобальт (Limo2).

Этот тип особенно эффективен. Кобальтовый ион Со3+ маленький, поэтому катод построен таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещаются. Это важно для высокой плотности энергии и емкости, чтобы выпускать маленькие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях.

Катоды лития, содержащие кобальт

Катоды лития, содержащие кобальт

Литий-кобальтовый оксид LiCoO2 (LCO) – это тонкое устройство чувствительно к повреждениям, поэтому используется лишь в электроприборах.

Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Обеспечивая хорошую плотность энергии и высокую мощность, эти материалы используются как литиевые аккумуляторы 12 вольт для автомобиля.

Литий-Никель-Марганец-Кобальт-Оксиды (NMC) – прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом существует несколько вариантов, в которых металлы содержат никель, марганец и кобальт в различных соотношениях. Чем больше доля никеля – тем выше содержание энергии.

Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).

Этот вид также прочен, но имеет низшую плотность энергии, чем катоды LiMО2. Китайские производители используют для электромобилей городского цикла. Заряда хватает на короткие расстояния.

Катоды из оксида марганца-лития (LiMn2O4 или LMO).

Этот вид раньше использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.

В этом видео описаны подробные характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровки маркировок.

Преимущества литиевых аккумуляторов

  • Очень высокая плотность энергии. Превосходит в четыре раза свинцово-кислотные источники питания.
  • Высокое напряжение клеток. Литий-ионная ячейка заменяет три ячейки NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения в клетках. Чем больше напряжение в клетках, тем меньше клеток требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
  • Переносят высокие токи разряда. Это позволяет работать автомобильным приборам, таким как холодный стартер или приводы для гибридных автомобилей с маленькой емкостью АКБ.
  • Увеличивают мощность и производительность, в зависимости от требований.
  • Имеют возможность быстрой зарядки.
  • Отсутствует эффект памяти – полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
  • Низкая скорость саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
  • При заряде батареи на 100 % способна отдать энергию тока без технических повреждений.

Вариации базового химического состава (например, различные анодные и катодные материалы) позволяют разнообразить характеристики производительности для конкретных применений.

Преимущества литиевых аккумуляторов

Преимущества литиевых аккумуляторов

Также доступны батареи маленького размера. Материал электрода и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (оксид алюминия/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для производства энергии высокой плотности для тонких и плоских батарей.

Недостатки литий-ионных батарей

  • Чувствительность к глубокой разрядке, перегрузка и слишком высокая температура. Но на практике это редко является проблемой. Аккумуляторы уже имеют встроенную электронику, которая защищает от негативных влияний. При использовании LIB без встроенной электроники рекомендуется использовать зарядное устройство, которое для нее предназначено.
  • Повышенная чувствительность к высоким и низким температурам. Оптимальная рабочая температура в пределах 10–35 градусов. При низких температурах мощность батареи падает. Также существуют специально предназначенные ионные источники питания для низких температур, которые поддерживают заряд при температуре -40 градусов, только с ограниченными разрядными потоками.

Безопасность литиевых батарей

При перегреве или перезарядке LIB могут подвергаться разрушению. Это приведет к утечке ядовитых газов, взрыву и пожару. Чтобы этого избежать, батарея лития содержит отказоустойчивую схему, которая отключает источник питания, когда напряжение находится в опасном диапазоне.

Короткое замыкание приведет к перегреву, возгоранию и взрыву. Литий-ионные аккумуляторы, в отличие от свинцово-кислотных, изготавливаются под высоким давлением, они имеют легковоспламеняющийся жидкий электролит. Их качество строго контролируется при изготовлении.

Литий-ионный аккумулятор для автомобиля имеет множество положительных характеристик, но использование его в бензиновых и дизельных двигателях не эффективно и в данное время не применяется. Генератор, который вырабатывает переменный ток в автомобиле, не приспособлен заряжать данный вид аккумуляторов.

Это видео расскажет об использовании литий-ионных аккумуляторов для бензиновых и дизельных двигателей.

3batareiki.ru

Литиевый АКБ для автомобиля: плюсы и минусы

Обычно мы привыкли, что на автомобилях в качестве аккумуляторов используются свинцово-кислотные с различными добавками в пластинах батареи. Добавки могут быть от кальция до серебра, электролит может иметь форму геля, жидкости или быть запечатанным в AGM. Возникает логичный вопрос, вот в мобильниках используются эффективные литиевые батареи, почему такие же не ставят в автомобили?

 

Почему Литий-ионные аккумуляторы не ставят на машины

 

Литиевые батареи в автомобилях

 

Литиевые аккумуляторы – довольно непростая вещь в контексте автомобильной тематики. Их неохотное использование обросло множеством мифов, однако есть и вполне объективные причины, делающие установку таких батарей в данный момент нежелательной. На заре изобретения литиевых батарей в минусе был металлический литий, потом его сменил кокс, а сегодня всё больше распространяется графит. После добавления оксида кобальта аккумуляторы снизили свой нижний температурный порог, а также повысилось количество циклов заряд\разряд. Все литиевые батареи оснащены специальной защитной платой, контроллером. Li-ion батареи по материалу катода различают:

 

  • Кобальто литиевые – LiCoO2;
  • Литий полимерные – LiPol

 

Литий-ионные аккумуляторы

 

Отличие основное такого аккумулятора в том, что электролит у него не жидкость, а полимер. Характеристики у полимеров существенно лучше, низкий саморазряд, более высокая плотность, компактность, отсутствует эффект памяти. Рабочая температура от минус двадцати. Наиболее перспективным для оснащения автомобилей специалисты считают LiFEPO4. В этом аккумуляторе материал катода с добавлением железа, а также фосфатов. Из основных преимуществ этого варианта можно выделить:

 

  • Долговечность, батарея очень медленно теряет свою ёмкость. На длительном промежутке времени это очень заметно.
  • Стабильно держит напряжение разряда, отклонения от правильных 12,8В минимальное.
  • В составе нет кобальта, то есть батарея нетоксична, угрозы экологии нет.
  • Пиковые токи существенно выше обычных Liion.
  • Разряжается медленнее.
  • Не взрывоопасен, поскольку термическая стабильность на высоте.
  • Может работать в условиях низких температур, вплоть по минус пятидесяти градусов.

 

Из минусов внимания заслуживает меньшая удельная плотность, да и контроллер использовать обязательно.

