Принцип роботи літій-іонних акумуляторів (Li-ion)

В даний час літій-іонні акумулятори використовуються абсолютно у всій домашній та портативній електроніці.

li-on акумулятори в гаджетах та пристроях

Можна без перебільшення сказати: без портативних джерел живлення, світ сучасної техніки був би набагато біднішим. Вся різноманітність кишенькових електронних гаджетів, приладів, смартфонів, гіроскутерів, електромобілів нарешті стала можливою завдяки літій-іонним акумуляторам.

Принцип роботи літій-іонного акумулятора

Давайте розглянемо літій-іонний акумулятор. Як бачите, він складається з кількох шарів із різним хімічним складом.

склад літій-іонного акумулятора

В основі роботи літій-іонного акумулятора лежить так званий електрохімічний потенціал. Суть його в тому, що метали прагнуть віддавати свої електрони. Як видно на малюнку нижче, найбільша здатність до віддачі електронів – у літію, а найменша – у фтору. Якщо такий атом віддає свій електрон, він стає позитивним іоном.

електрохімічний ряд елементів

Перша в історії електрична батарея, створена понад 200 років тому Алессандро Вольтой, працювала якраз на принципі електрохімічного потенціалу. Вольта взяв два метали з різними електрохімічними потенціалами (цинк та срібло) та отримав електричний струм. На честь його відкриття таку «батарейку» назвали Вольтовим стовпом.

Вольтов стовп

У 1991 році Sony випустила перший комерційно успішний літій-іонний акумулятор.

перший літій-іонний акумулятор

У літій-іонних елементах використовується метал із найбільшою здатністю віддавати електрони – літій. У літію лише один електрон на зовнішній орбіті, і він постійно прагне його «втратити».

атом літію

Через це літій вважається надзвичайно хімічно активним металом. Він реагує навіть із водою та повітрям. Але активний лише чистий літій, а ось його оксид, навпаки, дуже стабільний.

оксид літію

позитивний іон

Однак у складі оксиду літій набагато стабільніший, ніж одинокий атом літію. Якщо ми зможемо якимось чином забезпечити рух двома окремими шляхами для електрона і для позитивного іона літію, то він самостійно досягне оксиду і встане там на своє місце. При цьому ми отримаємо електричний струм завдяки руху електрона.

Отже, можна отримати електричний струм з оксиду літію, якщо спочатку відокремити атоми літію від оксиду і потім направити втрачені ними електрони зовнішнього ланцюга. Розглянемо, як ці завдання вирішуються в літій-іонних елементах.

Будова літій-іонного акумулятора

Крім оксиду літію, елементи містять електроліт і графіт. У графіті зв'язок між шарами набагато слабший, ніж між атомами всередині шарів, тому графіт має шарувату структуру. (Переходь і дивися докладно про будову атома)

будова літій-іонного акумулятора

Електроліт, поміщений між оксидом літію та графітом, служить бар'єром, що пропускає крізь себе тільки іони літію. Електрони не можуть проникати крізь електроліт і відскакують від нього, як тенісний м'ячик об стінку. Як електроліт використовується органічна сіль літію, яка наноситься на шар роздільника (про роздільника нижче у статті).

електроліт пропускає іони та не пропускає електрони

Процес заряду та розряду літій-іонного акумулятора

Отже, у нас є розряджений акумулятор

літій-іонний акумулятор розряджений

Давайте його зарядимо. Для цього нам потрібне якесь джерело живлення. Що станеться на літій-іонному акумуляторі? Позитивний полюс почне притягувати електрони, «витягуючи» їх із оксиду літію.

процес заряджання літій-іонного акумулятору

Оскільки електрони неспроможні проникати через електроліт, всі вони рухаються по зовнішньому ланцюгу через джерело живлення.

і врешті-решт досягають графіту

де дуже зручно розташовуються у шарах графіту.

У цей же момент позитивні іони літію притягуються негативним полюсом, проходячи крізь електроліт і також потрапляють у графіт, розміщуючись між його шарами.

Коли всі іони літію досягнуть графіту і будуть "захоплені" його шарами, батарея буде повністю заряджена.

Такий стан батареї нестійкий. Це можна уявити як кульку, яка знаходиться на верхівці пагорба і в будь-який момент може скотитися.

Ось ми й досягли першої мети: електрони та іони літію відокремлені від оксиду. Тепер треба якось зробити так, щоб електрони та іони рухалися різними шляхами. Як тільки ми підключимо будь-яке навантаження до нашого зарядженого літій-іонного акумулятора, почнеться зворотний процес. У цьому випадку іони літію через електроліт "захочуть" повернутися до свого початкового стану.

Тому вони почнуть рухатись назад крізь електроліт, а електрони побіжать через зовнішній ланцюг, тобто через навантаження.

генерація електричного струму в літій-іонному акумуляторі

Оскільки електричний струм - це не що інше, як упорядкований рух заряджених частинок, то в ланцюзі лампочки розжарювання виникне електричний струм, який змусить цю лампочку світитися.

Як тільки всі електрони "втечуть" з графіту, то батарея повністю розрядиться. Щоб її знову зарядити, достатньо поставити акумулятор на зарядку.

розряджений літій-іонний акумулятор

При цьому графіт сам по собі не бере участі в хімічних реакціях – він лише служить місцем зберігання для іонів та електронів літію.

Шар роздільника в літій-іонному акумуляторі

Якщо внутрішня температура елемента з якоїсь причини почне зростати, рідкий електроліт висохне, і станеться коротке замикання між анодом і катодом. В результаті елемент може спалахнути або навіть вибухнути.

