Ионно литиевый аккумулятор: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU)

5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы не столь «привередливы», как их никель-металл-гидридные собратья, но все равно требуют определенного ухода. Придерживаясь пяти простых правил, можно не только продлить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей, но и повысить время работы мобильных устройств без подзарядки.

Не допускайте полного разряда. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов. Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100.

Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:

Разряжайте раз в 3 месяца. Полный заряд на протяжении длительного времени также же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до нуля.
Из-за крайне нестабильного процесса заряда (мы часто заряжаем телефон как придется, и где получится, от USB, от розетки, от внешнего аккумулятора и тд.) специалисты рекомендуют раз в 3 месяца полностью разряжать аккумулятор и после этот заряжать до 100% и подержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает сбросить так называемый верхний и нижний флаги заряда аккумулятора. Более подробно об этом можно прочитать здесь.

Храните частично заряженными. Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.

В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.

Используйте оригинальное зарядное устройство. Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые гаджеты, например цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи.

Не допускайте перегрева. Ну а злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура – перегрева они напрочь не переносят. Поэтому не допускайте попадания на мобильные устройства прямых солнечных лучей, а также не оставляйте их в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов: от –40°C до +50°C

Также, вы можете посмотреть Часто Задаваемые Вопросы по аккумуляторам на нашем сайте.

Производство литий-ионных аккумуляторов – Портфельная компания РОСНАНО

Литий-ионные аккумуляторы

Создание первого в России масштабного производства литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов нового поколения для энергетики и электротранспорта

В декабре 2011 года в рамках проекта запущен крупнейший в мире завод по производству литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) высокой емкости компании «Лиотех».

В технологии производства используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-фосфат (LiFePO₄). Этот материал позволяет достигать наилучших характеристик аккумуляторов при их промышленном производстве.

Важнейшие характеристики литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) — высокая плотность энергии, широкий температурный диапазон и длительный срок эксплуатации, экологичность и безопасность.

«Лиотех» осуществляет поставки аккумуляторов для городского электротранспорта, в частности, для троллейбусного завода «Тролза», где продукция «Лиотеха» используется для троллейбусов с запасом автономного хода. Кроме того, «Лиотех» осуществляет поставки для энергетического рынка. Компания «Хевел» запустила гибридную энергоустановку (АГЭУ) в селе Менза Забайкальского края. В составе установки были использованы аккумуляторные ячейки для накопителя энергии емкостью 300 кВт•ч производства «Лиотех». Планируется, что в 2017 году «Хевел» построит в Забайкалье еще две гибридные электростанции, на которых также могут быть использованы накопители энергии «Лиотех».

Сферы применения

• Энергетика (стационарные применения)
• Электротранспорт

Основные потребители

• Системы энергоснабжения и энергосбережения
• Производители электротранспорта

Конкурентные преимущества

• Высокая емкость аккумулятора
• Отсутствие эффекта памяти
• Надежность и безопасность
• Широкий температурный диапазон эксплуатации
• Длительный срок эксплуатации: в энергетике — до 25 лет, на электротранспорте — до 8 лет
• Ресурс, заряд/разряд при глубине разрядки до 80% — более 3000 циклов
• Ресурс батареи при использовании на электротранспорте — более 600 тыс. км пробега

Типы аккумуляторов, их достоинства, недостатки и специфика использования

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion, Lithium Ion)

Достоинства Li-Ion аккумуляторов:

Высокая ёмкость
Малые габариты
Небольшая масса
Отсутствует эффект «памяти»
Низкая степень саморазряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки
Большое количество циклов заряда/разряда

Недостатки Li-Ion аккумуляторов:

Высокая стоимость
Быстрое старение
Чувствительна к низким температурам

Общая информация:

Отсутствие эффекта «памяти» в литиевых аккумуляторах позволяет заряжать и подзаряжать аккумуляторы по мере необходимости, а так же находиться в зарядном устройстве длительное время. Обычно поставляются заряженным на 40-60%. Степень саморазряда литиевого аккумулятора рекордно мала – 3-5% в месяц. При длительном хранении необходима подзарядка не реже, чем раз в 3 месяца. Время работы литиевых аккумуляторов сокращается при температуре ниже 0°С. Срок службы литиевых аккумуляторов составляет от 4 до 6 лет, по прошествии которых ёмкость аккумулятора снизится и он может стать непригоден, не зависимо от интенсивности использования. Номинальное количество циклов заряда/разряда более 1000, максимальное – более 2000 циклов. Восстановлению данные аккумуляторы не подлежат.

Аккумуляторы на основе литий-ионных ячеек эффективны при интенсивном использовании и частых циклах заряда/разряда. В период срока службы такие аккумуляторы будут оптимальны для техники, которая часто и регулярно используется, в сравнении с батареями на основе никеля.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol, Lithium Polymer)

Достоинства Li-Pol аккумуляторов:

Высокая ёмкость
Малые габариты
Небольшая масса
Отсутствует эффект «памяти»
Низкая степень саморазряда
Большое количество циклов заряда/разряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки
Возможность изготовления любой формы и конфигурации

Недостатки Li-Pol аккумуляторов:

Высокая стоимость
Быстрое старение
Чувствительна к низким температурам

Общая информация:

Литий-полимерные и литий-ионные батареи схожи по своим техническим характеристикам за исключением того, что литий-полимерные аккумуляторы имеют возможность изготовления практически любой формы и конфигурации, что позволяет убрать ограничения в отношении конечной формы, размеров и электрических характеристик. Так же литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие показатели в стандартных тестах на производительность и безопасность (раздавливание, протыкание, вибрация, короткое замыкание, перезаряд, форсированный заряд), но из-за кристаллизации находящегося внутри полимера электрические характеристики сильно ухудшаются при отрицательной температуре.

Аккумуляторы на основе литий-полимерных ячеек эффективны при интенсивном использовании и частых циклах заряда/разряда. Подходят для устройств с нестандартным форм-фактором и специфической конфигурацией.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4)

Достоинства LiFePO4 аккумуляторов:

Высокая ёмкость
Отсутствует эффект «памяти»
Устойчивы к переразряду
Не теряют емкость при отрицательных температурах
Низкая степень саморазряда
Срок хранения до 15 лет
Большое количество циклов заряда/разряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки
Не горят при повреждении и не токсичны

Недостатки LiFePO4 аккумуляторов:

Высокая стоимость
Тяжелее относительно Li-Ion

Общая информация:

В отличие от большинства литиевых аккумуляторов LiFePO4 отличаются длительным сроком службы, устойчивостью к отрицательным температурам и безопасностью в эксплуатации. Поставляются заряженным на 40-60%. Могут использоваться вне помещений, так как устойчивы к отрицательным температурам до -30°С. Степень саморазряда менее 1,5% в месяц. Длительное хранение не сказывается негативно на работе. Срок службы достигает 5000 циклов перезарядки, а срок хранения до 15 лет.

Аккумуляторы на основе литий-железо-фосфатных ячеек оптимальны для техники, которая используется вне помещений и периодически остается на хранении длительное время. Область применения – накопители для солнечных панелей и ветрогенераторов, электроавтомобили, водный транспорт, складская техника, гольфкары, электровелосипеды и электроскутеры.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd, Nickel Cadmium)

Достоинства Ni-Cd аккумуляторов:

Низкая стоимость
Высокая вероятность восстановления
Работа в широком диапазоне температур
Большое количество циклов заряда/разряда
Возможность форсированной (быстрой) зарядки

Недостатки Ni-Cd аккумуляторов:

Высокая степень саморазряда
Эффект «памяти»
Большие размеры
Токсичность при неправильной утилизации
Срок службы ограничен количеством циклов заряда/разряда

Общая информация:

Никель-кадмиевые аккумуляторы чаще всего поставляются почти полностью разряженными из-за высокой степени саморазряда – 15-20% в месяц. Нахождение в зарядном устройстве длительное время нежелательно, так как сильно ухудшаются характеристики. У никель-кадмиевых аккумуляторов есть эффект “памяти” и что бы избежать проявления этого эффекта требуется регулярно (где-то раз в неделю) полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой. Практически нет потери емкости при температуре до -20°C, а рабочий диапазон температур варьируется от -50°C до +70°C. Номинальное количество циклов заряда/разряда более 1000, максимальное – более 2500 циклов. Восстановление данных аккумуляторов возможно с вероятностью 60%.

Специфика использования никель-кадмиевых аккумуляторов обусловлена сроком службы, который зависит от количества циклов заряда/разряда и соблюдения условий зарядки. Наиболее эффективно использование для периодической эксплуатации и в режиме полного разряда.

Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH, Nickel Metal-Hydride)

Достоинства Ni-MH аккумуляторов:

Низкая стоимость
Высокая ёмкость
Низкая токсичность
Слабовыраженный эффект “памяти”
Работа в широком диапазоне температур

Недостатки Ni-MH аккумуляторов:

Высокая степень саморазряда
Медленная зарядка
Малое количество циклов заряда/разряда
Сложное и дорогое устройство зарядных устройств

Общая информация:

Никель-металлогидридные аккумуляторы должны храниться полностью заряженными. Степень саморазряда у них крайне высока и достигает 30% в месяц. Нахождение в зарядном устройстве длительное время нежелательно, так как сильно ухудшаются характеристики. У никель-металлогидридныx аккумуляторов слабо выражен эффект “памяти” и рекомендуется регулярно (примерно каждые два месяца) полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой. По сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами (Ni-Cd) имеют большую энергетическую плотность (емкость), но требовательны к зарядным устройствам и условиям зарядки. Проявляют хорошую работоспособность при низких температурах, но диапазон рабочих температур не высок – от -10°C до +40°C. Номинальное количество циклов заряда/разряда от 500 до 1000 циклов. Восстановление данных аккумуляторов возможно с вероятностью 15%.

Использование никель-металлогидридных аккумуляторов ограничено сроком службы, однако они обладают большой емкостью и наиболее эффективно их использование в устройствах с низким постоянным потреблением.

Литий-ионные аккумуляторные батареи – Особенности интерфейса и менеджмента ЛИАБ – ПАО Сатурн

Обеспечение надежности и безопасности ЛИАБ

Защита от перезаряда и переразряда внешне обеспечивается электронным устройством, абсолютно надежным в управлении.

Внутреннее КЗ предотвращается конструктивно: обертыванием (пакетированием) электродов сепараторами и тем, что при этом между электродами находится трехслойный сепаратор, который при достижении критической температуры теряет пористость (заплавляется) и останавливает электрохимический процесс.

Исключение из цепи отказавших или аномально деградировавших аккумуляторов выполняется применением байпасных переключателей.

Основные требования, которые предъявляются к байпасному переключателю для литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата, это надежность, минимальные энергетические потери, минимальная масса, сохранение неразрывности цепи ЛИАБ при переключении и механическая и радиационная стойкость.

Схема подключения байпасного переключателя и временная диаграмма работы переключателя обеспечивает сохранение неразрывности при переключении цепи соединения аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Таким образом, отказ любого элемента не приводит к отказу ЛИАБ. Надежность ЛИАБ обеспечивается также всеобъемлющей квалификацией (в том числе ресурсными испытаниями) и тщательным контролем при изготовлении.

Литий-ионные аккумуляторы cat® — Пора переключиться?

Технологий литий-ионных аккумуляторов доступны в качестве опции практически на всех моделях вилочной и складской электротехники Cat®. Пока свинцово-кислотные аккумуляторы остаются довольно популярным решением среди заказчиков, и бесспорно, предлагают множество преимуществ, тем не менее, Литий-ионным решениям есть что предложить взамен.

Возможно самым заметным преимуществом перехода на Li-ion является возможность подзарядки. Вместо того, чтобы менять АКБ между сменами, Вы можете быстро подзарядить батарею во время короткого перерыва и использовать её 24/7. Вместе с другими преимуществами, такими как: эффективность, экологичность и безопасность — это делает Li-ion отличной альтернативой.

Преимущества Cat Li-ion относительно свинцово-кислотных аналогов

Литий-ионные батареи предоставляют огромные преимущества по сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами в части экономии электроэнергии, оборудования, персонала и сокращении простоев.

• Больший срок службы – примерно в 3-4 раза в сравнении со свинцово-кислотными – сокращают расходы на АКБ
• Повышенная эффективность – при зарядке и разрядке потери энергии ниже на 30%, поэтому снижается потребление электроэнергии.
• Более длительное время работы – благодаря более эффективной работе АКБ и использованию возможных зарядов, которые могут быть предоставлены в любое время без повреждения батареи или сокращения срока ее службы.
• Неизменно высокая производительность – с более стабильной кривой напряжения – поддерживает более высокую производительность погрузчика, даже в конце смены
• Более быстрая зарядка – обеспечивает полную зарядку всего за 1 час с помощью самых быстрых зарядных устройств
• Без замены батареи – возможность быстрой подзарядки – 15 минут заряд достаточно для нескольких часов дополнительного времени работы — обеспечение непрерывной работы с одним аккумулятором и минимизация потребности в покупке, хранении и обслуживании запасных частей.
• Без обслуживания – батарея остается на борту погрузчика во время зарядки, не нужно доливать воду или проверять уровень электролита.
• Отсутствует выделение вредных газов – и кислоты — позволяет сэкономить на месте, оборудовании и расходах по содержанию помещения для зарядки аккумуляторов и вентиляционной системы.
• Встроенная защита — интеллектуальная система управления аккумулятором (BMS) автоматически предотвращает чрезмерные значения разряда, зарядки, напряжения и температуры, а также практически исключая ошибки приложений.

В наличии есть аккумуляторы и зарядные устройства различной емкости. Ваш дилер определит лучшее сочетание исходя из Ваших задач. Уточняйте у дилера информацию о дополнительной 5-летней гарантии и условиях ежегодной проверки, которые обеспечат более комфортную эксплуатацию.

К погрузчикам Cat с опциями литий-ионного аккумулятора относятся следующие:

Электрические тележки с вилочным захватом для поддонов:

• NPP16PD
• NPV20-25N3/NPF20-25N3(R)(S)
• NPV20PD

Погрузчики-штабелеры:

Рич-траки:

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) | Принцип работы

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

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

электрохимический ряд элементов

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

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.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

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.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

Восстановление литиевых аккумуляторов

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы окружают нас повсюду – они в смартфонах, планшетах, фонарях и вообще везде. Неудивительно, что, так или иначе, но периодически они выходят из строя. Давайте попробуем разобраться – насколько эти процессы обратимы и можно ли восстановить вышедший из строя литий-ионный аккумулятор.

Литий-ионный аккумулятор – это электрохимическое устройство, которое способно преобразовывать энергию обратимых химических процессов в электрическую. Эксплуатируется аккумулятор совместно с устройством, которое контролирует процесс заряда и разряда. Контроль этот очень важен, поскольку для того, чтобы литиевый аккумулятор работал долго и качественно, нужно чтобы параметры работы аккумулятора четко соблюдались.

Традиционный рабочий диапазон напряжений одной банки – от 2.7 до 4.2В. При заряде защита аккумулятора прекратит процесс при достижении верхней границы приведенного диапазона. Разряд будет прекращен, когда напряжение достигнет 2.7В. Кроме этого, плата защиты следит за тем, чтобы рабочий ток аккумулятора не был превышен. Это же относится и к литий-полимерным аккумуляторам, которые отличаются от литий-ионных аккумуляторов конструктивно (подробнее о различиях читайте в статье «Литий-полимерный аккумулятор — отличия от литий-ионного»).

Указанные цифры не случайны – перезаряд и переразряд литий-ионного аккумулятора приводит к необратимым процессам, из-за которых, как минимум, ухудшаются параметры аккумулятора, а, как максимум, процессы в банке начнут протекать слишком бурно, что в итоге закончится разрывом батареи.

Вы же не хотите, чтобы так было на вашем столе?

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор рассчитан на несколько тысяч циклов заряд-разряд. Но даже если вообще не пользоваться батареей, она сама собой выйдет из строя в течение 2-3 лет. Емкость, рабочие токи, внутреннее сопротивление аккумулятора ухудшаются плавно, но бесповоротно. Другими словами, в аккумуляторе так или иначе, быстрее или медленнее, но проходят необратимые процессы, которые рано или поздно окончательно и бесповоротно выведут аккумулятор из строя. При этом ремонту или восстановлению сама аккумуляторная батарея не подлежит. Проще и правильнее сдать почивший аккумулятор на утилизацию и заменить его новым. Поскольку любые дальнейшие манипуляции с ним могут привести к очень неприятным последствиям.

Но бывают ситуации, когда сама аккумуляторная банка еще жива, а защитная электроника доступ к ней блокирует. Причины блокировки могут быть следующие:

• Короткое замыкание. Если превышен допустимый ток работы аккумулятора, то плата защиты разрывает цепь и не восстанавливает ее, после того как короткое замыкание будет устранено. Естественно, это может случиться и с абсолютно рабочим свежим устройством. Решение простое – защита разблокирует аккумулятор, если его подсоединить к зарядному устройству. Или, на худой конец, к такой же, но заряженной и рабочей батарее.
• Литий-ионный аккумулятор разрядился ниже допустимого предела. При разряде до 2.7В защита блокирует аккумулятор, не давая ему разрядиться еще сильнее. Обычно в таких случаях батарею просто подключают к зарядке. Но если ее оставить в полностью разряженном состоянии на длительный срок времени (месяцы, год), она продолжит неспешно разряжаться сама собой. Напряжение батареи будет снижаться и с какой-то момент защита уже не разблокирует аккумулятор, даже если он будет подключен к зарядному устройству. Вообще-то, это происходит не случайно. При глубоком разряде батареи в ее анодном пространстве могут начать появляться кристаллики металлического лития, а в самом аккумуляторе образоваться металлические мостики между анодом и катодом. Подача зарядного напряжения в этих условиях может привести не к началу зарядки, а к перегреву и взрыву. Поэтому защитная электроника аккумулятора при падении напряжения на нем ниже допустимого пределе, начинает считать, что заряжать его уже может быть опасно и включать его вообще отказывается.