 

Преимущества Литий-ионных аккумуляторов

 

Так свинец или литий?

 

Если брать энергетическую плотность, то здесь впереди, конечно, литиевые элементы, у них гораздо лучше дела с продолжительностью жизненного цикла, заряжаются быстрее, лучшее сопротивление, нет практически саморазряда. Однако практически не ставят их, почему? Всё, на самом деле, банально, они дорогие, к тому же хуже себя чувствуют, чем кислотные на морозе. Безопасность свинцово кислотных батарей гораздо выше, что время от времени нам показывают случаи с возгоранием аккумуляторов в смартфонах.

Другие записи по теме:

autowestnik.ru

Литиевый аккумулятор для автомобиля — Мобильные Электросистемы

Преимущества литиевых аккумуляторов хорошо известны. При равной номинальной емкости литиевая батарея весит в три раза меньше свинцово-кислотной и занимает в два раза меньше места. Заряжаемый током  0,5С литиевый АКБ выдерживает в 20 раз больше циклов чем  свинцово-кислотный, поэтому с учетом срока службы он на сегодня самый дешевый и выгодный.

Характеристики литиевых аккумуляторов делают их идеальными источниками автономного питания на автомобилях с дополнительным бортовым оборудованием и на тех транспортных средствах где свободного места для установки массивной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи недостаточно.

Содержание статьи

Количество циклов литиевого АКБ

Срок службы аккумулятора измеряют в циклах заряда – разряда. Аккумулятор считается непригодным для дальнейшего использования когда его емкость падает ниже 80% от первоначального номинального значения. Количество циклов можно рассматривать как способность ячеек сохранять и передавать энергию потребителям. Литиевые батареи обычно выдерживают не менее 1000 циклов.

Изменение емкости аккумуляторов разного типа в процессе эксплуатацииРезультаты испытаний нескольких аккумуляторов глубокого разряда разного типа. Специальное устройство разряжало четыре аккумулятора током 25 А до 10,5 вольт и затем заряжало их таким же током до 14,4 Вольт. В реальной жизни аккумуляторы часто подвергаются таким же нагрузкам. В испытаниях участвовали недорогой жидко-кислотный аккумулятор, две модели AGM и LiFePo4 аккумулятор. Аккумулятор с жидким электролитом вышел из строя после 18 циклов. AGM — после 180. Состояние литиевого аккумулятора не изменилось

Со временем ячейки стареют. Активные химические вещества в них разрушаются, емкость падает, а внутреннее сопротивление возрастает. На скорость старения влияют величина зарядного и разрядного тока, температура и глубина разряда. Устройством, продлевающим срок службы литиевого аккумулятора, является BMS. Хорошо продуманная электронная система управления контролирует состояние батареи, предотвращает ее перезарядку и защищает ячейки от повреждения при глубоком разряде

Зарядка LiFePO4 аккумулятора

Электрическую энергию можно «накачать» в аккумулятор быстро. Однако химические реакции не протекают мгновенно, поэтому состояние электролита между электродами окажется разным. Ближайшие к электродам слои «зарядятся», а расположенные дальше нет. Разница будет особенно заметна в ячейках с большой емкостью и объемом электролита.

Графики тока и напряжения во время зарядки LiFePO4 аккумулятораГрафики тока и напряжения во время зарядки LiFePO4 аккумулятора

Высокий зарядный ток не сильно ускоряет полную зарядку аккумулятора. Хотя заданное напряжение достигается быстрее, этап насыщения занимает больше времени. При высоком токе первая стадия оказывается короче, но зато вторая длиннее.

Максимально допустимый зарядный ток для аккумуляторов принято выражать в долях емкости. Например, если для литиевого аккумулятора емкостью 100 Ач указан ток 0,5C (где C — емкость аккумулятора), то его непрерывной ток зарядки не должен превышать 50 А. Как правило для литий-железо фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов максимальный ток равен 0,5-1С

Повышенная температура сигнализирует о неправильном алгоритме зарядки или о внутренних проблемах аккумулятора

LiFePO4 аккумулятор в автомобиле

Литиевые аккумуляторные батареи чувствительны к величине тока и напряжения зарядки. Несоблюдение рекомендованных значений сокращает срок службы ячеек, уменьшает их емкость и может даже разрушить, причинив много дорогостоящих повреждений.

Источник зарядки аккумуляторов в автомобиле – это генератор двигателя. Стандартный регулятор автомобильного генератора настроен на 14,0-14,4 Вольта, что позволяет быстро заряжать стартовый аккумулятор и защищает его от сульфатации. Небольшой перезаряд для свинцово-кислотного аккумулятора не страшен, поэтому напряжение остается постоянным в течении всего времени работы двигателя.

Схема подключения литиевого аккумулятора в автомобиле с помощью развязывающего релеаРеле развязки соединяет стартовый и сервисный аккумуляторы. Но оно не обеспечивает литиевый аккумулятор правильным зарядным напряжением и не защищает его от высокого тока. Реле не увеличивает напряжение, если оно слишком низкое и не уменьшает его до безопасного уровня, когда оно слишком высокое. Полностью заряженный литиевый аккумулятор остается под тем же напряжением как и во время зарядки. Реле не ограничивает ток генератора, поэтому ток получаемый аккумулятором может в несколько раз превзойти безопасный уровень, определенный производителем. При такой схеме подключения литиевый аккумулятор заряжается неправильно и подвергается опасности во время эксплуатации

14,4 Вольта подходит и для заряда LiFePO4 аккумуляторов. Но заряженный на 100% литиевый аккумулятор не должен постоянно находится под таким напряжением. Оно опасно для батареи и может повредить ее во время продолжительной поездки.

Несовместимость между зарядным напряжением и требованиями LiFePO4 аккумулятора возрастает еще сильнее на автомобилях с двигателями Euro 5/6+. Напряжение на «интеллектуальном» генераторе во время движения колеблется от 12 до 16 Вольт, а значит прежде чем заряжать LiFePO4 аккумулятор напряжение нужно как-то выровнять. Необходимо промежуточное устройство, связывающее BMS аккумулятора с системой зарядки автомобиля.