Щоб цього не сталося, між електродами міститься додатковий ізолюючий шар, що називається розділювачем. Через розділювач іони літію можуть проникати завдяки наявності мікропор. А ось електрони він не пропускає.

розділювач у літій-іонному акумуляторі

З чого роблять літій-іонний акумулятор

У реальних літій-іонних акумуляторах графіт та оксид літію наносяться у вигляді покриття на мідну та алюмінієву фольгу. Нижче на малюнку бачимо, що у тонкому листі міді ми маємо графіт, але в тонкому листі алюмінію — оксид літію:

Мінус акумулятора знімається з мідної фольги, а плюс – з алюмінієвої.

ну а між ними розташовується ще розділювач, просочений електролітом

Для того, щоб зменшити об'єм, усі ці три шари згортають у «рулончик».

будова циліндричного акумулятору

При цьому утворюється всім нам знайома літій-іонна циліндрична батарея:

Літій-іонні акумулятори в автомобілі Tesla

Уявіть світ, де всі машини оснащені електродвигунами, а не двигунами внутрішнього згоряння. Електромотори перевершують ДВЗ практично за всіма технічними показниками, та ще й набагато дешевше і надійніше. ДВЗ має істотний недолік: він видає достатній крутний момент лише у вузькому діапазоні швидкостей. Загалом електродвигун – однозначно найкращий вибір для автомобіля.

Порівняння електромобілів та автомобілів з ДВЗ

Але є одне "вузьке місце", через яке електрична революція в автопромі постійно відкладається - це джерела живлення. Довгий час громіздкі, важкі, недовговічні та ненадійні акумулятори електромобілів ніяк не могли скласти конкуренцію повному баку бензину. Але все змінилося, коли на ринок вийшов виробник електромобілів Тесла.

Саме літій-іонні акумулятори використовує компанія Тесла для своїх електрокарів.

Стандартний елемент видає напругу 3,7 - 4,2 В. Багато таких елементів, з'єднаних послідовно і паралельно, утворюють збірну батарею.

батарейний модуль Тесла

Літій-іонні елементи при роботі виділяють багато тепла. При цьому висока температура знижує термін служби та ефективність самих елементів. Для контролю температури, а також їх рівня заряду, захисту від перезаряду та загального стану елементів живлення служить спеціальна система управління батареями (Battery management system, скорочено BMS). У батареях Tesla використовують спиртову систему охолодження. BMS регулює швидкість руху спирту у системі, підтримуючи оптимальну температуру батарей.

радіатор для акумуляторів Тесла

Ще одна найважливіша функція BMS – захист від перезаряджання. Допустимо, є три елементи з різною ємністю. Під час заряджання елемент з більшою ємністю зарядиться сильніше двох інших. Щоб цього уникнути, BMS використовує так зване вирівнювання заряду елементів (cell balancing). При цьому всі елементи заряджаються та розряджаються рівномірно та захищені від надмірного або недостатнього заряду.

рівномірний заряд акумуляторів завдяки технології BMS

І це перевага Tesla над технологією акумуляторів Nissan. Nissan Leaf має серйозну проблему з охолодженням акумулятора через великий розмір елементів і відсутність системи активного охолодження.

батарея Nissan Leaf та Tesla

У конструкції з безліччю маленьких циліндричних елементів є ще одна перевага: при великій витраті енергії навантаження розподіляється рівномірно між усіма елементами. Якби замість безлічі маленьких елементів був один величезний елемент, через постійні навантаження він дуже швидко прийшов би в непридатність. Tesla зробила ставку на маленькі циліндричні елементи, технологія виробництва яких добре відпрацьована.

Захисний SEI-шар

Під час першої зарядки всередині літій-іонного елемента відбувається одне чудове явище, яке рятує елемент від швидкої смерті. Несподіваною проблемою виявилися електрони, які перебувають у шарі графіту. При контакті з електролітом вони починають його руйнувати. Але одне випадкове відкриття дозволило не допустити контакту електронів з електролітом. При першій зарядці елемента, як ми вже казали, іони літію рухаються крізь електроліт. У процесі руху молекули розчиненого в електроліті речовини покривають іони. Досягши графітового шару, іони літію разом з молекулами розчину електроліту реагують з графітом, утворюючи так звану проміжну фазу твердого електроліту (solid electrolyte interphase, або SEI-шар). Цей шар запобігає контакту електронів з електролітом, оберігаючи електроліт від руйнування.

захисний SEI-шар

Ось так проблема випадково вирішилася сама собою. Хоча ефект SEI був відкритий випадково, у наступні два десятиліття вчені цілеспрямовано покращували процес, підбираючи найефективнішу товщину та хімічний склад.

Висновок

Сьогодні вже дивно, що ще два десятки років тому в електронних гаджетах не застосовувалися літій-іонні акумулятори. Індустрія літій-іонних акумуляторів розвивається з фантастичною швидкістю: очікується, що в найближчі кілька років їхній ринок досягне 90 млрд доларів. Сучасні літій-іонні батареї здатні витримати приблизно 3000 циклів зарядки-розрядки - це вже пристойний показник, але є ще, куди рости. Найкращі уми в усьому світі працюють над тим, щоб підвищити їхню довговічність до 10 000 циклів. У цьому випадку акумулятор електромобіля не доведеться замінювати цілих 25 років. Мільйони доларів вкладаються в дослідження, які дозволять замінити графіт на кремній як «сховище» у літій-іонних елементах. Якщо це вдасться зробити, їхня ємність зросте більш ніж у п'ять разів! В даний час світ переходить вже на літій-полімерні акумулятори, які показали себе трохи краще, ніж літій-іонні.