Лучше, конечно, с защитой согласиться. Тем более что, если даже удастся восстановить такой литий-ионный аккумулятор, долго и качественно работать он все равно не сможет (максимум 3-5 циклов заряд/разряд при емкости в 50-70% от начальной). Но если ну очень нужно, то кое-что сделать попробовать можно.

1. Найдите на аккумуляторе дату производства. Не мучайте, оставьте покоиться с миром трупики, которым больше трех-четырех лет.
2. Прикиньте, сколько времени батарея пролежала в разряженном состоянии. Если больше, чем полгода-год, шансов на восстановление почти нет. Кроме того, чем больше прошло времени, тем потенциально опаснее становится процесс восстановления.
3. Посмотрите не внешнее состояние аккумулятора. Однозначно в утиль устройства с явными внешними повреждениями или вздутые батареи!
4. Если еще не пробовали, вставьте аккумулятор в родное устройство (телефон, например) и/или подключить к штатной зарядке. Если пошел заряд – ура!
5. Если нет – продолжаем мучать девайс дальше. Проверьте напряжение на контактах батареи (пока не разбирая ее). Должен быть ноль.
6. Постарайтесь аккуратно отделить плату защиты и измерить напряжение на выводах самой аккумуляторной банки. Если ноль – в утиль. Если где-то в районе 2-2.5В – хорошо, продолжаем дальше.
7. Далее понадобится устройство с регулируемым током заряда. Подключите его выводы непосредственно к выводам батареи, минуя защиту (плюс к плюсу, минус к минусу), установите напряжение 4.2В и ток до 100мА.
8. Включите зарядное устройство. Очень хорошо, если напряжение на батарее начнет расти. Заряжайте до напряжения 3.0-3.2В. Процесс должен занять 10-15 минут. Не оставляйте аккумулятор без внимания все это время, регулярно проверяйте его температуру. И если он начнет существенно греться, тут же прекращайте процесс и прощайтесь с окончательно сдошхим аккумулятором.
9. Если все же аккумулятор наберет нужное напряжение, отключите внешнее зарядное устройство, верните защиту на место и пробуйте заряжать батарею уже через нее – обычным способом (вставьте в телефон, подключите штатную зарядку). Аккумулятор должен ожить и начать заряжаться.

В сети были интересные сообщения о том, что удавалось запустить зарядку литий-ионного аккумулятора после его заморозки. Нужно положить батарею в морозилку на 30-40 минут, достать и сразу вставить в зарядку. Должен начаться заряд. Позаряжать холодный аккумулятор 2-3 минуты, потом дать ему нагреться до комнатной температуры. После чего продолжить зарядку.

У кого-то этот способ действительно работал. Дело, видимо, в том, что переохлаждение как-то отключает защиту и позволяет аккумулятору начать заряжаться напрямую.

Не стоит ожидать от воскресших аккумуляторных батарей много. Длительный срок службы или продолжительный выход за рабочие параметры неминуемо и необратимо разрушает их. Но пережить еще несколько циклов заряд-разряд они, может быть, смогут. Что даст вам время приобрести аккумулятор на замену.

Читайте также статью о том, как использовать литиевые аккумуляторы правильно.

Обзоры аккумуляторных батарей

и результаты испытаний от Liion Wholesale — Liion Wholesale Batteries

Размещенно от Джонатана Казерта 20 сентября, 2017

Обновление от 3 августа 2018 г. Мы больше не носим Aspire 18350, поскольку они его больше не выпускают, но у нас есть Vapcell 18350, который является той же ячейкой, что и Aspire. Таким образом, они также работают как результаты тестирования Vapcell 1100mAh 18350.Тестирование Aspire / Vapcell 18350 по сравнению с Efest 18350 И снова здравствуйте, друзья, Джон из технического отдела Liion Wholesale. Мы получили настоящую жемчужину батареи 18350 от Aspire, и я хочу показать вам данные, которые мы видели у этого могущественного маленького парня. Нас часто спрашивают, какая батарея 18350 является лучшей батареей 18350 и, если хотите, …

Подробнее →

Размещенно от Джонатана Казерта 23 июня, 2016

Edit: Аккумуляторы Sony 18650 снова в наличии! Но мы оставим статью ниже, если вы хотите увидеть, какие заменители у нас есть. Замены для Sony VTC5 Sony VTC5 — это элемент на 20 А, 2600 мАч, который может работать около 30 А в течение коротких периодов времени. Это довольно неплохая батарея, но не чрезмерная, как многие думают. В зависимости от того, сколько энергии / тока потребляет ваше устройство, см. Ниже, какой аккумулятор мы рекомендуем. Лучший конкурент VTC5, менее 50 Вт на батарею. Большинство клиентов, интересующихся Sony VTC5, которые мы действительно нашли, сделали бы многое …

Подробнее →

Размещенно Джонатаном Казертой Май 6, 2016

Как многие из вас видели из различных статей в Интернете, появлялось много поддельных LG HG2.Даже некоторые из наиболее надежных продавцов получили эти подделки и продали их как подлинные. Это связано с тем, что LG временно закрыла производство, а высокий спрос на эти потрясающие батареи, похоже, заставил некоторых недобросовестных китайских поставщиков сделать свои собственные и продавать их как законные. Продавала ли Liion Wholesale какие-либо из этих поддельных аккумуляторов? Именно по этой причине мы здесь, в Liion, уже давно гордимся нашим обширным режимом тестирования батарей, гарантируя все подлинные …

Подробнее →

Размещенно от Джонатана Казерта 31 марта, 2016

Вот классный проект, над которым мы работали вместе с Cortex R&D.Вы знаете, насколько ужасно время автономной работы у камер GoPro, а их батареи очень дорогие? Что ж, теперь вы можете использовать 18650 для питания своего GoPro, что означает более длительный срок службы и более дешевые батареи в более портативном форм-факторе. Ознакомьтесь с проектом здесь: Адаптер батареи Cortex GoPro 18650

Подробнее →

Размещенно от Джонатана Казерта Дек 19, 2015

Обновление

: Эфест изучает эту проблему. Они говорят, что наши тесты не совпадают с их результатами и что, возможно, эти батареи были просто неисправны, в то время как другие, которые выглядят так, могут быть хорошими. Это возможность. Они пришлют больше тестовых данных. Мы будем обновлять эту проблему по мере поступления дополнительной информации. До тех пор, пожалуйста, относитесь к этим результатам с «долей скептицизма», зная, что, поскольку у нас только две батареи в стиле 4 постов, возможно, они не репрезентативны для всех остальных. Те из вас, кто следует за Мухом, могли видеть его…

Подробнее →

Новый подход как к высокой безопасности, так и к высокой производительности литий-ионных батарей

РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве доказательства концепции мы подготовили базовый элемент, состоящий из стандартного электролита, 1 M LiPF ₆ в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонат (EMC) (3/7 мас.%) + 2 мас.% (мас.%) виниленкарбонат (VC), а также графитовый анод и катод NCM622.Защитные слои межфазного твердого электролита (SEI) на поверхности графита и межфазного катодного электролита (CEI) образуются во время начальных циклов заряда / разряда. Чтобы обеспечить низкий DCR и, следовательно, высокую мощность, эти межфазные слои обычно тонкие, не обладают достаточной плотностью и эластичностью, чтобы противостоять разложению в условиях неправильного обращения, подавлять непрерывную реакцию растворителя EC в SEI или препятствовать непрерывному окислению EC с выделением кислорода. из катодных материалов в CEI, что приводит к расходу Li и потере емкости элемента.Напротив, в элементах SEB мы создаем высокостабильные, огнестойкие EEI за счет добавления небольшого количества TAP в стандартный электролит. Эта модификация электролита сопровождается одновременным снижением содержания ЭК, т.е. ЭК / ЭМС (1/9 мас.) + 2 мас.% ВК, предназначенных для дальнейшего снижения образования газа посредством побочных реакций. В этой работе мы представляем результаты для трех прототипов клеток SEB, обозначенных как SEB-1, SEB-2 и SEB-3 и соответствующих 0,5, 1 и 1,5 мас.% ТАР, соответственно.Сопротивление переносу заряда ячеек SEB, измеренное с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), увеличивается в 3–5 раз по сравнению с базовой ячейкой без добавок электролита, как показано на фиг. 2A. Высокий импеданс обусловлен полимеризацией молекул ТАП, которые образуют толстые и плотные межфазные пленки на поверхности как анода, так и катода (2). На анодной стороне пленка служит усиленным слоем SEI для стабилизации дальнейшего роста. На катодной стороне пленка препятствует взаимодействию ЭК в электролите с кислородом решетки на поверхности NCM при высокой температуре или высоком напряжении (3), как схематически показано на рис.2Б.