Схема подключения 12-вольтового литиевого аккумулятора для зарядки от автомобильного генератораЗарядное устройство устраняет недостатки реле. Ток, получаемый аккумулятором, ограничен номиналом устройства. Напряжение завит от состояния аккумулятора и изменяется по заданному алгоритму. Сначала зарядка аккумулятора идет максимальным током до 14,4 Вольт. После того как аккумулятор полностью зарядится напряжение уменьшается до 13,8 Вольт.

Задача буферного устройства обеспечить литиевый АКБ правильными профилями напряжения и тока. BMS же позаботится о безопасности ячеек и предотвратит неисправности, которые могут возникнуть. Промежуточное устройство – это управляемый микропроцессором DC-DC конвертер. Он поддерживает на выходе заданное стабильное напряжение и при слишком высоком, и при слишком низком напряжении генератора. Конвертер не только заряжает LiFePO4 аккумулятор по правильному алгоритму, но и ограничивает ток, не давая мощному автомобильному генератору повредить аккумуляторную батарею.

Модель BBW1212 BB1230 BB1260
Устройство для зарядки дополнительного автомобильного аккумулятора Sterling Power BBW1212 Устройство зарядки дополнительных аккумуляторов от генератора автомобильного двигателя Sterling Power BB1230 Устройство зарядки литиевых АКБ от генератора автомобильного двигателя Sterling Power BB1260
Максимальный ток, А 28 30 60
Входное напряжение, В 12 12 12
Выходное напряжение, В 12 12 12
Тип аккумуляторов LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 6 режимов зарядки LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 9 режимов зарядки LiFePO4, а так же GEL, AGM, жидкий электролит. Всего 9 режимов зарядки
Вес, кг 3,5 1,2 1,4
Размеры, мм 190 х 160 х 50 190 х 160 х 50 190 х 160 х 70
ЗАКАЗАТЬ ЗАКАЗАТЬ ЗАКАЗАТЬ

Как выбрать литиевый АКБ в автомобиль

Чтобы полностью использовать в автомобиле возможности LiFePO4 аккумулятора, нужно хорошо понимать как он будет эксплуатироваться и с какой нагрузкой ему предстоит работать. При создании электрической системы, работающей от дополнительного аккумулятора необходимо обращать внимание на следующее

Схема подключения 12-вольтовой литиевой батареи большой емкости для зарядки от автомобильного генератораАккумуляторная батарея большей емкости работает дольше, а время ее зарядки меньше. C DC-DС зарядным устройством переносной бензиновый генератор становится не нужен. Ведь под капотом уже имеется автомобильный генератор мощностью 1500-3000 Вт. Все что необходимо – это организовать доступ к такому мощному источнику энергии. Правильно подобранное зарядное устройство не только передает сервисным аккумуляторам большую мощность, но и представляет доступ к энергии генератора вспомогательным устройствам, например инвертору. Пусть в автомобиле установлен дополнительный литиевый аккумулятор емкостью 100 Ач, DC-DС зарядное устройство номиналом 30А и инвертор мощностью 2000 Вт. Суммарная мощность устройств переменного тока, подключенных к инвертору, 1,5 кВт. Когда все они работают одновременно, инвертор потребляет 150 А, и заряда аккумулятора хватает на 45 минут. Если завести двигатель, то через зарядное устройство от генератора потребителям поступит 25 А, а 125 А отдаст в цепь аккумулятор. В результате аккумуляторная батарея разрядится за 48 минут. Предположим зарядное устройство на 30А заменили максимально допустимой для этого аккумулятора моделью на 60А. Если нагрузка не изменилась, то от генератора через зарядное устройство будет поступать уже 50 А, а 100 А предоставит аккумуляторная батарея. Время работы аккумуляторов увеличится до 60 мин. В дополнение к уже имеющемуся литиевому аккумулятору можно установить точно такой же второй, увеличив тем самым емкость батареи до 200 Ач. Большая емкость позволит использовать зарядное устройство номиналом 120 А. При такой установке 100 А поступит потребителям от генератора, а 50 А даст аккумуляторная батарея и время ее непрерывной работы возрастет до 4 часов

BMS, рассчитанная на высокий ток. Непрерывный ток разряда и заряда аккумулятора должен быть 0,5 — 1C . Необходимо смотреть именно на непрерывный, а не максимальный рейтинг аккумулятора. Максимальное значение бессмысленно, если не указывается время в течении которого проводилось испытание. Хорошая BMS должна отключать аккумулятор при перегрузке, перезарядке, перегреве и слишком высоком напряжении. Для аккумулятора это жизненно важно

Стоимость. Один литиевый аккумулятор может быть почти в два раза дороже другого. Если это так, то очевидно, что в технологии изготовления и в способах использования аккумуляторов существуют различия. Однако нет смысла устанавливать дорогую модель, если более дешевая справится со своими задачами. Важно понять, что для вашей системы имеет решающее значение.

Максимальная скорость зарядки — одна из важных характеристик литиевого аккумулятора. У дешевых моделей ток зарядки может составлять всего 0,3C (30 А для аккумулятора емкостью 100 Aч). У дорогих — 1С или 100 А для аккумулятора той же емкости. Если необходимо максимально быстро заряжать единственный аккумулятор, потребуется модель рассчитанная на высокий ток. Но если в автомобиле есть место, то два менее дорогих аккумулятора  так же дадут возможность использовать ток силой 100 А,  скорость зарядки снизится, но зато емкость батареи увеличится до 200 Ач.

Схема подключения 12 и 24-вольтовых литиевых АКБ для одновременной зарядки от автомобильного генератораНа автомобиле может быть установлено две сервисных аккумуляторных батареи, одна 12, а другая 24-вольтовая. Для их зарядки потребуется два устройства: 12-12 и 12-24 с суммарным номиналом не превышающим возможности генератора. В противном случае для эффективной работы у генератора не останется избыточной мощности. Это не создаст технических проблем, но расчеты придется скорректировать соответствующим образом

Время работы аккумулятора без подзарядки. В отличии от свинцово-кислотного у литиевого аккумулятора доступно 100% емкости. Параллельно можно соединять любое количество аккумуляторов. При последовательном соединении менее дорогие модели часто имеют ограничение в 48 В

Мощность получаемая от генератора. Эта характеристика влияет как на емкость литиевой батареи,  так и на выбор зарядного устройства. Современные автомобильные генераторы имеют мощность около 2000 Вт. Если в автомобиле есть место только для одного дополнительного аккумулятора емкостью 100 Ач, то для его зарядки подойдет устройство номиналом 30 А. С его помощью генератор сможет заряжать дополнительный аккумулятор током примерно 25 А  и будет передавать аккумуляторам 350 Вт. Модель, номиналом 60 А, увеличит передаваемую мощность до 800 Вт. Для аккумулятора емкостью 100 Ач с максимальным током 0,5С этого окажется достаточно

Использовать в автомобиле дорогой LiFePO4 аккумулятор выгодно, когда все три параметра — мощность генератора, номинал зарядного устройства и допустимый ток зарядки аккумуляторов соответствуют друг другу. Например, если мощность автомобильного генератора 1400 Вт, а номинал зарядного устройства 120 А, то для аккумуляторной батареи емкостью 100 Ач с рейтингом 0,5С зарядный ток окажется недопустимо высоким. Но для аккумулятора с рейтингом 1С выбранное оборудование вполне подойдет.

