Літій-іонний акумулятор (, скорочено Li-ion) (інколи літій-іонна батарея, або літій-іонна акумуляторна батарея) — один з двох основних типів літієвих електричних акумуляторів з категорії вторинних електричних батарей, який різниться з літій-полімерним акумулятором лише типом електроліту, що використовується при їх виготовленні. Широко розповсюджений в побутовій електроніці.
Назву літій-іонні акумулятори одержали через те, що електричний струм в зовнішньому колі з'являється через перенос літієвих іонів від анода до катода на основі різних сполук.
Типи літій-іонних акумуляторів
Хімічний склад, експлуатаційні характеристики, вартість та безпечність акумуляторів відрізняються залежно від типу літій-іонних акумуляторів. Найбільш поширеним у переносній електроніці є акумулятори з катодом на оксиді кобальту (LiCoO2), що мають високу енергетичну густину, але мають недоліки з точки зору безпеки експлуатації, особливо при пошкодженні. Літій-залізо-фосфатні (LiFePO4), літій-манган-оксидні (LiMn2O4, Li2MnO3 або літій-манганові акумулятори LMO) та літій-нікель-манган-кобальт-оксидні (LiNiMnCoO2 чи NMC) акумулятори, що теж названі за типом катода, мають нижчі рівні енергетичної густини, але довший життєвий цикл та безпечніші з хімічної точки зору. Такі акумулятори широко застосовуються в електроінструментах, медичному обладнанні та ін. NMC, зокрема, є лідером за використанням в автомобільній промисловості. Літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидні (LiNiCoAlO2 або NCA), що теж названі за матеріалом катода, та літій-титанатні (Li4Ti4O12 чи LTO) акумулятори (назва останнього за анодом), спеціально розроблені для певних нішових застосувань. Нові літій-сірчані акумулятори обіцяють найвище відношення експлуатаційних характеристик до ваги.
Подібна кваліфікація за назвами є не науковою, а радше маркетинговою, оскільки проводяться роботи з розробки акумуляторів з катодом LiFePO4 та анодом Li4Ti4O12, що у цій системі не матимуть простої назви.
Склад літій-іонних акумуляторів Акумулятори (англ. Battery, акумулятор, батарея), зокрема Літій-іонні, складаються з одного або декількох окремих елементів — комірок (англ. Cell, комірка), що з'єднуються паралельно (P, для додавання потужності) та/або послідовно (S, для додавання напруги), та об'єднуються у один загальний жорсткий корпус (пластиковий чи металевий) або у термоусадну плівку. Комірки можуть бути різних форм: циліндричні, прямокутні або призматичні, пласкими пакетами.
Для позначення на акумуляторах кількості комірок використовують літери S (serial, послідовно) та P (parallel, паралельно):
Наприклад: 4S2P — у акумуляторі комірки з'єднані паралельно по 2 штуки, та об'єднані послідовно.
Підключення акумулятора може відбуватись через вивідні дроти, дроти з роз'ємом, клеми з болтовим з'єднанням, клеми з накидним з'єднанням.
Також до складу акумулятора може входити плата керування та балансування (так звана BMS) — окремий елемент, засобу безпеки що контролює роботу всього акумулятора і його складових комірок та захищає (вимикає напругу) у випадку перегрівання, надмірного заряджання або розряджання, розбалансування (різниці заряду окремих комірок).
Історія Перший літій-іонний акумулятор вивела на ринок корпорація Sony в 1991 році.
Спроби розробити літієві електричні батареї, що перезаряджаються, проводилися в 70-х р. ХХ ст., але були невдалими через неможливість забезпечення потрібного рівня безпеки при їх експлуатації оскільки літій занадто активний і настільки бурхливо реагує з водою, що може спалахнути. Було встановлено, що в ході циклів заряду-розряду електричної батареї з металевим літієвим електродом може виникнути коротке замикання всередині акумуляторної батареї. При цьому температура всередині акумулятора може досягти температури плавлення літію. У результаті бурхливої хімічної взаємодії літію з електролітом відбувається вибух.
