Читать книгу Современные системы накопления энергии в энергетике и на транспорте - Юрий Степанович Почанин - Страница 10

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно из таблицы 3.2, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен. Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов. Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи.

Основные компоненты литий-ионного аккумулятора включают в себя: катод, анод, электролит и сепаратор.

Таблица 3.2. Электрохимический ряд элементов

Электролит является важным компонентом литий-ионных аккумуляторов, так как он обеспечивает проводимость ионов лития между катодом и анодом. В качестве электролита могут использоваться различные вещества, такие как литий-соли в органических растворителях или полимерные материалы.

Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора:

1-предохранитель, 2-прокладка. 3-изолятор, 4–корпус, 5-изолятор, 6-положительный вывод, 7-клапан аварийного сброса давления (не во всех модификациях), 8-токосъемник анода, 9-ионопроводящий сепаратор, пропитанный электролитом, 10-отрицательный электрод, 11-положительный электрод, 12-отрицательный вывод.

Анод и катод – это электроды, которые размещены внутри аккумулятора и взаимодействуют с электролитом. Анод обычно изготавливается из графита, а катод может быть разным. Материал анода (графит) и катода (оксид) тонким слоем наносится на металлические пластины. Для анода основа выполняется из меди, для катода – из алюминия. На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

Работу литий-ионного аккумулятора можно рассмотреть по схеме, рис. 3.4, у которого катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, и разделены они пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом.

Рис.3.4. Схема работы литий-ионного аккумулятора

Анод и катод 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. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи. Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.

Работа литий-ионный аккумуляторов осуществляется следующим образом. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает сепаратор, пропитанный электролитом, находящийся между анодом и катодом, рис.3.5.

Рис. 3.5. Процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания и в конце концов достигают графита, где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями. При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития. Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Аккумулятор типовой литиевой батареи обладает следующими характеристиками:

1. напряжение, В: номинальное – 3.7; максимальное – 4.2; минимальное – 2.5;

2. энергоемкость, Вт*ч/кг – 110-270 (зависит от химического состава);

3. внутреннее сопротивление, мОм*Ач – 4-15 (зависит от химического состава);

4. число циклов заряд/разряд до 20% потери электрической емкости – 600;

5. время заряда, ч: оптимальное – 3-4; максимально возможное – 1;

6. саморазряд, % в месяц – 1.5 (зависит от температуры хранения);

7.ток нагрузки относительно емкости С: оптимальный – до 1С; максимальный – 5С; в импульсе – 50С;

8.рабочая температура, градусы Цельсия (°C): оптимальная – 23; минимальная – -20; максимальная – +60;

9. срок хранения литиевой батареи, лет – 2-5 (в зависимости от условий хранения);

10. срок службы Li-ion, лет – 2-3 года или по достижению количества циклов заряд/разряд.

К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.

Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы.

К основным преимуществам относят следующие параметры:

–очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);

–высокий ток при работе;

–нет необходимости в обслуживании;

–саморазряд очень низкий;

–готовность к эксплуатации в любой момент;

–нет эффекта памяти;

–возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;

–диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

К недостаткам литий-ионных аккумуляторов относятся следующие факторы.

1. Дорогие (относительно других АКБ).

2. При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк.

3. Срок службы зависит от времени использования.

4.Опасность взрыва или возгорания.

5.Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки. 6.Недопустимы механические повреждения.

7.Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Рассмотрим некоторые особенности литий-ионных аккумуляторов, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.

1.Опасность взрыва и возгорания. Считается, что это одна из ключевых проблем. Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились. Сегодня такое происходит редко, причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, вызывающие короткие замыкания внутри аккумулятора. В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры. В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка.

2. Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд. В данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:

–на первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);

– номинальный ток, напряжение до 4,2 В; на финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.

Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.

Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше, то есть, разница будет в 9 раз.

Литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электромобилей (электрокаров), рис.3.6.

Рис.3.6. Элемент TESLA, используемые в электрокарах

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Для практического использования элементов используют множество их, соединенных последовательно и параллельно, которые образуют батарейный модуль. Если мы хотим увеличить емкость, то отдельные элементы просто соединяем параллельно, рис. 3.7.

Рис.3.7. Литиевая батарея из параллельно соединенных элементов

При этом емкость такой литиевой АКБ будет равняться сумме емкостей элементов.

Если нам нужно повысить выходное напряжение, то элементы придется соединить последовательно, рис. 3.8. В этом случае емкость батареи будет равняться емкости самого «слабого» аккумулятора, а выходное напряжение – равняться сумме напряжений на каждом элементе.

Рис.3.8. Литиевая батарея из последовательно соединенных элементов

Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии. Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов. Вместо контроллера можно использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).

BMS плата следит за состоянием каждого аккумулятора в отдельности. Если какой-то аккумулятор разрядится ниже нормы, вся батарея будет отключена от нагрузки. Если зарядится до нормы, то будет отключен от ЗУ только он, остальные продолжат заряжаться.

В батарейный модуль, в соображениях безопасности, могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарею, а также исключает возможность короткого замыкания.

В батарейном модуле Тесла, литий-ионные аккумуляторы заряжаются по разным алгоритмам, но классическим является следующий. Если батарея сильно разряжена, зарядка идет напряжением 2.9 В и током 0.1С (десятая часть емкости). при достижении напряжения 2.9 В на клеммах АКБ зарядный ток увеличивается до 0.4-0.3С. Как только элемент зарядится до 3.9-4.0 В, ток снова снижается до 0.1-0.05С, и зарядка продолжается, пока напряжение на клеммах не достигнет 4.2 В.

Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволят увеличить дальность поездки без длительной подзарядки или уменьшить длительность самой зарядки АКБ электромобиля.

Сейчас зарядить электромобиль можно тремя основными способами.

1.От бытовой сети с напряжением 220 В, как и любой другой электрический прибор (8-12 часов для полной зарядки для Leaf Nissan, для Tesla до 30 часов).

2.От 3-х фазной розетки на 380 В, которыми оборудуются АЗС и паркинги (зарядка длится 4-8 часов);

3.Используя ускоренные зарядки (30-60 минут для зарядки АКБ до 80 % емкости).