Установка литиевого аккумулятора

Таблица сечений медного кабеля в зависимости от длины, силы тока и требуемого падения напряженияТаблица значений длительно допустимого постоянного тока в зависимости от сечения медного кабеля при напряжении 12 Вольт и температуре 60 С

Перед установкой аккумулятора необходимо убедится, что выбранные зарядные профили и разрядный ток соответствуют его характеристикам. Если это не так, BMS просто отключит аккумулятор из соображений безопасности. Если литиевый АКБ планируется заряжать от автомобильного генератора, особенно на автомобилях EURO 6,  необходимо использовать специальное зарядное устройство.

Вместо корпуса автомобиля в качестве отрицательного проводника, лучше использовать кабель, идущий от отрицательной клеммы сервисного к отрицательной клемме стартового аккумулятора.

Все кабели, подключенные к литиевой батарее, необходимо защищать предохранителями, установленными как можно ближе к аккумуляторной клемме. Номинал предохранителя должен на 30% превосходить максимально ожидаемый в цепи ток. Например, если к литиевому аккумулятору емкостью 100Ач подключено зарядное устройство на 60 А, то на входе и выходе устройства ставят предохранители по 80А

advanced-power.ru

Литиевая батарея для электроавтомобиля, преимущества и недостатки Li-ion аккумуляторов, история создания

Электромобили всё прочнее занимают своё место среди бытовых и промышленных транспортных средств. Благодаря тому, что гибридные авто в качестве источника питания используют электроэнергию, получаемую от аккумуляторов, они являются экологически чистыми механизмами. При выборе электромобиля автолюбители часто задаются вопросом, какая батарея лучше и как правильно обращаться с ней в процессе эксплуатации транспортного средства, чтобы максимально продлить срок и качество её работы.

Что представляет собой литиевая батарея

Первые литиевые батареи на основе металлического лития были созданы ещё в 70-е годы ХХ в., однако использование их было проблематично из-за большой химической активности лития. Они быстро нагревались и имели свойство взрываться или самовозгораться. Проблему удалось устранить только в 90-е годы, когда на смену чистому литию пришло применение его ионов.

Важно! Аккумулятор дополнительно оснащается предохранителем, который позволяет устранить избыточное напряжение в аварийной ситуации.

В наши дни литий-ионные АКБ (аккумуляторные кислотные батареи) являются наиболее востребованными источниками питания для электромобилей благодаря способности быстро накапливать и отдавать большое количество энергии. В электромобилях, в качестве источника питания, чаще всего используется литиевая батарея или литий-ионный аккумулятор. Такая батарея имеет отрицательно и положительно заряженные электроды, к которым клеммами подсоединяются токосъёмники.

Литий-ионные батарейки

В качестве отрицательно заряженного электрода (катода) используется углеродная матрица, которая может состоять из графита (природного или синтетического), сажи или углерода. Положительно заряженным электродом (анодом) служит литированый оксид никеля или кобальта, или литий-марганцевое соединение. Катод и анод разделены сепаратором, который имеет поры и пропитан электролитом. Электролит находится в герметичной капсуле.

При высвобождении свободных электронов на сепараторе, начинается процесс замещения в молекулах положительно и отрицательно заряженных электродов (ионы лития встраиваются в структуру матрицы углерода), что приводит к высвобождению энергии. Энергия по клеммам подаётся на провода и далее служит источником тяговой силы для электромобиля. Li-ion батарея полностью герметична. Это нужно для избежания утечки электролита и контакта электродов с кислородом или водой, что приводит к полной порче аккумулятора.

Принцип работы литиевой батарейки

Он может быть выполнен в виде плоскости или цилиндра:

  • в цилиндрической сборке электролит и сепаратор скручены в рулон и подсоединены внутри герметичного корпуса к катоду. Анодный электрод находится снаружи;
  • при сборке в виде плоскостей пластины укладываются одна на другую и представляют собой набор полноценных батареек.

Знаете ли вы? Как прогнозируют аналитики Bank of America и Oxford Institute for Energy Studies, к 2030 году 40% всего автотранспорта на планете будет электрическим, а к 2050-му — 95%. Уже сейчас в Китае планируется прекратить продажу бензиновых и дизельных автомашин в Пекине к 2020 году.

Преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы являются универсальными источниками электрического тока и пользуются большим спросом во всём мире. Они имеют свои плюсы и минусы.

К положительным сторонам Li-ion накопителя можно отнести:

  1. Экологичность — не загрязняет окружающую среду при выработке электроэнергии.
  2. Большой срок службы — до 10 лет с гарантией.
  3. Высокая энергетическая плотность при малом весе и габаритах — такие АКБ позволяют накопить большее количество заряда и питать автомобиль электроэнергией большее количество времени, чем другие их разновидности (например, NiCd и NiMH).
  4. Способны быстро заряжаться током высокого напряжения.
  5. Имеют низкую саморазрядность — 4–6% за 30 дней.
  6. Отсутствие необходимости полной зарядки и разрядки при введении в эксплуатацию.
  7. Позволяет использование при -20 и +50°С.
  8. Не требует регулярного использования — не портится при длительном хранении.
  9. Запас рабочих циклов (зарядка-разрядка) составляет около 1000 раз.