Рис. 2 Экспериментальное сравнение LIB и SEB и объяснение механизма.

(A) Графики Найквиста, показывающие измеренное сопротивление переносу заряда клеток SEB по сравнению с базовым уровнем клеток LIB. (B) Схема, показывающая сформированные in situ межфазные слои на поверхности графита и частиц NCM. Улучшенный слой SEI на графите замедляет перенос EC через пленку и подавляет дальнейший рост SEI. Слой CEI препятствует окислению ЕС решеточным кислородом по поверхности NCM при высоких температурах или высоких напряжениях.(C и D) Эволюция напряжения и температуры в ячейке во время проникновения гвоздя в ячейку SEB и базовую ячейку LIB, а также качественные распределения температуры. Обе ячейки представляют собой карманные ячейки емкостью 2,8 Ач, состоящие из одного и того же графитового анода и катодного материала NMC622. Базовая ячейка LIB заполнена стандартным электролитом: 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (3/7 мас.%) + 2 мас.% VC. Ячейка SEB содержит электролит 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (1/9 вес.) + 2 вес.% VC с TAP в качестве добавки к электролиту.КТ, комнатная температура.

PolyTAP и его композиты являются негорючими материалами. Кроме того, PolyTAP обладает электроизоляционными свойствами и стабильностью при повышенных температурах (4). Все эти свойства делают PolyTAP хорошо подходящим для повышения безопасности клеток SEB в условиях злоупотребления. Это подтверждается испытаниями на проникновение гвоздей, показанными на рис. 2C, где повышение температуры составляет всего 100 ° C (без деформации клеток, курения или возгорания) по сравнению с почти 1000 ° C (возгорание) в базовом случае (рис.2D). Превосходные характеристики безопасности ячейки SEB дополнительно иллюстрируются электрическими характеристиками ячейки во время проникновения гвоздя. Для базовой ячейки напряжение ячейки снижается до 0,1 В в течение 5 с после проникновения гвоздя. Резкое падение напряжения указывает на то, что ток короткого замыкания чрезвычайно высок из-за низкого внутреннего сопротивления базовой ячейки. Напротив, напряжение элемента SEB падает с 4,171 до 3,085 В в течение 5 с после проникновения, показывая медленный и контролируемый разряд из-за высокого внутреннего сопротивления элемента SEB.Существенно более высокое сопротивление в ячейке SEB, чем базовое, вызвано электрически непроводящими слоями, сформированными на поверхности графита и частиц NCM, как схематично показано на фиг. 2B.

Стабильность и безопасность элементов SEB дополнительно подтверждается испытаниями на высоковольтный заряд и календарным сроком службы при высоких температурах (рис. S1 и S2). Ячейки SEB могут подвергаться 1254 воздействиям высокого напряжения [заряд постоянным током (CC) до 4,4 В, постоянное напряжение (CV) до C / 20] при 40 ° C с сохранением емкости 80%, тогда как базовая ячейка выдерживает всего 40 циклов при той же потере емкости и рабочей температуре, что указывает на то, что элемент SEB более чем в 30 раз стабильнее и, следовательно, безопаснее, чем базовые элементы в условиях зарядки высокого напряжения.Тестирование календарного срока службы также показывает, что пассивированные клетки SEB могут эффективно подавлять саморазряд. Ток саморазряда измеряется путем поддержания постоянного напряжения элемента на требуемом значении, например 4,187 В для 100% состояния заряда (SOC). Как базовые, так и SEB-элементы демонстрируют быстрое уменьшение плотности тока саморазряда в начале календарного старения из-за роста анодного слоя SEI. Свежие клетки SEB показывают токи саморазряда примерно в 5 раз ниже, чем у базовой ячейки при комнатной температуре и 50% SOC, в 6 раз ниже при комнатной температуре и 100% SOC и примерно в 7 раз ниже при 60 ° C как при 50, так и при 100%. SOC.После 60 дней хранения ток саморазряда начинает выходить на плато; однако ток саморазряда в элементе SEB все еще в 2 раза ниже, чем в базовом элементе при комнатной температуре и 50% SOC и в 3 раза ниже при комнатной температуре и 100% SOC. Саморазряд становится в 4 раза ниже при высокой температуре (60 ° C) как при 50%, так и при 100% SOC, что указывает на то, что при повышенных температурах элементы SEB сохраняют преимущество в календарном сроке службы над базовым элементом.

Отличительной чертой ячеек SEB является высокая мощность по запросу.Когда батареи не используются, элементы SEB остаются простаивающими при комнатной температуре, демонстрируя высокую стабильность и безопасность. Однако во время работы клетка SEB переключается в условия высокой реактивности посредством быстрой термической стимуляции. Это можно проиллюстрировать с помощью DCR, который обратно пропорционален мощности. Здесь DCR при разряде и заряде для SEB и базовых LIB-ячеек измеряются при 50% SOC с помощью 10-секундного метода определения характеристик мощности гибридного импульса (HPPC). Как и ожидалось, значения DCR существенно увеличиваются при добавлении небольшого количества TAP в электролит, как показано на рис.3 (A и B), который также демонстрирует, что добавление большего количества TAP в SEB-3 (например, 1,5 мас.%) Приводит к дальнейшему увеличению DCR из-за образования более толстых защитных слоев.

Рис. 3 Температурная зависимость мощности ячеек.

(A и B) DCR разряда и заряда, соответственно, при 50% SOC для ячеек SEB по сравнению с базовым уровнем ячейки LIB. (C) Относительная мощность разряда (базовый уровень DCR _{@ RT} / DCR) ячейки SEB по сравнению с базовой ячейкой LIB. (D) Относительная реактивность (R _{ct, базовая линия @ RT} / R _ct ) клетки SEB по сравнению с базовой линией клетки LIB, показывающая, что клетки SEB работали при соответствующих повышенных температурах, например.g., SEB-3 при 50 ° C, может обеспечивать достаточную мощность при всех температурах окружающей среды (обозначено линией a), что клетки SEB в 5 раз безопаснее и меньше стареют при комнатной температуре (обозначены линией b) и что клетки SEB в 2,6 раза меньше склонны к тепловому разгоне при 60 ° C (обозначены линией c).

На рис. 3С показана относительная мощность клеток SEB по сравнению с базовой линией LIB, где мощность базовой клетки при комнатной температуре нормализована до единицы, тем самым демонстрируя, что клетки SEB могут обеспечивать достаточную более высокую мощность при работе при более высоких температурах.При 50% SOC SEB-1, работающий при 29,2 ° C, обеспечивает ту же мощность, что и базовый элемент при комнатной температуре. Самая безопасная ячейка SEB-3 с 1,5 мас.% Добавки TAP требует рабочей температуры 44,6 ° C для обеспечения такой же мощности, как и базовая ячейка при комнатной температуре. Базовая ячейка имеет узкое температурное окно от 15 ° до 35 ° C, тогда как ячейки SEB имеют гораздо более высокую максимальную рабочую температуру, не становясь чрезмерно реактивными. Таким образом, необходимость работы при более высоких температурах для восстановления мощности не представляет проблемы для элементов SEB.При 50% SOC увеличение мощности разряда по сравнению с базовой литий-ионной батареей составляет 2,05, 1,81 и 1,39 для SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно (рис. 3C). Более того, при температуре окружающей среды 0 ° C базовая ячейка LIB имеет относительную мощность 0,38, в то время как SEB-2 имеет относительную мощность 1,81 при работе при 60 ° C [требуется 30 с, чтобы нагреть ячейку от 0 ° C. От ° до 60 ° C со скоростью 2 ° C / с, что типично для самонагревающейся конструкции Wang et al. (1)]. Это примерно 5-кратное увеличение мощности по сравнению с ячейкой LIB для ячеек SEB, работающих в условиях замораживания.Как правило, элементы SEB работают независимо от температуры окружающей среды или погоды, поскольку они всегда нагреваются за считанные секунды и работают при постоянной повышенной температуре. Хотя нагрев элемента до повышенной температуры потребляет энергию элемента, общая передаваемая энергия элемента, как это ни парадоксально, не уменьшается. Как показано на рис. S3, энергия разряда C / 3 составляла 9,62 ватт-часа (Втч) для базовой ячейки при комнатной температуре и 10,15 Втч для ячейки SEB-3 при 60 ° C. Согласно нашей предыдущей работе (1), для повышения температуры на 10 ° C требуется ~ 1% энергии ячейки, что означает, что ячейке SEB-3 нужно 3.5% его энергии на нагрев от 25 ° до 60 ° C; оставшаяся энергия разряда, таким образом, составляет 9,79 Вт · ч, что на 2% выше, чем у базового элемента при комнатной температуре.

