Устройство и работа ионно литиевого аккумулятора

Устройство и работа ионно литиевого аккумулятора

Литиево ионные аккумуляторы на данный момент являются одними из самых распространенных. Смартфоны, электрические инструменты, ноутбуки, электромобили – это лишь небольшой список, в которых применяется этот источник питания.

Первая литиево ионная аккумуляторная батарея была выпущена в 1991г, а уже в 2019г за ее изобретение трем ученым, а именно Стенли Виттингхэму, Джону Гуденафу и Акиру Есино, дали нобелевскую премию.

Хоть батарейки li ion и относят к самым популярным, но все же их нельзя назвать идеальными, поскольку они помимо достоинств имеют также и недостатки. Но дело в том, что другой такой же альтернативы нет, что обуславливает их повсеместное применение. Можно сказать, что без этого блока питания, современная электроника была бы намного скромнее, потому что все разнообразие электронной технике стало возможным только тогда, когда появились li ion аккумуляторы.

В нашей статье мы подробно расскажем о том, как работает li ion аккумулятор, из чего его изготавливают, каково устройство ионно литиевого аккумулятора, а также опишем процедуру его заряда и разряда.

Принцип работы литий ионного аккумулятора

Этот тип АКБ имеет 2 типа электродов:

  1. Катод, расположенный на алюминиевой фольге.
  2. Анод, расположенный на медной фольге.

Электроды разделены между собой сепаратором, который пропитан электролитом.

Принцип работы li ion аккумулятора следующий: во время подачи напряжения на электроды, ионы лития переходят в угольный катод, что способствует происхождению химической реакции.

Если вместо напряжения подать нагрузку, то принцип действия будет тот же самый, только он осуществляется в обратном порядке.Нужно заметить, что при заряде катод восстанавливается не полностью, поэтому внешние аккумуляторы начинают понемногу терять свою емкость. Примером может служить мобильный телефон, который в первые дни эксплуатации работал по 12 часов в активном режиме, а уже через год эта величина значительно уменьшилась.

При снижении емкости батареи на 30%-35% необходимо производить ее замену.

Строение литий ионного аккумулятора

Литиевый аккумулятор состоит из электролита и графитного анода.Графитный анод имеет слоистую структуру, поскольку они имеют малую связь между собой, в отличие от связи между атомами.Электролит в литий ионных аккумуляторах играет роль барьера, пускающего через себя только литиевые ионы. Поэтому у электронов не получается проникнуть сквозь этого вещества и они просто отпрыгивают от него.

В качестве электролита применяется литиевая соль, которую необходимо наносить на разделительный слой ионных аккумуляторов.

Процесс заряда и разряда литий ионного аккумулятора

В li ion аккумуляторах используется контроллер, который отвечает за регулировку зарядки. Это важный элемент батареи, поскольку при увеличении напряжения АКБ начнет нагреваться, а из-за этого она может выйти из строя.

Зарядка батареи происходит в следующем порядке:

  1. Сначала используется небольшой ток и поэтому подается напряжение до 3В.
  2. Далее применяется номинальный ток, а напряжение достигает до 4,2В.
  3. В конце зарядки ток минимальный, а напряжение составляет также 4,2В.

Но поскольку все эти режимы автоматизированы в зарядных устройствах и контроллерах, то значит знать этот принцип работы не обязательно.Что касается полного разряда, то эксперты пришли к единому мнению – допускать его ни в коем случае нельзя. Если вы хотите увеличить эксплуатационный срок АКБ, то ее правильнее разряжать максимум до 10%.

Конечно, на уровень заряда сильно влияет устройство, в котором установлена батарея. Для некоторых электрических инструментов степень заряженности в 75% невозможна, так как это может усложнить их эксплуатацию. Но все же лучше не допускать разряженность батареи меньше 10%.

Слой разделителя в литий ионном аккумуляторе

Если температура внутри аккумуляторной батареи вырастает, то электролит может начать высыхать и из-за этого может случиться короткое замыкание.

Чтобы это не случилось между положительным и отрицательным зарядом размещают слой разделителя. Его задача состоит в том, чтобы пропускать через себя только литиевые ионы, а электроны нет.

Из чего делают литий ионный аккумулятор?

Для изготовления литий ионных аккумуляторов применяют катодный порошок, который состоит из лития, железа и фосфата. Он обеспечивает хорошее соотношение стоимости и качества. АКБ на основе этого материала отличаются большой плотностью энергии, безопасностью, а также легкостью при изготовлении.

Изготовление осуществляется следующим образом:

1. Берут медную и алюминиевую фольгу.
2. На первую наносят графит, а на вторую оксид лития.
3. С алюминиевой фольги снимают заряд плюс, а с медной заряд минус.
4. Между ними кладут разделительный слой.
5. Сворачивают их в рулон, чтобы батарея была компактнее.

После выполнения этих процедур получится литий ионный аккумулятор в форме цилиндра.

Литий ионные аккумуляторы в автомобиле tesla

Автомобили с электрическим мотором выигрывают во всех технических показателях у машин с ДВС. Кроме того, электродвигатели имеют маленькую стоимость и хорошую надежность.

У ДВС есть один значительный минус – он не может выдавать необходимый крутящийся момент в широком диапазоне скоростей.В итоге, можно сказать, что электрические двигатели являются лучшим выбором для машины на данный момент.

Большой промежуток времени аккумуляторные батареи электрических автомобилей не могли конкурировать с бензиновыми машинами. Но все кардинально поменялось, когда начали производиться автомобили компании Tesla.Именно литиевые аккумуляторы использует эта фирма.

Поскольку ионно литиевые батареи выделяют тепло, а повышенная температура уменьшает эксплуатационный срок АКБ, то для контроля над степенью заряженности используют систему управления аккумулятором (BMS).

В автомобилях Тесла применяется система охлаждения на спирте. Система контролирует движение спирта, сохраняя необходимую температуру.Кроме того, BMS позволяет защищать батарею от перезаряда. Это производится с помощью выравнивания заряда, поэтому все компоненты заряжаются равномерно.

У автомобилей компании Tesla есть еще одно достоинство – во время работы нагрузка между маленькими цилиндрическими компонентами распределяется равномерно. Если бы применялся один большой элемент, а не много маленьких, то из-за больших нагрузок он бы быстро вышел из строя. Именно поэтому компания Tesla использует в своих автомобилях литий ионные батареи.


Ссылка на основную публикацию