Литий-ионные аккумуляторы

Отрицательными сторонами литий-ионных АКБ являются:

  1. Высокая цена.
  2. Чувствительность к перезарядке или полной разрядке (обычно оснащается специальным предохранителем).
  3. При температуре ниже -20°С происходит снижение уровня заряда. При работе в условиях температур выше +50°С есть опасность перегрева и порчи АКБ.
  4. Плохо заряжается в условиях низких температур.
  5. При нарушении герметичности корпуса литий-ионная АКБ взрывоопасна.
  6. С ходом времени снижается уровень заряжаемости.
Рекомендуем для прочтения:

Применение литий-ионных батарей в электромобилях

Большинство литий-ионных источников питания для гибридных и электромобилей работают с напряжением 36 В и продуцируют мощность 15 кВт. Современные АКБ такого типа вмещают 0,8–2,6 кВт/ч на 1 кг своего веса, что намного больше, чем у других типов батарей.

Оптимальный уровень заряда такого источника питания составляет от 25 до 75%, что позволяет его владельцу не особенно переживать об уровне переразряда или перезаряда (для сравнения, никель-металлгидридный аккумулятор имеет оптимальный диапазон для зарядки всего от 40 до 60%).

Литиевая батарея для электроавтомобиляСовременные технологии позволили создавать такие литий-ионные аккумуляторы, которые при необходимости можно заменять не полностью, а отдельными блоками, удаляя места, где имеются повреждения.

При использовании электромобилей с литиевым источником питания, необходимо соблюдать следующие правила:

  • заряжать АКБ согласно инструкции;
  • следить за уровнем заряда;
  • не нарушать температурный режим — чтобы батарея не испортилась, её следует при необходимости нагревать или же охлаждать;
  • беречь от ударов и сильных вибраций, для чего при установке можно проложить амортизирующую прослойку;
  • для длительного хранения аккумулятор должен быть заряжен на 50% и находиться при температуре 0°С;
  • не нарушать герметичность корпуса аккумулятора — это приводит к взрывоопасности источника питания.

Знаете ли вы? Весной 2017 года чиновники из руководства Индии заявили, что правительство планирует электрифицировать все транспортные средства в стране к 2032 году.

При повреждении или истечении срока эксплуатации (когда падает энергоёмкость и это отражается на времени хода автомобиля), Li-ion источник питания возможно заменить. Процедура замены довольно длительная и проводить её следует в специальных сервисах. После установки нового аккумулятора, он должен пройти регистрацию и настройки через бортовой компьютер электрокара.

После того как АКБ не может более использоваться для питания электрокара, её можно утилизировать в специальных пунктах приёма, или использовать в быту, как накопитель энергии от солнечных батарей или ветрогенераторов.

Литиевая батарея в электроавтомобиле

Li-ion источник питания на сегодняшний день является самым популярным вариантом для использования в электрокарах и гибридных авто. Несмотря на сравнительную его дороговизну, он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими АКБ (компактность, маленький вес при большом заряде, долговечность), что делает соотношение цена-качество оптимальным.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

auto.today

техническая характеристика, классификация, инструкция по использованию, спецификация, установка и особенности эксплуатации

Для многих транспортных средств вес аккумуляторной батареи и скорость ее разрядки играют немаловажную роль. Специально для таких автомобилей производителями были созданы литиевые системы. В чем их преимущество перед кислотными АКБ, можно ли их эксплуатировать на современных машинах?

Что представляют собой литиевые батареи?

Литий-ионные аккумуляторы для авто в эпоху гибридных и электрических моделей отнюдь не являются новшеством: их можно встретить во многих машинах, с успехом дебютирующих на рынках. Батареи такого типа являются отличными источниками питания для электроавтомобилей. При этом их использование в обычных машинах потребует внесения определенных изменений в конструкцию.

литий ионный аккумулятор для автомобиля

История создания литиевых АКБ

Первые модели литий-ионных аккумуляторных батарей появились в 70-х годах прошлого века. Аккумуляторы, выполненные на их основе, обладали серьезными проблемами, устранить которые удалось только к 90-м годам. Причиной подобных проблем была высокая активность лития: при высоком токе могло произойти воспламенение батареи, в связи с чем производители отказались от применения чистого лития, перейдя на его ионы, что дало наименование АКБ.

В сравнении с литиевыми аккумуляторами, литий-ионные обладают меньшей энергетической плотностью, но более безопасны при условии соблюдения режимов заряда и разряда. В их состав не входит металлический литий, а процесс разряда и заряда заключается в переносе с одного электрода на другой ионов лития.

литий аккумулятор для автомобиля

Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы

Первые модели литий-ионных автомобильных аккумуляторов состояли из катодного материала на алюминиевой фольге и анодного на медной фольге, помещенных внутрь корпуса и разделенных специальным сепаратором, пропитанным жидким электролитом.

Герметичный корпус АКБ оснащался клапаном сброса внутреннего давления. К клеммам анод и катод подключались токосъемниками.

В литиевых ионных автомобильных аккумуляторах заряд переносится положительно заряженными ионами лития, которые внедряются в кристаллические решетки других материалов — солей и кислот металлов, графита, образуя с ними химическую связь.

Изначально роль отрицательных пластин выполнял металлический литий, который впоследствии сменился на каменноугольный кокс и графит. Использование осксида кобальта позволило увеличить температурный диапазон работы АКБ и повысить количество циклов заряда/разряда.

В комплекте с литиевыми ионными аккумуляторами для авто имеются защитные платы типа BMS.

Виды литиевых батарей

Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу катодного материала:

  • LiCoO2. В качестве электролита используются твердые растворы на основе никелата лития.
  • LiMnO4 с литий-марганцевой шпинелью.
  • LiPol, литий-полимерный. Отличается от Li-Ion только полимерным, а не жидким электролитом. По характеристикам он значительно лучше своих аналогов: широкий температурный диапазон работы, различные форы корпуса, низкий саморазряд, большая плотность энергии на единицу массы.
литий ионный аккумулятор для автомобиля отзывы

LiFePO4

Литий-железо-фосфатный, или литий-феррофосфатный аккумулятор считается одним из наиболее перспективных и подходящих для установки на автомобиль. Катод включает железо и фосфаты и обладает следующими преимуществами:

  • большой эксплуатационный ресурс и медленная потеря емкости — даже спустя несколько лет работы его емкость больше, чем у Li-Ion аналогов;
  • стабильное напряжение на ячейки 3,2-3,3 В. При подключении всех четырех создает стандартное напряжение 12,8 В;
  • кобальт в подобных батареях не используется, соответственно, АКБ не наносит вреда окружающей среде;
  • пиковые точки более высокие, в отличие от аналогов;
  • небольшая скорость разряда;
  • термическая стабильность — не перегревается, не взрывается;
  • может работать в широком температурном диапазоне.