Основні характеристики Сучасні літій-іонні акумулятори мають високі показники: 100–180 Вт·год/кг і 250–400 Вт·год/дм³, робоча напруга комірки — 3,2–4,2 В.
Якщо ще кілька років тому розробники вважали досяжною ємність літій-іонних акумуляторів не більше кількох ампер-годин, то нині більшість причин, що обмежують збільшення ємності, подолано і багато виробників почали випускати акумулятори ємністю в сотні ампер-годин.
Енергетична місткість: 110–200 Вт·год/кг Внутрішній опір: 150–250 мОм () Число циклів заряд/розряд до втрати 20 % місткості: 500–1000 Час швидкого заряду: 2–4 години Допустимий перезаряд: дуже низький Саморозряд при кімнатній температурі: 7 % в рік Напруга на комірку: максимальна: 4,18–4,20 В (повністю заряджений) номінальна: мінімальна: 2,5–2,75 В (повністю розряджений) Струм навантаження відносно ємності (С): піковий: понад 2С найбільший допустимий: до 1С Діапазон робочих температур: −20 — +60 °C обслуговування: не реґламентується
Сучасні малогабаритні акумулятори працездатні при струмах розряду до 2С, потужні — до 10–20С. Діапазон робочих температур: від −20 до +60 °С. Але багато виробників вже розробили акумулятори, працездатні при −40 °С. Можливе розширення температурного діапазону і в бік вищих температур.
В основному Li-ion акумулятори краще всього функціонують при кімнатній температурі. Робота при підвищеній температурі скорочує термін дії їх використання. , збільшення якого призводить до його зносу.
Саморозряд становить 4–6 % за перший місяць, потім — значно менше: за 12 місяців акумулятори втрачають 10–20 % запасеної ємності. Втрати ємності в кілька разів менші, ніж у нікель-кадмієвих акумуляторів, як при 20 °С, так і при 40 °С.
Літій-іонні акумулятори безповоротно втрачають приблизно 20 % їхнього циклічного заряду за 3–5 років або 1000–2000 циклів при 25 °C..
Ресурс — 500–1000 циклів.
Всі літієві акумулятори мають досить прийнятні для зберігання параметри. Втрата ємності за рахунок саморозряду 5–10 % за рік.
Наведені показники варто розглядати як деякі середні орієнтири. Для кожного конкретного акумулятора, наприклад, розрядна напруга залежить від струму розряду, рівня розрядженості, температури; ресурс залежить від режимів (струмів) розряду й заряду, температури, глибини розряду; діапазон робочих температур — від рівня виробленого ресурсу та припустимих робочих напруг.
До недоліків Li-ion акумуляторів варто віднести чутливість до перезарядження і сильного розряду, через це вони повинні мати обмежувачі заряду й розряду.
Принцип роботи Принцип роботи Li-ion акумуляторів заснований на переміщенні позитивно заряджених іонів літію Li+ між позитивними й негативними електродами в процесі розрядки й зарядки. Металевий літій у цих процесах участі не бере, тому не виникає будь-яких проблем з відновленням електродів, що забезпечує стабільність і безпеку при використанні батареї.
Наявність негативного електрода, який приймає і віддає іони, є загальним для всіх систем, але існує широкий вибір матеріалів, придатних для реалізації позитивного електрода й здатних забезпечувати різницю потенціалів між електродами до 3 В.
Для нормальної роботи будь-якої електрохімічної батареї необхідно як мінімум три компоненти: два електроди й електроліт, що забезпечує перенос іонів. У малогабаритних батареях електроліт може бути твердим, рідким і желеподібним. Рідкі електроліти застосовуються, як правило, у клеєних циліндричних батареях, але через високу небезпеку займання вони не знайшли застосування в інших системах. Для розробки твердих електролітів для літієвих акумуляторів, що мають можливість перезаряджання, пішло два десятиліття напружених досліджень. На їх основі стало можливим створення тонких і пласких батарей, але з невеликим діапазоном робочих температур та малою потужністю.