Как уже упоминалось, такой быстрый нагрев достигается за счет вставки листа никеля микрометровой толщины. Влияние этого дополнительного компонента на плотность мощности ячейки можно оценить с помощью уравнения. 1, где m — масса данного элемента, а отношение мощности разряда, оцененное с помощью HPPC, обратно пропорционально отношению DCR (Power Density) SEB (Power Density) baseline @ RT = (DCRbaseline @ RTDCRSEB @ 60 ° C) (mbaselinemSEB) (1)

Добавление никелевой фольги увеличивает массу клеток на 1.3%, в то время как отношение DCR в формуле. 1 — относительная мощность, представленная на фиг. 3C при 60 ° C. На основе этих значений удельная мощность не уменьшается, а увеличивается в 2,02, 1,79 и 1,37 раза в случае SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно. Таким образом, в случае SEB-3 с самым высоким внутренним сопротивлением плотность мощности все еще на 37% выше, чем у базового элемента, работающего при комнатной температуре.

На рисунке 3D представлена ​​относительная межфазная реактивность, полученная на основе сопротивления переносу заряда по результатам EIS.Это дополнительно подтверждает, что повышенная рабочая температура эффективно снижает сопротивление передачи заряда элементов SEB и, следовательно, увеличивает реактивность и мощность элемента. Повышение реактивности по сравнению с базовой ячейкой LIB составляет 2,06 для SEB-2. В целом, как относительная мощность, так и относительная реактивность иллюстрируют способность ячеек SEB достигать высокой мощности по требованию. С другой стороны, значения относительной реактивности этих двух ячеек, показанные на рис. 3D, указывают на то, что элемент SEB будет в 5 раз безопаснее и подвергнется старению в 5 раз меньше при комнатной температуре, что подтверждается испытаниями на саморазряд и сохранение емкости. изображенный на рис.S2. Кроме того, сравнение относительной реактивности для двух типов ячеек при 60 ° C показывает, что ячейка SEB более чем в 2 раза менее склонна к тепловому разгоне.

Помимо безопасности и высокой мощности, постоянно возрастает потребность в длительном сроке службы LIB. Элементы SEB с низкой реактивностью, изготовленные из высокостабильных материалов, обеспечивают более длительный календарный срок службы (рис. S2), о чем свидетельствует медленное уменьшение емкости, когда батарея находится в режиме ожидания при комнатной температуре. При повышенных температурах цикл клеток SEB также стабилен.На рисунке 4A сравнивается сохранение емкости базовой ячейки с ячейками SEB во время цикла при 60 ° C заряда 1C CC до заряда 4,2 В CV до C / 20, а затем разряда 1C до 2,8 В. Очевидно, что ячейки SEB превосходят элемент базового уровня, как показано. за счет потери емкости на 20% при 481 цикле с видимыми признаками деформации ячейки из-за выделения газа и набухания графитового анода для базовой ячейки, в то время как SEB-3 может достичь 2821 цикла до достижения потери емкости 20%. Это соответствует ок. Увеличение срока службы в 6 раз.Кроме того, SEB-3 достигает 4014 циклов при сохранении емкости 75%, в то же время демонстрируя признаки здоровой клетки, способной стабильно работать (без заметного выделения газа или литиевого покрытия). Средняя разрядная способность этих 4014 циклов составляет 84,2% от эквивалентного полного цикла (EFC). Предполагая, что дальность пробега в 153 мили на EFC для электромобиля (например, BMW i3 2019 года), 4014 циклов означают> 517000 миль срока службы. Это более чем в 5 раз превышает гарантию для коммерческих электромобилей (например, BMW i3, 70% мощности на 8 лет или 100 000 миль).Увеличение срока службы элемента может быть дополнительно продемонстрировано путем рассмотрения скорости снижения емкости во время календарного старения при комнатной температуре (то есть в стабильном состоянии), которая в 7 раз ниже, чем при 60 ° C (реактивное состояние). Элемент SEB будет нагреваться до реактивного состояния только в ситуациях, требующих высокой мощности или быстрой зарядки. Большая часть его срока службы (> 90%) будет проведена в режиме ожидания (стабильное состояние). Таким образом, в полевых условиях ожидается, что срок службы SEB значительно превысит 4014 циклов, прежде чем потеря мощности достигнет 25%.

Рис. 4 Сравнение стабильности при циклировании при 60 ° C.

(A и B) Сохранение емкости и DCR клеток SEB по сравнению с базовыми клетками LIB во время цикла при 60 ° C. Ячейки заряжаются по протоколу CCCV при температуре от 1 ° C до 4,2 В с током отсечки C / 20, а затем разряжаются при температуре от 1 ° C до 2,8 В. (C и D) Кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению с устаревшим элементом.

Значительное увеличение срока службы SEB по сравнению с базовой ячейкой может быть связано с более плотным и более стабилизированным слоем SEI, сформированным на частицах графита, и слоем CEI на частицах NCM622 в присутствии добавок электролита.Для базовой ячейки богатые никелем частицы NCM склонны к микротрещинам по границам зерен (5, 6), которые создают зазоры для проникновения электролита и приводят к более сильному окислению электролита и образованию каменной соли (7). При растрескивании частиц также высвобождается новая свежая поверхность, с которой может выделяться кислород (8). Микротрещины на частицах NCM622 для базовой ячейки наблюдаются только после 50 циклов (рис. 5D). Образование трещин становится более заметным по всей области микрофотографии после 956 циклов (рис.5F). Для ячеек SEB трещины на частицах NCM не наблюдаются при 50 циклах, а небольшое количество трещин наблюдается после 4021 цикла (рис. 5J). Наличие микротрещин не только вызывает потерю контакта, но и ускоряет исчезновение емкости NCM. Для клеток SEB полимерное покрытие из TAP, вероятно, образует прочный CEI, уменьшая образование микротрещин (рис. 2B). Об этом также свидетельствуют оптические изображения (рис. S4) и отсутствие наблюдаемой деформации или набухания клеток после 4021 цикла даже при повышенной температуре 60 ° C.

Рис. 5 СЭМ-микрофотографии нетронутых, состаренных электродов для базовой линии и клеток SEB-3.

(A) Безупречный анод. (B) Чистый катод. (C) Базовый анод после 50 циклов. (D) Базовый катод после 50 циклов. (E) Базовый анод после 956 циклов. (F) Базовый катод после 956 циклов. (G) Анод SEB-3 после 50 циклов. (H) Катод SEB-3 после 50 циклов. (I) Анод SEB-3 после 4021 цикла. (J) Катод SEB-3 после 4021 цикла. ETD, детектор Эверхарта-Торнли; HV — ускоряющее напряжение электронов; WD, рабочее расстояние; HFW, ширина горизонтального поля.

Использование добавок ТАП заметно изменило составы EEI. Мы выполнили рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) на графитовых электродах и электродах NCM после 4021 цикла и сравнили структуру EEI образцов из базовой ячейки после 956 циклов. На графитовом аноде ТАР-содержащий электролит SEI содержит высокие концентрации элементов C, O и P по сравнению с контрольным образцом базовой ячейки (рис. 6 и рис. S5). Кроме того, более высокое содержание частиц C─C во всех C-содержащих частицах также было обнаружено в SEI, полученном из электролита, содержащем TAP, что свидетельствует о разложении TAP на аноде (рис.S5). Между тем, состав катодного КЭИ также был изменен. С добавкой TAP слой SEI содержит больше C, P и F и меньше Li и O по сравнению с исходным SEI (рис. 6 и рис. S5). Высокое содержание LiF и P-содержащих частиц (O─P = O, Li _x P _y OF _z и Li _x P _y F _z ) (9) было обнаружено в катодный слой КЭИ за счет применения добавки ТАП (рис. 6). Подробная интерпретация пиков следующая: пики 284.6, 286,1, 288,8 и 290,1 эВ в спектре C 1s относятся к C─C, C─O, O─C = O и поли (O─C = O) (10) соответственно; пики при 684,6 эВ в спектре F 1s приписываются LiF; пики при 686,9 эВ в спектре F 1s и 136,7 эВ в спектре P 2p приписываются O─P = O и Li _x P _y OF _z ; а пики при 686,3 эВ в спектре F 1s и 134,5 эВ в спектре P 2p приписываются Li _x P _y F _z . При сравнении спектра O 1s для состаренной базовой линии (956 циклов) и электродов SEB-3 (4021 цикл) пик на 529.2 эВ для катода SEB-3 эффективно устраняются по сравнению с базовым катодом (рис. 6). Это указывает на то, что на катоде SEB-3 обнаруживается меньшее количество кислорода в решетке NCM622, связанное с относительно более толстым слоем CEI. Это согласуется с более толстым слоем CEI, обнаруженным Xia et al. (2) на покрытой поверхности NMC442 в присутствии добавки TAP. Таким образом, результат XPS подтверждает, что добавка TAP приводит к образованию толстого слоя CEI и, как следствие, к более медленному развитию трещин, меньшему образованию газа и увеличению срока службы.