Конечно, у него есть и свои минусы — к примеру, его удельная плотность энергии меньше, чем у обычного литий-аккумулятора для автомобиля, на 14-15%. К тому же его эксплуатация требует обязательной установки плат защиты.

литиевый ионный аккумулятор автомобильный

Преимущества литиевых АКБ

Для литий-ионных аккумуляторов для автомобиля характерны следующие достоинства:

  • небольшой вес, что снижает массу автомобиля;
  • сохранение заряда на протяжении длительного времени;
  • выдерживают большое количество циклов заряда и разряда.

Соотношение выхода безопасного тока к номинальной емкости у литий-ионных аккумуляторов значительно выше. Соответственно, на выполнение конкретного объема работы им требуется значительно меньше времени, чем кислотным батареям. Такие АКБ могут поглощать и сбрасывать большое количество тока. Впрочем, литий-ионные аккумуляторы для автомобиля не являются панацеей и обладают своими недостатками.

литиевый ионный аккумулятор авто

Минусы Li-Ion батарей

Литиевые АКБ сильно зависят от температуры окружающей среды: при понижении температуры падает их мощность. Внутри локальных ячеек нередко происходят сбои, из-за которых такие источники питания требовательны к качеству зарядки. Стоимость литий-ионных аккумуляторов для автомобиля значительно выше, чем цена стандартных батарей, ввиду чего литий-ионные АКБ являются неконкурентоспособными.

Генераторы, устанавливаемые на автомобили, не способны выработать достаточный переменный ток для заряда литиевого аккумулятора, поскольку не приспособлены для этого. Литиевые АКБ, эксплуатируемые в основном в теплом климате, оснащаются конвектором заряда, создающего переменный ток и преобразующего его для использования в литий-ионных аккумуляторах для автомобиля. Заряд уравновешивается благодаря специальной цепи, равномерно распределяясь между четырьмя основными ячейками. Масса такого источника значительно меньше свинцового, что является дополнительным преимуществом.

литий ионные аккумуляторы для авто

Особенности эксплуатации

Литиевые батареи заряжаются при минимальном напряжении 2,7 В и максимальном 4,2 В. Диапазон был значительно снижен производителями (до 3,3-4,1 В) с целью продления сроков эксплуатации. Заряд литиевых аккумуляторов, устанавливаемых на современных автомобилях, должен постоянно находиться в пределах 45% для сохранения максимального рабочего ресурса АКБ.

Учитывая, что литий обладает высокой активностью, разбор аккумуляторной батареи необходимо проводить только при наличии определенных навыков. Лицо и руки обязательно должны быть закрыты специальными защитными средствами. Конструкция подобных элементов питания подразумевает наличие элементов, способных нанести вред окружающей среде, ввиду чего подобные батареи необходимо утилизировать, а не выбрасывать.

Требуемые изменения

Установка литий-ионного аккумулятора для автомобиля обладает определенными преимуществами и недостатками. Основным достоинством такого типа АКБ является их небольшой вес, что позволяет снизить общую массу автомобиля, пусть и ненамного.

Вес аккумуляторной батареи играет немалую роль в том случае, если автомобиль будет использоваться для скоростной езды. Спорным моментом, отмечаемым в отзывах о литий-ионном аккумуляторе для автомобиля, является его высокая стоимость: цена на такие батареи в несколько раз выше, чем на стандартные АКБ. Замена свинцово-кислотного АКБ на литий-ионный потребует от автовладельца крупных вложений.

литий ионные автомобильные аккумуляторы

Резюме

Литий-ионные аккумуляторы для автомобилей не пользуются особой популярностью по разным причинам:

  • Стоимость. Классические свинцово-кислотные батареи аналогичной емкости стоят в два-четыре раза дешевле, чем литий-ионные.
  • Плохая переносимость отрицательных температур — заряжать их при 0 градусов и ниже не рекомендуется.
  • Плата защиты и балансировки. В зависимости от технологии изготовления литиевые батареи состоят из нескольких банок. При разнице напряжений на элементах одна из банок может выйти из строя либо воспламениться. Для равномерного прохождения заряда по каждой банке требуется установка специального балансира, чего не нужно при эксплуатации свинцового аккумулятора.
  • Противопоказана постоянная зарядка от генератора. Требуется установка специальных защитных плат.
  • При повреждении литий-ионных аккумуляторов для автомобиля или отказе системы защиты провоцируется постоянная зарядка, что может привести к воспламенению, которое практически невозможно потушить из-за того, что огонь поддерживается без доступа кислорода и с температурой более 3000 градусов. В плане безопасности самым лучшим считается LiFePo4 аккумулятор, который не взрывается и почти не поддерживает горение.

С учетом высокой стоимости и прочих особенностей литиевые аккумуляторы являются не самым лучшим вариантом батарей для автомобиля. Приобретать подобные АКБ стоит только в том случае, если для автовладельца важен вес транспортного средства.

fb.ru

Литий, воздух и вода — журнал За рулем

Мы уже определили общую концепцию и выбрали электродвигатель. Настал черед разобраться с источником энергии на борту.

1

ОСОБЕННОСТИ НАЦИОНАЛЬНОГО АВТОМОБИЛЯ

Источники энергии для электромотора разместить в авто непросто, блок аккумуляторных батарей требует изрядного пространства. Лучшее место — под полом салона: обеспечивается хорошая развесовка. Управление — под капотом.

Энергосистема надежно защищена пластиковыми кожухами от внешнего воздействия агрессивной среды. Кроме того, современные аккумуляторы эффективны лишь в узком диапазоне температур, поэтому отсек дополнительно теплоизолируем. Хотя даже для средней части России, не говоря уже о северных уголках нашей страны, этих мер все равно недостаточно — нужен обогрев. Во время движения частично используем систему отопления салона, для режима подзарядки реализуем электрический подогрев. А если нет доступа к розетке? Как опцию предусмотрим печку на жидком топливе — не нулевой выхлоп, но выбросы таких приборов ничтожны по сравнению с ДВС.

