Устройство цилиндрического Li-Ion аккумулятора
Введение
Не секрет, что литий-ионные аккумуляторы являются очень популярными источниками энергии. Их используют повсеместно: от мобильных телефонов и умных зубных щёток до сложного рабочего оборудования и электрокаров. За счёт высокой энергоёмкости, эффективности и доступности они год от года забирают приз зрительских симпатий у потребителей. Сейчас рынок предлагает разные виды литий-ионных аккумуляторов. Даже среди привычных всем цилиндров 18650 есть разные по свойствам и функциям представители, ориентированные на определённую технологию или устройство. Чтобы не пугаться заветных NCR, ICR, IMR и лучше понимать, какой из Li-Ion помощников нужен именно вам, для начала нужно разобраться с основами.
Основы
Сегодня мы поговорим именно о цилиндрических литий-ионных аккумуляторах. Самое главное их свойство кроется как раз в названии, но давайте по порядку. Устройство любых литий-ионных аккумуляторов включает в себя несколько ключевых компонентов, без которых невозможна электрохимическая реакция: анод (+), катод (-), электролит (жидкость, иногда гель) и сепаратор (пористая пластина).
Анод и катод – это электроды, которые размещены внутри аккумулятора и взаимодействуют с электролитом. Анод обычно изготавливается из графита, а катод может быть разным:
1) из литий-кобальт-оксида (LiCoO2) - обозначается ICR
2) из литий-марганца-оксида (LiMn2O4) - обозначается IMR
3) из литий-марганца-никелевого оксида (Li(NiCoMn)O2) - обозначается INR
4) из литий-алюминиевого оксида (Li(NiCoAl)O2) - обозначается NCA или NCR.
Материал анода (графит) и катода (оксид) тонким слоем наносится на металлические пластины. Для анода основа выполняется из меди, для катода - из алюминия. Однако они не должны соприкасаться друг с другом, чтобы не возникло короткого замыкания. Функцию разделителя и проводника как раз берёт на себя сепаратор.
Он представляет собой тонкий слой пористого полипропилена, пропитанного жидким электролитом. Электролит позволяет передавать ионы между анодом и катодом. В литий-ионных аккумуляторах используется органический электролит на основе солей лития, таких как LiPF6, LiBF4 или LiClO4.
Получается некий "бутерброд" из пластины анода, листа сепаратора, пропитанного электролитом, и катода. Всё это сворачивается в рулет и получается обычный цилиндрический аккумулятор. Он упаковывается в герметичный корпус, на котором проставляется модель и химический состав аккумулятора, а также ёмкость и другая необходимая по мнению производителя информация.
Именно ионы лития переносят заряд от катода к аноду и наоборот, поэтому такие аккумуляторы и называются литий-ионными. Давайте познакомимся с этим процессом поближе.
Принцип работы
Независимо от материала катода, литий-ионный аккумулятор работает следующим образом:
1) Зарядка: на электроды подаётся напряжение, ионы лития отцепляются от катода (оксида лития) и сразу же теряют свой электрон (так как вне структуры оксида они очень нестабильны), затем напрямую переносятся через сепаратор с электролитом и встраиваются в структуру графита. В этот момент электроны рады бы повторить такой же лёгкий путь, но сепаратор их не пропускает, заставляя передвигаться через внешний источник питания, обходя тем самым разделяющую пластину. Они также достигают графита и встраиваются в его слои.
2) Разрядка: всё то же самое, но в обратном направлении. Когда аккумулятор разряжается под действием нагрузки, ионы лития возвращаются обратно в катод и встраиваются в оксид, вновь становясь стабильными. Электронам же вновь приходится искать обходной путь "домой" в виде внешней цепи (нагрузки). Когда последний электрон покинет графитовое пристанище, аккумулятор полностью разрядится. Что останется делать дальше? Правильно - зарядить его. А ещё лучше - зарядить правильно.
Особенности зарядки и защита
Насколько бы ни были безопасны литий-ионные аккумуляторы, сам литий - элемент довольно активный и способен воспламеняться при контакте с кислородом. Если производить зарядку без должного контроля, литий способен оседать на аноде и вступать в нежелательные реакции с электролитом. Помимо этого в процессе перезарядки на катоде могут образовываться соли кислорода. Если заряжать аккумулятор неправильно, он перегреется, процесс газообразования внутри устройства станет неконтролируемым, и корпус начнёт раздуваться от чрезмерного давления. Если произойдёт разгерметизация, существует риск возгорания или даже взрыва. Те же риски существуют и при слишком усердном разряде аккумулятора. Оптимальной степенью разрядки, которая продлит срок службы элемента считается 40% остаточной энергии.
В любом случае, чтобы лишний раз обезопаситься от описанных выше проблем, используют специальные платы защиты, которые привариваются прямо к корпусу аккумулятора. Они помогают контролировать силу тока и напряжение, и в случае чрезвычайной ситуации просто отключают цепь от питания или нагрузки. Такие контроллеры устанавливаются как на отдельные аккумуляторы, так и на аккумуляторные сборки (батареи).
Безопасное использование не только снижает риски перегрева и возгораний, но также сохраняет ёмкость и жизнеспособность аккумулятора. Защита не является обязательным элементом конструкции аккумулятора. На то есть несколько причин:
1) В ней нет необходимости в случае наличия в устройстве контроллера заряда и разряда, а также хорошего зарядного устройства у вас.
2) Она увеличивает размеры и вес аккумулятора, не все электроприборы рассчитаны на дополнительные миллиметры.
3) Она увеличивает стоимость аккумулятора.
Итоги
Несмотря на относительно простое устройство, литий-ионные аккумуляторы в своём современном виде - это продуманное до мелочей изобретение, в котором важен каждый элемент и которое за счёт новых комбинаций материалов продолжает улучшать свои свойства.
Его долгая, эффективная и правильная работа зависит не только от добросовестности производителя, но и от осознанности пользователя. Учитывая широкую область применения таких источников питания, необходимо со всей ответственностью подходить к условиям их хранения, эксплуатации и производства.