Рис. 6 Сравнение спектров керна XPS для состаренных базовых электродов и электродов SEB-3.

Графитовые электроды и электроды NCM622 взяты из базовой ячейки после 956 циклов и ячейки SEB-3 после 4021 цикла.

Три ячейки SEB показывают очень близкие скорости снижения емкости в пределах 1000 циклов (рис. 4A). После 1000 циклов SEB-3 показывает гораздо более низкую скорость уменьшения емкости, чем две другие ячейки SEB, как и ожидалось из-за его самой низкой реактивности. По сравнению с исходными клетками, стабильность и длительный цикл жизни клеток SEB очевидны, причины чего можно определить по различиям в тенденции сохранения емкости на разных стадиях старения.Для базовой клетки мы видим резкое снижение сохранения емкости C / 3 на начальной стадии и медленное снижение на вторичной стадии. Это в первую очередь связано с потерей запасов лития во время быстрого и медленного роста слоя SEI. Для клеток SEB уменьшение емкости линейно с номером цикла, что указывает на отсутствие быстрого роста на начальной стадии старения, поскольку рост слоя SEI подавляется образованием на месте огнестойкого защитного слоя. Более того, резкая нелинейная потеря емкости из-за литиевого покрытия обычно наблюдается в базовой ячейке при комнатной температуре и при низких температурах на конечных стадиях старения ячейки (11).Однако во всех элементах SEB, работающих при 60 ° C, эта потеря емкости, вызванная литиевым покрытием, отсутствует, что свидетельствует об отсутствии литиевого покрытия в ячейках SEB. Ячейка SEB без покрытия Li предлагает значительное повышение безопасности по сравнению с обычными ячейками LIB.

Есть еще одно преимущество ячеек SEB, обещающих сверхдлительный срок службы при развертывании в полевых условиях. В то время как обычные элементы LIB подвергаются значительному колебанию температуры окружающей среды, элементы SEB почти всегда работают при одной постоянной температуре (скажем, 60 ° C) независимо от температуры окружающей среды и после чрезвычайно короткого периода начального перехода за счет самонагрева (порядка десятков секунд).Последняя особенность гарантирует минимальное повреждение материалов батареи в элементах SEB из-за больших колебаний температуры.

Для базовой ячейки потеря емкости при повышенных температурах в основном связана с ростом SEI на анодной стороне и окислением растворителя на катодной стороне. Как следствие, DCR заметно увеличивается с увеличением номера цикла (рис. 4B). В случае клеток SEB DCR свежей клетки изначально намного больше, чем базовая клетка; однако скорость его увеличения намного медленнее из-за защитного покрытия как на аноде, так и на катоде (рис.2Б). На рис. 4 (C и D) показаны кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению со старым элементом соответственно. Из-за увеличения DCR с увеличением количества циклов SEB-3 показывает небольшое снижение мощности после 2821 цикла при 60 ° C. Напротив, базовая ячейка показывает резкое увеличение DCR и, следовательно, значительную потерю мощности всего за 556 циклов (рис. S6). Для всех клеток SEB с добавкой TAP их DCR линейно увеличиваются, и увеличение содержания добавки приводит к более высокому DCR в свежих клетках, но более медленному развитию DCR с номером цикла (рис.4Б). Ячейки SEB не производят газ во время циклических тестов, обеспечивая большую безопасность, чем базовая ячейка. Кроме того, клетки, содержащие ТАР, производят меньше газа во время образования, чем базовые клетки (2, 12).

Из-за того, что элементы SEB допускают высокое напряжение, при зарядке до высокого напряжения 4,4 В по сравнению с 4,2 В разрядная емкость элемента SEB увеличивается на 12,7%, а энергия разряда увеличивается на 14,5% (рис. S1B). Таким образом, допуск высокого напряжения можно использовать для увеличения плотности энергии элемента.

Электролиты для ячеек SEB были составлены путем снижения содержания ЭК и добавления ТАР в качестве добавки. Хотя ЭК является важным растворителем для образования слоя SEI, он также приводит к образованию газа, особенно при высоком напряжении (13). Испытания на календарное старение показывают, что условия высокой температуры и высокого SOC ускоряют снижение емкости и увеличение внутреннего сопротивления, а также способствуют образованию газа. Элементы SEB изначально содержат 10 мас.% ЭК в электролите. Некоторое количество ЭК расходуется во время цикла формирования, в результате чего содержание ЭК в сформированных клетках SEB намного меньше 10%.Это выгодно, поскольку скорость газообразования в электролите без ЕС будет ниже, чем в электролите с высоким содержанием ЕС.

С введением в электролит новых материалов следует оценить влияние на стоимость, вес и изготовление элемента. Добавка к электролиту, TAP, имеет сопоставимую цену и плотность по сравнению с текущими стандартными растворителями; таким образом, с введением электролитов SEB не ожидается заметной разницы в стоимости материалов. В отличие от суперконцентрированных электролитов (14), электролиты с ТАП не увеличивают вязкость по сравнению со стандартным электролитом.С точки зрения производства, электролиты SEB также не будут добавлять дополнительных затрат из-за схожести обработки во время и после введения в элемент.

Наконец, элементы SEB имеют важное преимущество, связанное с регулированием температуры аккумуляторной батареи. Когда требуется большая мощность, элементы SEB должны нагреваться изнутри (1) и работать при повышенных температурах. Предполагая, что температура окружающей среды составляет 25 ° C, а ячейки SEB и базовый уровень работают при 60 ° и 30 ° C соответственно, SEB обеспечивает разность температур, приводящую к рассеиванию тепла, которая в 7 раз больше, чем в базовом случае.Кроме того, элемент SEB имеет более низкий DCR при рабочей температуре 60 ° C (17,1 Ом · см ² для SEB с 1 мас.% TAP), чем базовый элемент при 30 ° C (25,3 Ом · см ² ), что указывает на снижение тепловыделения в ~ 1,5 раза при том же токе. Комбинация этих двух факторов снижает нагрузку на управление температурой примерно в 10 раз для клеток SEB.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мы изготовили карманные элементы емкостью 2,8 Ач с использованием LiNi _0,6 Co _0,2 Mn _0.2 O ₂ (Umicore) для катодов и графита (Nippon Carbon) для анодов. Отношение емкости отрицательного электрода к положительному, или отношение NP, было разработано на уровне 1,2. Ячейка-пакет емкостью 2,8 Ач содержит пакет из 20 анодных и 19 катодных слоев. Использовали сепаратор Celgard-2325 толщиной 25 мкм. Нагрузки NMC622 на положительный электрод и графита на отрицательном электроде составляли 10,5 и 6,6 мг / см ² соответственно.

Катоды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе N-метил-2-пирролидона на алюминиевую фольгу толщиной 15 мкм, сухой материал которой состоит из NCM622 (91.5 мас.%), Super-P (TIMCAL) (4,1 мас.%) И поливинилиденфторид (Arkema) (4,4 мас.%) В качестве связующего. Аноды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе деионизированной воды на медную фольгу толщиной 10 мкм, сухой материал которой состоит из графита (95,4 мас.%), Super-P (1,0 мас.%), Стирол-бутадиенового каучука (Zeon) (2,2 мас.%) и карбоксиметилцеллюлоза (Dai-Ichi Kogyo Seiyaku) (1,4 мас.%).

Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в EC / EMC (3: 7 по массе) + 2 мас.% VC, использовали в качестве контрольного электролита (BASF).Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в смеси EC / EMC + 2 мас.% VC, был смешан на месте. Для создания элементов SEB в обычный электролит в качестве добавок примешивали от 0,5 до 1,5 мас.% ТАР.

Каждая ячейка-пакет имеет площадь основания 110 мм × 56 мм, вес 63 г, номинальную емкость 2,8 Ач с удельной энергией 166 Втч / кг и удельной энергией 310 Втч на литр. Разрядные характеристики базовых и SEB ячеек при комнатной температуре показаны на рис. S7 как функция C-rate.

Испытания на циклическое старение мешочных ячеек были выполнены с использованием системы тестирования батарей инструментов Land (модель CT2001B, Land Instruments). Духовка с принудительным обдувом использовалась для контроля различных температур окружающей среды. Для каждого цикла старения элемент заряжался до 4,2 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1C), а затем заряжался при постоянном напряжении 4,2 В до тех пор, пока ток не уменьшился до 0,14 A (C / 20). После отдыха в течение 5 минут элемент был разряжен до 2,8 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1С) с последующим окончательным периодом отдыха в течение 5 минут.Когда число циклов старения достигло определенного значения (например, 403, 1006 циклов), элемент был подвергнут циклическому циклу зарядки и разрядки C / 3 для определения емкости (обозначенной как емкость C / 3) элемента. Для испытаний импеданса при различных температурах элементы были полностью заряжены, а затем разряжены со скоростью от C / 3 до 90% SOC. Испытания импеданса проводились при амплитуде переменного напряжения 5 мВ в диапазоне частот от 50 кГц до 0,005 Гц. Для испытания DCR элементы были полностью заряжены, а затем разряжены до 50% SOC со скоростью C / 3.Скорость разряда 5C и скорость заряда 3,75C использовались для определения значения DCR _Discharge и DCR _Charge .