Переделывать модель с ДВС в электрическую куда сложнее, чем проектировать электромобиль с нуля. В первую очередь — из-за компоновки элементов питания: в кузове заимствованной конструкции их приходится буквально распихивать по салону и багажнику.

Переделывать модель с ДВС в электрическую куда сложнее, чем проектировать электромобиль с нуля. В первую очередь — из-за компоновки элементов питания: в кузове заимствованной конструкции их приходится буквально распихивать по салону и багажнику.

Переделывать модель с ДВС в электрическую куда сложнее, чем проектировать электромобиль с нуля. В первую очередь — из-за компоновки элементов питания: в кузове заимствованной конструкции их приходится буквально распихивать по салону и багажнику.

ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА

Бюджетный вариант — свинцовые батареи. Но нам они не подходят: чтобы накопить достаточный запас энергии на борту, придется возить с собой почти тонну таких аккумуляторов. Вдвое легче никель-металлогидридные источники, но и этот груз чрезмерно тяжел. Поэтому обратим внимание на литий-ионные батареи, которые совсем недавно перекочевали на электромобили из портативной электроники.

Среди основных преимуществ, помимо большой емкости, — отсутствие эффекта памяти и низкий саморазряд. Но существуют и недостатки: глубокий разряд сокращает срок жизни литий-ионных батарей. Кроме того, со временем они теряют емкость независимо от того, эксплуатировали их или нет.

Литий-ионные батареи при интенсивной работе здорово нагреваются. Поэтому обязательно предусмотрим систему охлаждения, отводящую лишнее тепло от источника питания. Оно, кстати, пригодится для обогрева салона.

Литий-ионные батареи при интенсивной ра

www.zr.ru

Литий-ионный аккумулятор — Википедия

Литий-ионный аккумулятор цилиндрический, типоразмера 18650 Литий-ионный аккумулятор сотового телефона Siemens, призматический[1]

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили.

Основной источник: [2]

Впервые принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов на основе способности дисульфид титана или дисульфид молибдена включать в себя ионы лития при разряде аккумулятора и экстрагировать их при зарядке была показана в 1970 году Майклом Стэнли Уиттингемом. Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение — 2,3 В и высокая пожароопасность вследствие образования дендритов металлического лития, замыкающих электроды.

Позднее Дж. Гуденафом были синтезированы другие материалы для катода литиевого аккумулятора — кобальтит лития LixCoO2(1980 год), феррофосфат лития LiFePO4 (1996 год). Преимуществом таких аккумуляторов является более высокое напряжение — около 4 В.

Современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития изобрёл в 1991 году Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году.

В настоящее время ведутся исследования по поиску материалов на основе кремния и фосфора, обеспечивающих повышенную емкость интеркалирования ионов лития и по замене ионов лития на ионы натрия.

Нобелевская премия по химии 2019 года была вручена троим перечисленным выше учёным «За создание литий-ионных батарей».

При использовании литий-ионных аккумуляторов в составе батарей без балансирующего устройства, часть из них окажется переразряженной (B) при работе батареи или перезаряженной (C) либо не дозаряженной (D) до номинальной ёмкости во время зарядки батареи

Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

Контроллер заряда/разряда (плата защиты) цилиндрического литий-ионного аккумулятора, конструкционно припаянный к отрицательному контакту аккумулятора и обратной фольгированной стороной выполняющий его функции. На снимке частично демонтирован и отсоединён от проводника, идущего к положительному контакту аккумулятора

Часто в корпус аккумулятора встраивают контроллер защиты (или PCB-плата (англ. Protection Circuit Module)), который отключает аккумулятор, предотвращая превышение напряжения заряда, чрезмерный разряд и превышение температуры, приводящие его к преждевременной деградации или разрушению. Также этот контроллер может опционально ограничивать ток потребления. Тем не менее, надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения стоимости производители могут не устанавливать её. Кроме того, в устройствах в которых встроен контроллер защиты, а также в аккумуляторных батареях (к примеру ноутбуков) используются только аккумуляторы без встроенной платы защиты[6].

Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких ячеек последовательно. Зарядные устройства для таких многосоставных аккумуляторов с ячейками или сами аккумуляторные батареи снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том, что электрические свойства ячеек могут немного отличаться, и какая-то ячейка достигнет полного заряда/разряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой ячейки, продолжая заряжать остальные, так как переразряд или перезаряд литий-ионных аккумуляторов выводит их из строя. Эту функцию выполняет специальный узел — балансир[en] (или BMS-плата (англ. Battery Management System)[7]). Он шунтирует заряженную ячейку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё. Балансиры одновременно выполняют функцию платы защиты в отношении каждого из аккумуляторов, так и батареи в целом[8][9].

Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,15—4,25В.

Кроме контроллера защиты, литий-ионные, а также литий-полимерные аккумуляторы выпускаемые в формфакторах АА и ААА с напряжением 1,5 В (не следует путать с аналогичного размера формфакторами 14500 и 10440 напряжением 3,7 В, а также с незаряжаемыми одноразовыми литиевыми элементами питания напряжением тоже 1,5 В) оборудуются встроенными электронными преобразователями напряжения. Отличие таких аккумуляторов — стабилизированное напряжение на выходе на контактах в 1,5 В независимо от рабочего напряжения самой ячейки аккумулятора и его моментальное обнуление, когда напряжение самой литиевой ячейки становится ниже допустимого (срабатывает плата защиты).

Литий-ионный аккумулятор. Схема работы

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
  • литий-феррофосфат LiFePO4.

Электрохимические схемы литий-ионных аккумуляторов:

  • литий-кобальтовые LiCoO2 + 6C → Li1-xCoO2 + LiC6
  • литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6C → Li1-xFePO4 + LiC6

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

  • Высокая энергетическая плотность (ёмкость).[источник не указан 656 дней]
  • Низкий саморазряд.
  • Высокий ток работы
  • Не требуют обслуживания.

Широко применяемые литий-ионные аккумуляторы при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными.

  • Огнеопасны
  • Теряют работоспособность при переразряде
  • Теряют ёмкость на холоде
  • От 200 до 500 циклов зарядки

Взрывоопасность[править | править код]

Вздувшийся литий-ионный аккумулятор в плоском алюминиевом корпусе типоразмера ENEL10 (Li-42B, NP-45). Бумажная этикетка снята

Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.[источник не указан 535 дней]

Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию.[17][18][19] Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова, что может приводить к тяжким последствиям.[20] Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.[21][22]

Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих вещества для поддержания горения, горючие газы от электролита[23], а также в случае не LiFePO4 электродов[24], выделяется кислород. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Целью тушения может быть лишь снижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения пламени[25][26][27].

