Самые мощные батареи на данный момент — литиевые. У них самая высокая плотность энергии при небольшой конструкции. Из-за высокой плотности энергии литиевых элементов они особенно подходят для использования в мобильных устройствах: смартфонах, планшетах, цифровых камерах и ноутбуках.
Однако литиевые батареи дороги и гораздо более чувствительны к неправильному обращению, чем другие батареи, плюс абсолютно токсичны для окружающей среды. Но они предлагают высокий уровень комфорта, оставаясь работоспособными около 5 лет с небольшой потерей мощности.
Номинальное напряжение литиевых элементов зависит от материала электродов и составляет 3,6 или 3,7 В. Из-за более высокого напряжения они не подходят в качестве замены аккумуляторных батарей (1,2 В) и батарей (1,5 В) типа AA или AAA.
На рынке небольших устройств с батарейным питанием наблюдается тенденция к миниатюризации. В то же время потребность таких систем в энергии возрастает. Вот почему ведутся исследования еще более мощных аккумуляторов.
Примечание: поскольку литиевые батареи чувствительны к перезарядке и глубокой разрядке, в них встроена специальная электроника, которая защищает их от перезарядки и длительной разрядки.
Обзор литиевых батарей
- Литий-ионный (Li (NixCoyMnz) O2): широко распространен, крайне вреден для окружающей среды.
- Литий-фосфат железа (LiFePO4): безвреден, эффект памяти, необходима сложная схема зарядки.
- Оксид лития-кобальта (LiCoO2): высокая стоимость и плотность энергии.
Структура и функционирование литий-ионного элемента
Литий-ионный элемент состоит из графитового электрода (отрицательный) и электрода из оксида металла лития (положительный). Оксид металлического лития может иметь различные пропорции никеля, марганца и кобальта (например, Li (NixCoyMnz) O2). Эти материалы имеют высокую плотность энергии и являются лучшим выбором для портативных устройств. Точный состав влияет на свойства литий-ионного аккумулятора и варьируется в зависимости от производителя и марки. Поэтому невозможно сделать точных заявлений о емкости и сроке службы.
Носителями заряда являются ионы лития. Они небольшие по размеру и очень подвижные. Когда аккумулятор заряжается, ионы откладываются между молекулярными слоями графита. При разрядке ионы лития мигрируют обратно к электроду из оксида металлического лития.
Литий — самый легкий металл и бурно реагирует с водой. Вот почему в качестве электролита используется безводный, но легковоспламеняющийся растворитель. Растворитель является причиной того, что время от времени появляются сообщения о взрывах или возгорании литиевых батарей.
Функция зарядки и разрядки
В зависимости от качества литий-ионного аккумулятора, он может выдержать всего несколько сотен циклов зарядки, пока емкость аккумулятора значительно не упадет. Регулярная зарядка наполовину заряженного аккумулятора не влияет на общую емкость.
В целях экономии заряда батареи не следует заряжать ее более чем на 90 процентов или разряжать менее чем на 10 процентов, если это возможно. В некоторых ноутбуках для этого есть возможность настройки. Однако точно оценить на сколько хватит заряда батареи невозможно.
Старение
Старение литий-ионных аккумуляторов вызвано окислением элементов. Они теряют способность накапливать ионы лития, необходимые для протекания электричества. На окисление клеток влияют разные факторы. Например, температура и состояние заряда аккумулятора. Окисление элементов происходит особенно быстро при высоких температурах и при полностью заряженной батарее. Это часто возникает с ноутбуками, когда аккумулятор полностью заряжен, и в то же время устройство работает и активно нагревается.
Если вы хотите долго использовать литий-ионный аккумулятор, вам следует заряжать его чуть больше половины. Оптимальный уровень заряда составляет от 50% до 80%.
Если литий-ионный аккумулятор должен храниться в течение длительного времени, необходимо регулярно проверять уровень заряда. Литий-ионные аккумуляторы следует заряжать каждые 3-4 месяца, чтобы избежать их полной разрядки. Если напряжение в ячейке ниже 2 вольт, она может быть разрушена.
Уход за аккумулятором
Химические изменения в электролите и окисление электродов являются основными причинами старения. Литий-ионные батареи теряют емкость через 2–3 года. Бережное обращение увеличивает срок службы литиевой батареи:
- Избегайте температур выше 40 C;
- Избегайте полной зарядки и разрядки;
- Заряжайте аккумулятор не более 90 процентов его емкости.
Если вы обращаетесь с батареей с должной осторожностью, срок ее службы может быть увеличен с 3 до 4-5 лет.
Плотность энергии
По сравнению с другими батареями литиевые батареи имеют самую высокую плотность энергии. Они хранят почти вдвое больше энергии, чем никель-металлгидридные аккумуляторы того же размера и веса.
Плотность энергии литий-ионных батарей в основном определяется материалом катода. Оксид кобальта с плотностью энергии до 180 Втч / кг является самым распространённым вариантом. С литиево-кобальт-никелем (LiNiCo) вы можете достичь даже 240 Втч / кг.
Литий-полимерные батареи (Li-Pol)
Литий-полимерные батареи — это дальнейшее развитие литий-ионных батарей. Они не содержат никаких жидких химикатов, только твердые или гелеобразные компоненты. Поэтому они герметичны, и могут обойтись без защитного металлического корпуса. Это приводит к еще большему количеству конструкций, в которых возможны ячейки толщиной до 1 миллиметра.
Литий-воздушный аккумулятор
Литий-воздушные батареи могут хранить в 10-20 раз больше энергии (11 кВтч / кг), чем литий-ионные батареи того же веса. В литий-воздушных батареях кислород из воздуха в порах мезопористого углеродного электрода размером несколько нанометров реагирует с Li + с образованием пероксида лития Li2O2. В качестве электролита используется эфир, например тетрагидрофуран, в котором могут растворяться ионы лития.
Однако угольный электрод корродирует после нескольких циклов зарядки. Кроме того, жидкий электролит очень быстро разлагается, что ограничивает его практическое использование.
Литий-ионный аккумулятор будущего
В последние годы разработка привела к созданию литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, которые могут хранить все больше и больше энергии. Такой плотности энергии далеко не достаточно для небольших мобильных устройств.
В качестве альтернативы были проведены исследования топливных элементов с метанолом в качестве топлива. К сожалению, пока прототипы не выходят за рамки стадии разработки. Видимо производители довольствуются разработкой стационарных источников бесперебойного питания (ИБП).