Испытания на календарное старение проводились при различных температурах окружающей среды и SOC. Духовка с принудительным обдувом использовалась для регулирования различных температур окружающей среды. Напряжение ячейки поддерживалось постоянным, и ток собирался. Когда календарное время старения достигло определенного значения (например, 25, 60, 120 и 180 дней), элемент был циклически изменен со скоростью заряда и разряда C / 3 для определения емкости элемента.Затем были проведены испытания импеданса и DCR в тех же условиях, что и для ячеек с циклическим старением.

Для испытания на проникновение гвоздя элемент был полностью заряжен (заряд 1C CCCV с напряжением отсечки 4,2 В и током отсечки C / 20). Термопары размещались на расстоянии 10 мм от геометрического центра ячейки и у отрицательного вывода ячейки. Диаметр гвоздя 5 мм, изготовлен из жаропрочной стали (угол острия гвоздя 60 °; поверхность гвоздя чистая, без ржавчины и масла). Скорость пробития 30 мм / с; гвоздь прошел через геометрический центр плоскости электрода перпендикулярно и остался внутри ячейки.Время наблюдения составляло 1 час, пока ячейка не остыла и напряжение на ячейке не упало почти до нуля.

Анализы SEM и XPS были выполнены путем первого извлечения образцов электродов из полностью разряженных ячеек пакета графит / NCM622 после цикла и трехкратной промывки EMC. Тесты XPS проводились на сканирующем микрозонде XPS PHI VersaProbe II. Образцы загружали в перчаточный ящик и переносили в прибор через сосуд для вакуумного переноса. СЭМ-визуализацию выполняли на приборе FEI Nova NanoSEM 630 SEM.

Выражение признательности: Финансирование: Эта работа была частично поддержана Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США под номером DE-EE0008447. Вклад авторов: S.G. и C.-Y.W. разработал концепцию и написал рукопись. С.Г. и Р.С.Л. спроектированы и построены клетки. S.G. построила испытательный стенд и провела определение характеристик. T.L. провели тест на проникновение гвоздя. Ю.Л. выполнил анализ импеданса. Ю.Г. и Дайвэй Ван выполнили анализ XPS и SEM.Все авторы участвовали в разработке рукописи и в обсуждениях по мере развития проекта. Конкурирующие интересы: авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в документе, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Новый дизайн может обеспечить более долговечные и мощные литий-ионные батареи

Дэвид Л.Чандлер, Массачусетский технологический институт
26 марта 2021 г.

Использование нового электролита может позволить использовать современные металлические электроды и более высокие напряжения, увеличить емкость и срок службы.

Литий-ионные аккумуляторы

сделали возможным создание легких электронных устройств, портативность которых мы сейчас считаем само собой разумеющейся, а также быстрое расширение производства электромобилей. Но исследователи во всем мире продолжают раздвигать границы для достижения все большей плотности энергии — количества энергии, которое может храниться в данной массе материала — с целью повышения производительности существующих устройств и, возможно, создания новых приложений, таких как длительное время. дроны и роботы.

Одним из многообещающих подходов является использование металлических электродов вместо обычного графита с более высоким зарядным напряжением на катоде. Однако этим усилиям препятствуют различные нежелательные химические реакции, которые происходят с электролитом, разделяющим электроды. Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института и других организаций нашла новый электролит, который преодолевает эти проблемы и может обеспечить значительный скачок в удельной мощности батарей следующего поколения без ущерба для срока службы.

Исследование опубликовано в журнале Nature Energy в статье профессоров Массачусетского технологического института Джу Ли, Ян Шао-Хорн и Джереми Джонсон; постдок Вэйцзян Сюэ; и 19 других в Массачусетском технологическом институте, двух национальных лабораториях и других местах. Исследователи говорят, что это открытие может позволить литий-ионным батареям, которые теперь обычно могут хранить около 260 ватт-часов на килограмм, хранить около 420 ватт-часов на килограмм. Это приведет к увеличению пробега электромобилей и более длительным изменениям портативных устройств.

Рентгеновские томографические изображения, сделанные в Брукхейвенской национальной лаборатории, показывают растрескивание частицы в одном электроде аккумуляторной батареи, в которой использовался обычный электролит (как показано слева). Исследователи обнаружили, что использование нового электролита предотвратило большую часть этого растрескивания (справа). Предоставлено исследователями

.

Основное сырье для этого электролита недорогое (хотя одно из промежуточных соединений по-прежнему является дорогостоящим из-за ограниченного использования), а процесс его получения прост.Таким образом, этот прогресс может быть реализован относительно быстро, говорят исследователи.

Сам по себе электролит не нов, — объясняет Джонсон, профессор химии. Он был разработан несколько лет назад некоторыми членами этой исследовательской группы, но для другого приложения. Это было частью усилий по разработке литий-воздушных батарей, которые рассматриваются как окончательное долгосрочное решение для максимального увеличения удельной энергии батарей. Но есть еще много препятствий, стоящих перед разработкой таких батарей, и до появления этой технологии могут быть еще годы.Между тем, нанесение этого электролита на литий-ионные батареи с металлическими электродами оказывается чем-то, чего можно добиться гораздо быстрее.

Новое применение этого электродного материала было найдено «несколько случайно» после того, как он был первоначально разработан несколько лет назад Шао-Хорном, Джонсоном и другими в рамках совместного предприятия, направленного на разработку литий-воздушных батарей.

«По-прежнему нет ничего, что позволяло бы создать хорошую перезаряжаемую литий-воздушную батарею», — говорит Джонсон.Однако «мы разработали эти органические молекулы, которые, как мы надеялись, могут обеспечить стабильность по сравнению с существующими жидкими электролитами, которые используются». Они разработали три различных состава на основе сульфонамида, которые, как они обнаружили, достаточно устойчивы к окислению и другим эффектам разложения. Затем, работая с группой Ли, постдок Сюэ решил попробовать этот материал с более стандартными катодами.

Тип аккумуляторного электрода, который они сейчас используют с этим электролитом, оксид никеля, содержащий некоторое количество кобальта и марганца, «является рабочей лошадкой сегодняшней индустрии электромобилей», — говорит Ли, профессор ядерной науки и техники, материаловедения и инженерное дело.

Поскольку материал электрода анизотропно расширяется и сжимается при заряде и разряде, это может привести к растрескиванию и нарушению рабочих характеристик при использовании с обычными электролитами. Но в экспериментах, проведенных в сотрудничестве с Брукхейвенской национальной лабораторией, исследователи обнаружили, что использование нового электролита резко снизило эти деградации коррозионного растрескивания под напряжением.

Проблема заключалась в том, что атомы металла в сплаве имели тенденцию растворяться в жидком электролите, теряя массу и приводя к растрескиванию металла.Напротив, новый электролит чрезвычайно устойчив к такому растворению. Глядя на данные испытаний в Брукхейвене, Ли говорит, что «было шоком увидеть, что если вы просто замените электролит, все эти трещины исчезнут». Они обнаружили, что морфология материала электролита намного более надежна, а переходные металлы «просто не обладают такой высокой растворимостью» в этих новых электролитах.

Это была удивительная комбинация, говорит он, потому что материал по-прежнему легко пропускает ионы лития — важный механизм, с помощью которого батареи заряжаются и разряжаются — при этом блокируя проникновение других катионов, известных как переходные металлы.Накопление нежелательных соединений на поверхности электрода после многих циклов зарядки-разрядки уменьшилось более чем в десять раз по сравнению со стандартным электролитом.

«Электролит химически устойчив к окислению высокоэнергетических материалов, богатых никелем, предотвращая разрушение частиц и стабилизируя положительный электрод во время цикла», — говорит Шао-Хорн, профессор машиностроения, материаловедения и инженерии. «Электролит также обеспечивает стабильное и обратимое снятие и покрытие металлического лития, что является важным шагом на пути к созданию перезаряжаемых литий-металлических батарей с энергией, в два раза превышающей энергию современных литий-ионных батарей.Это открытие станет катализатором дальнейшего поиска электролитов и разработки жидких электролитов для литий-металлических батарей, способных конкурировать с батареями с твердотельными электролитами ».

Следующим шагом будет масштабирование производства, чтобы сделать его доступным. «Мы делаем это за одну очень простую реакцию из легко доступных коммерческих исходных материалов», — говорит Джонсон. Прямо сейчас соединение-предшественник, используемое для синтеза электролита, дорого, но он говорит: «Я думаю, что если мы сможем показать миру, что это отличный электролит для бытовой электроники, мотивация к дальнейшему расширению производства поможет снизить цену. .”