Эффект памяти[править | править код]

Традиционно считается, что, в отличие от Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, Li-Ion аккумуляторы полностью избавлены от эффекта памяти. По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) в 2013 году этот эффект был таки обнаружен, но оказался ничтожен.[28]

Причиной его является то, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки.[29] Во время зарядки ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарного напряжения батареи. Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

Требования к режимам заряда/разряда[править | править код]

Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать[30].

Старение[править | править код]

Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Соответственно, нет смысла покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C:[31]

Температура, ⁰C С 40%-м зарядом, % за год Со 100%-м зарядом, % за год
0 2 6
25 4 20
40 15 35
60 25 40 % за три месяца

Снижение ёмкости при низких температурах[править | править код]

Как и в других типах аккумуляторов, разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов. Разряд аккумулятора при температуре не ниже, указанной производителем аккумуляторов, не приводит к их деградации (преждевременному исчерпанию ресурса). Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам при зарядке АКБ, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.[32]

Как и для других типов аккумуляторов, одним из вариантов решения проблемы являются аккумуляторы с внутренним подогревом.[33]

  1. А.М. Скундин, О.А. Брылев. Наноматериалы в современных химических источниках тока (неопр.). МГУ (2011).
  2. Татьяна Кулова. Аккумуляторы, изменившие жизнь // Наука и жизнь. — 2019. — № 12. — С. 2-7.
  3. ↑ Li-ion 4.35V vs 4.20V сколько теряем? Тест SANYO UR18650ZTA. / Зарядки, пауэрбанки, провода и переходники / iXBT Live (рус.). iXBT Live (26 августа 2018). Дата обращения 18 октября 2019.
  4. ↑ Топовые аккумуляторы 21700: LG M50 5000мАч vs Samsung 48G 4800мАч / Зарядки, пауэрбанки, провода и переходники / iXBT Live (рус.). iXBT Live (30 июня 2018). Дата обращения 18 октября 2019.
  5. ↑ Sony VTC6A и VTC6 с одинаковыми Matrix-кодами — результаты тестов (неопр.). www.ecigtalk.ru. Дата обращения 18 октября 2019.
  6. Н. Бровка, О. Янченков Применение специализированных микропроцессоров для построения схем контроля и защиты литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных батарей // Журнал «Компоненты и Технологии». — № 3, 2007 г. С. 132—135. ISSN 2079-6811.
  7. ↑ Обзор BMS контроллера заряда литий-ионных аккумуляторов 18650 3.7В на YouTube
  8. Сердечный Д. В., Томашевский Ю. Б. Управление процессом заряда многоэлементных литий-ионных аккумуляторных батарей / Научная статья // Журнал «Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль». — № 3 (21), 2017 г. С. 115—123. УДК 621.314. DOI 10.21685/2307-5538-2017-3-16. ISSN 1999-5458.
  9. Сазонов И. Е., Лукьяненко М. В. Выравнивание заряда в литий-ионных аккумуляторных батареях / Научная статья // Сборник материалов IX Междунарародной научно-практической конференции, посвящённой Дню космонавтики]]. «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» [Электронныйресурс]. Красноярск: СибГУ им. М. Ф. Решетнева — № 9, т. 1, 2013 г. С. 204. УДК 537.22. ISSN 1999-5458.
  10. ↑ [1].
  11. ↑ [2].
  12. ↑ [3].
  13. ↑ [4]
  14. ↑ [5]
  15. ↑ [6].
  16. ↑ [7].
  17. ↑ Возгорания на Dreamliner связаны с аккумуляторами
  18. ↑ Samsung отзывает Galaxy Note 7 из-за возможности возгорания
  19. ↑ Находившийся за рулем Tesla бывший агент ФБР погиб в ДТП
  20. ↑ Should You Be Worried About Your E-Cigarette Exploding?
  21. ↑ Лайнер экстренно сел из-за загоревшегося планшета Samsung
  22. ↑ Lithium Batteries as Cargo in 2016 Update III
  23. Bandhauer Todd M., Garimella Srinivas, Fuller Thomas F. A Critical Review of Thermal Issues in Lithium-Ion Batteries (англ.) // Journal of The Electrochemical Society. — 2011. — Vol. 158, no. 3. — P. R1. — ISSN 0013-4651. — DOI:10.1149/1.3515880. [исправить]
  24. Zaghib K., Dubé J., Dallaire A., Galoustov K., Guerfi A., Ramanathan M., Benmayza A., Prakash J., Mauger A., Julien C.M. Enhanced thermal safety and high power performance of carbon-coated LiFePO4 olivine cathode for Li-ion batteries (англ.) // Journal of Power Sources. — 2012. — December (vol. 219). — P. 36—44. — ISSN 0378-7753. — DOI:10.1016/j.jpowsour.2012.05.018. [исправить]
  25. ↑ http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php
  26. ↑ Гореть, а не тлеть! Что на самом деле случилось с электроседаном Tesla Motors?
  27. ↑ Аспекты безопасности литий-ионных аккумуляторов
  28. ↑ Paul Scherrer Institut (PSI) :: Memory effect now also found in lithium-ion batteries (неопр.). Дата обращения 2 мая 2013. Архивировано 11 мая 2013 года.
  29. ↑ Экономия батареи на Андроид: советы и мифы | AndroidLime (неопр.). androidlime.ru. Дата обращения 29 февраля 2016.
  30. Мельничук О. В., Фетисов В. С. Особенности заряда и разряда литиевых аккумуляторных батарей и современные технические средства управления этими процессами / Научная статья // Журнал «Электротехнические и информационные комплексы и системы». — № 2, т. 12, 2016 г. С. 41-48. УДК 621.355.9. ISSN 1999-5458.
  31. ↑ 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов (рус.)
  32. ↑ Эксплуатация и хранение литий-ионных аккумуляторов (рус.)
  33. ↑ Независимая интернет-газета «Новый взгляд». 22.01.2016.Созданы литий-ионные аккумуляторы с подогревом

ru.wikipedia.org

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о