Формати літій-іонних акумуляторів. Конструкція Li-ion акумуляторів
Літій-іонні акумулятори доступні в різних форм-факторах, які в цілому можна розділити на чотири групи: невеликі циліндричні (тверді тіла без терміналів, таких як батареї для портативних комп'ютерів) великі циліндричні (тверде тіло з великими гвинтовими клемами) в чохлах (м'які, плоскі тіла, такі, як ті, які використовуються в мобільних телефонах) призматичні (напівжорсткий пластиковий корпус з великими гвинтовими клемами), наприклад, у габариті 6T для бронетехніки
Конструктивно Li-ion акумулятори, як і лужні (Ni-Cd, Ni-MH), виготовляються в циліндричному і призматичному варіантах.
У циліндричних акумуляторах згорнутий у вигляді рулону пакет електродів і сепаратора вбудований у сталевий або алюмінієвий корпус, з яким з'єднаний негативний електрод. Позитивний полюс акумулятора виведений через ізолятор на кришку.
Призматичні акумулятори виготовляються шляхом складання прямокутних пластин одна на одну. Вони забезпечують щільніше упакування в акумуляторній батареї, але, на відміну від циліндричних акумуляторів, складніше витримують стискуючі зусилля на електроди. У деяких призматичних акумуляторах застосовується рулонне складання пакета електродів, що скручується в еліптичну спіраль.
Деякі конструктивні заходи звичайно застосовують і для запобігання швидкому розігріву і забезпечення безпечної роботи Li-ion акумуляторів. Під кришкою акумулятора є пристрій, що реагує на позитивний температурний коефіцієнт збільшенням опору, і, який розриває електричний зв'язок між катодом і позитивною клемою при підвищенні тиску газів всередині акумулятора вище допустимої норми. Для підвищення рівня безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів у складі батареї обов'язково застосовується також і зовнішній електронний захист, мета якого не допустити перезарядження й перерозрядження, короткого замикання й надмірного розігрівання.
Конструкція Li-ion та інших літієвих акумуляторів, як і конструкція всіх первинних батарей з літієвим анодом, відрізняється абсолютною герметичністю. Вимога абсолютної герметичності визначається як неприпустимістю витікання рідкого електроліту (негативно діючого на прилади) і недопустимість потрапляння в акумулятор кисню і вологи з навколишнього середовища, оскільки вони реагують із матеріалами електродів й електроліту, повністю виводячи акумулятор із ладу.
Вбудовані системи захисту Li-ion акумуляторні батареї комерційного призначення мають найбільш досконалий захист, порівняно з усіма типами батарей. Як правило, у схемі захисту Li-ion батарей використовується ключ на польовому транзисторі, який при досягненні на елементі батареї напруги 4,30 В відкривається й тим самим перериває процес заряду. Крім того, наявний термозапобіжник, який при нагріванні батареї до 90 °С від'єднує коло її навантаження, забезпечуючи її термозахист.
Деякі акумулятори мають вимикач, який спрацьовує при досягненні граничного рівня тиску всередині корпуса, рівного 1034 кПа (10,5 кг/м²), і розриває ланцюг навантаження. Є й схема захисту від глибокого розряду, що стежить за напругою акумуляторної батареї й розриває ланцюг навантаження, якщо напруга на елемент (комірку) знизиться до рівня 2,5 В.
Внутрішній опір схеми захисту акумуляторної батареї мобільного телефону в увімкненому стані дорівнює 0,05–0,1 Ом. Конструктивно вона складається з двох ключів, з'єднаних послідовно. Один з них спрацьовує при досягненні верхнього, а інший — нижнього порогів напруги на батареї. Загальний опір цих ключів фактично створює подвоєння її внутрішнього опору, особливо, якщо батарея складається лише з одного акумулятора.
У деяких Li-ion батареях, в яких використовують марганець, що мають 1–2 елементи; схема захисту не застосовується. Замість цього в них установлено лише один запобіжник. І такі батареї є безпечними завдяки їх невеликим габаритам та ємності. Крім того, марганець досить «терплячий» до порушень правил експлуатації Li-ion батареї. Відсутність схеми захисту зменшує вартість Li-ion батареї, але породжує нові проблеми.