Поскольку это, по сути, «прямая» замена существующего электролита и не требует перепроектирования всей аккумуляторной системы, говорит Ли, его можно внедрить быстро и ввести в продажу в течение нескольких лет. «Нет никаких дорогих элементов, это только углерод и фтор. Так что это не ограничено ресурсами, это просто процесс », — говорит он.

Ссылка: «Сверхвысоковольтные слоистые катоды с высоким содержанием никеля в практических Li-металлических батареях с использованием электролита на основе сульфонамида» Вэйцзян Сюэ, Минцзюнь Хуан, Ютао Ли, Юн Гуан Чжу, Руи Гао, Сянхуи Сяо, Вэньсю Чжан Сыпей Ли, Гуйинь Сюй, Ян Ю, Пэн Ли, Джеффри Лопес, Дайвэй Ю, Яньхао Донг, Вэйвэй Фань, Чжэ Ши, Жуй Сюн, Чэн-Цзюнь Сунь, Инхуэй Хван, Вах-Кит Ли, Ян Шао-Хорн, Джеремайя А. .Джонсон и Джу Ли, Nature Energy.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00792-y

Исследование проводилось при поддержке Министерства энергетики США и Национального научного фонда и с использованием оборудования Брукхейвенской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории.

Ученые открывают новые возможности для быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов

Исследование MIT показывает резкое снижение стоимости литий-ионных батарей за последние 10 лет

Взгляд в будущее: мы часто слышим о новых технологиях аккумуляторов, которые исследуются, но не выпускаются, которые могут накапливать больше энергии, заряжаться быстрее или прослужить дольше, прежде чем их емкость снизится.Однако легко упустить из виду более широкую картину, когда литий-ионные батареи стали значительно дешевле в производстве даже по сравнению с тем, что было десять лет назад.

Потребители часто сетуют на то, что технология аккумуляторов не улучшилась с той же скоростью, что и другие, например, вычислительная мощность, которая резко выросла за последние несколько десятилетий, в то время как аккумуляторы улучшились только относительно небольшими шагами. Однако самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся сегодня, заключается в том, что с распространением мобильных устройств, электромобилей и сетевых хранилищ мы просто не можем производить достаточное количество батарей для удовлетворения спроса.

Одним из факторов в этом уравнении является цена, которая напрямую связана с материалами, необходимыми для их изготовления. В катод входят самые дорогие из этих материалов — литий, никель, марганец и кобальт, в зависимости от химического состава батареи. Также существует проблема долговечности, которая колеблется от нескольких сотен циклов зарядки до нескольких тысяч, и нет четкого пути к улучшению, если мы не готовы пойти на компромисс в отношении скорости зарядки и плотности энергии.

Однако согласно новому анализу исследователей Массачусетского технологического института, общая стоимость перезаряжаемых литий-ионных батарей резко упала за последние 30 лет.С момента коммерческого внедрения литий-ионной конструкции она упала на 97 процентов, что сопоставимо со снижением стоимости фотоэлектрических элементов, используемых в солнечных панелях.

Но, что более важно, снижение цен было быстрее, чем предполагалось ранее, что может объяснить, почему многие автопроизводители начали производить электромобили. Некоторые, такие как Volkswagen, также изо всех сил пытаются построить заводы по производству аккумуляторов и экспериментировать с новыми форматами аккумуляторов.

Большинство опубликованных работ по снижению стоимости элементов литиевых батарей обычно приводили к противоречивым результатам, а в некоторых не учитывались улучшения веса и объема.При добавлении этих параметров естественный вывод состоит в том, что литий-ионная технология была принята не обязательно потому, что она была дешевле, чем альтернативы, а потому, что она проложила путь для портативных устройств, электромобилей с адекватным запасом хода и решений для хранения в сети для избыток солнечной и ветровой энергии.

Исследователи указывают на то, что результаты не просто «прослеживают историю разработки батарей», но также могут дать более четкое представление о ее траектории и о том, какой потенциал есть для дальнейшего улучшения и снижения стоимости литий-ионных технологий. .Это придает некоторую достоверность утверждению Илона Маска о том, что в литий-ионных элементах 2170, изготовленных Panasonic для автомобилей Tesla Model 3 и Model Y, в ближайшие пять лет может наблюдаться повышение плотности энергии на 50 процентов или выше.

Что касается цен, то литий-ионные аккумуляторные батареи стоили 1183 доллара за киловатт-час в 2010 году, а в 2020 году цена упала до 137 долларов за киловатт-час. Многие аналитики полагают, что массовое внедрение электромобилей будет во многом зависеть от того, насколько быстро стоимость аккумуляторов может упасть ниже порог в 100 долларов.

Самый оптимистичный прогноз заключается в том, что это может произойти к 2025 году, когда мировые производственные мощности литий-ионных аккумуляторов утроятся, а цена за киловатт-час упадет до 93 долларов.

Новые добавки к электролиту для литий-ионных аккумуляторов высокой плотности

Включение DMVC-OCF3 и DMVC-OTMS в каркас VC приводит к созданию гибкого и надежного SEI на Si-C аноде. DMVC-OTMS улавливает HF и деактивирует PF5, что приводит к стабильности состава и структуры межфазных слоев на электродах.Фрагмент Me (? Ch4), связанный с каркасом VC, обеспечивает ионные каналы, обеспечивая пространство для транспорта литий-ионов в SEI. Предоставлено: UNIST.

Совместная исследовательская группа, аффилированная с UNIST, представила новую добавку к электролиту, которая может обеспечить длительный срок службы и быструю зарядку литий-ионных батарей с высокой плотностью энергии (LIB).

Это исследование, опубликованное в февральском выпуске журнала Nature Communications за 2021 год, было проведено профессором Нам-Сун Чой и профессором Сан Гю Кваком из Школы энергетики и химической инженерии в сотрудничестве с профессором Сунг Ю Хонг из химического факультета UNIST.В нем также принял участие профессор Джефил Чо из Школы энергетики и химической инженерии UNIST.

По мере роста спроса на аккумуляторы большой емкости (например, аккумуляторы для электромобилей) активно предпринимаются усилия по замене электродов обычных литий-ионных аккумуляторов материалами высокой емкости, такими как кремний или высоконикелевый сплав. Хотя кремний является привлекательным анодным материалом для повышения плотности энергии LIB, они демонстрируют низкую механическую прочность из-за объемного расширения во время зарядки и разрядки.Катодные материалы с высоким содержанием никеля также страдают плохой химической стабильностью.

В ходе исследования группа исследователей продемонстрировала, что создание стабильной и пространственно деформируемой межфазной границы твердого электролита (SEI) на аноде из Si-C большой емкости может выдержать неизбежные изменения объема, вызванные литиированием Si, и может обеспечить длительное срок службы и быстрая зарядка LIB с высокой плотностью энергии.

По данным исследовательской группы, когда новые добавки были добавлены в батарею большой емкости, состоящую из анодов с высоким содержанием никеля и анода со смешанным кремнием, первоначальная емкость была сохранена на уровне 81.5% даже после 400 циклов зарядки и разрядки — на 10–30% лучше, чем выбор VC (виниленкарбоната) или FEC (фторэтиленкарбоната) в качестве добавки к LIB.

«Это достижение является результатом сотрудничества в области проектирования структуры материала, эксперимента, моделирования и исследования методов синтеза, чтобы фактически создать эту структуру материала, которая может компенсировать недостатки существующих добавок (VC). Это предложило новое направление развития «, — говорит профессор Чой, соавтор исследования.

Кроме того, исследовательская группа также обнаружила, что эти добавки могут удалять фтористоводородную кислоту (HF) из электролита, чтобы предотвратить утечку металла (никеля) внутри анодов с высоким содержанием никеля. Количество металла внутри анода определяет емкость батареи.

«Эта работа представляет собой прорыв в разработке добавок к электролиту для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии», — отметила исследовательская группа. «Мы ожидаем, что наш систематический подход к рациональному молекулярному дизайну и разработке механизмов с помощью ТПФ открывает многообещающие возможности для открытия добавок следующего поколения.

Ученые разработали новую литий-металлическую батарею с высокой плотностью энергии

Больше информации:
Sewon Park et al. Замена обычных добавок к электролиту для аккумуляторов производными диоксолона для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии, Nature Communications (2021 г.).DOI: 10.1038 / s41467-021-21106-6

Предоставлено
Ульсанский национальный институт науки и технологий

Цитата:
Новые добавки к электролиту для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии (18 марта 2021 г.)
получено 27 марта 2021 г.
из https: // techxplore.ru / news / 2021-03-электролит-добавки-литий-ионные-аккумуляторы высокой плотности энергии.html

Этот документ защищен авторским правом.