УДК 621.3

Литий-ионные аккумуляторы: характеристики и тенденции

Киреев Кирилл Александрович – студент Самарского государственного технического университета.

Аннотация: Статья представляет обзор различных типов литий-ионных аккумуляторов, их характеристики и применение в современных технологиях. Рассмотрены основные типы литий-ионных аккумуляторов. Также обсуждается перспективы в разработках данных аккумуляторов.

Ключевые слова: литий-ионные аккумуляторы, виды, емкость, анод, катод, свинцово-кислотные аккумуляторы.

Аккумуляторы «Литий-ионные» (далее - Li-ion) являются одной из наиболее востребованных технологий хранения энергии в наше время. Они представляют собой тип аккумуляторов, где литий и его соединения используются в качестве электролита и одного из электродов, состоящие из анода (обычно изготовленного из углерода), катода (который может содержать оксиды металлов, таких как кобальт, никель, марганец) и электролита, который обеспечивает проводимость для литиевых ионов. Принцип их действия основан на переносе литиевых ионов между положительным и отрицательным электродами.

Первый коммерчески доступный аккумулятор Li-ion был разработан и выпущен корпорацией Sony в 1991 году, что сделало значительный прорыв в технологии аккумуляторов, который привел к революции в сфере портативной электроники. Данные аккумуляторы стали популярными из-за своей высокой энерго-плотности, легкости, небольшого размера и отсутствия эффекта памяти, что позволило заменить более тяжелые и менее эффективные никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы во многих устройствах.

Li-ion обладают высокой энергетической плотностью при совей компактности и легкости, что делает их удобными для интеграции в различные устройства. Также такие аккумуляторы обладают широким диапазоном рабочих температур, что делает их подходящими для использования в различных климатических условиях, включая холодные температуры, в отличие от свинцово-кислотных. (рис.1). Одним из преимуществ Li-ion также является их способность сохранять более стабильную ёмкость в течение всего срока службы. (рис.2)

Рисунок5

Рисунок 1. График зависимости ёмкости от температуры у литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов

Рисунок6

Рисунок 2. График падения ёмкости в процессе службы литий-ионный и свинцово-кислотных аккумуляторов

Виды литий-ионных аккумуляторов.

Литий - :

  • Кобальтовые – для портативных устройств;
  • Никель-марганец-кобальт-оксидный– для электротранспорта, аварийного освещения и т.д. ;
  • Никель-кобальт-алюминий-оксидный – обладают долгой службой в эксплуатации;
  • Марганцевые - для электрической техники и силовых агрегатов;
  • Железофосфатные аккумуляторы – для устройств с высокими показателями тока;
  • Титанатные аккумуляторы - для устройств с низкими показателями тока, но безопасные.

Каждый из этих видов имеет свои особенности и недостатки, что определяет их применения в различных сферах в зависимости от конкретных условий.

Современные разработки в области Li-ion-аккумуляторов нацелены на улучшение их энергетической плотности, безопасности, долговечности и устойчивости к перегрузкам. Одним из ключевых направлений современных разработок является увеличение энергетической плотности аккумуляторов, что позволит увеличить дальность хода электромобилей, продолжительность работы портативных устройств и эффективность хранения энергии в целом. Усилия направлены на исследования новых материалов для электродов, улучшение процессов синтеза и микроструктуры электродных материалов, а также оптимизацию электролитов. Например, компания Tesla, ведущий производитель электромобилей, работает с Panasonic по разработке и производству литий-ионных аккумуляторов для своих электромобилей, включая модели Model S, Model 3, Model X и Model Y.

С увеличением энерго-плотности аккумуляторов становится все важнее обеспечить их безопасность. Разработчики исследуют и внедряют новые методы для предотвращения перегрева и коротких замыканий в аккумуляторах: использование термических и электронных систем контроля; новые конструктивные решения, способные минимизировать риски возгорания или взрыва. LG Chem крупнейший производитель химической продукции в Южной Кореи. Данная компания также является крупным поставщиком Li-ion-аккумуляторов для различных рынков. Они поставляют аккумуляторы для электромобилей, хранения энергии и портативных устройств, активно внедряя новые технологии для улучшения производительности и безопасности аккумуляторов.

Скоростная зарядка становится все более важной задачей для различных устройств. Разработчики стремятся к созданию новых материалов для электродов и электролитов, способных обеспечить более ускоренную и эффективную зарядку, не ущемляя при этом безопасность и долговечность аккумуляторов.

Li-ion часто используются в условиях циклических нагрузок, например, при зарядке и разрядке в течение дня, что определяет важность в разработках по улучшению их устойчивости к таким нагрузкам. Исследования направлены на улучшение структуры электродов, уменьшение деградации материалов и оптимизацию процессов электрохимических реакций.

С развитием экологического сознания становится важным обеспечить экологическую устойчивость литий-ионных аккумуляторов на всех этапах их жизненного цикла, включая производство, использование и утилизацию. Исследования в этой области включают в себя поиск более экологически чистых материалов, методов утилизации и переработки старых аккумуляторов, а также создание систем управления жизненным циклом аккумуляторов для минимизации их экологического следа.

Современные разработки в области представленных в статье аккумуляторов отражают стремление к созданию более эффективных, безопасных и экологически устойчивых решений для хранения энергии для использования в различных отраслях, начиная от электромобилей и заканчивая хранением энергии из возобновляемых источников.

Список литературы

  1. Быстров, Ю.А. Электронные приборы и устройства на их основе / Ю.А. Быстров. - М.: Радио и связь, 2002. - 656 c.
  2. Вайсбурд, Ф.И. Электронные приборы и усилители / Ф.И. Вайсбурд, Г.А. Панаев и др. - М.: КД Либроком, 2009. - 472 c.
  3. Курзуков Н.И. Ягнятинсий В.М. Аккумуляторные батареи. Краткий справочник. - М.: За рулем, 2006.
  4. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003.