А знаете ли вы, что литий-ионные аккумуляторы есть не только в ноутбуках и смартфонах, но и в электроинструментах, пылесосах, дронах и даже автомобилях. Давайте рассмотрим, что на самом деле представляют собой литий-ионные аккумуляторы (также известные как li-ion) и почему они так распространены.

История развития литий-ионной батареи

Уже в начале 20 века был замечен большой потенциал лития как материала для аккумуляторов. Это металл с самой низкой плотностью, высоким электрохимическим потенциалом и высоким отношением энергии к массе. Физики начали экспериментировать с литиевыми батареями ещё в 1912 году, но только в 1970 году они появились на рынке.

Первый важный шаг к литий-ионным элементам был сделан в 1979 году. В Оксфордского университете создали новый тип литиевой батареи, в которой литий мог перемещаться через батарею от одного электрода к другому в виде ионов. Это решение является основой современных литий-ионных АКБ. Ниже представлена схема работы батареи. Во время зарядки ионы лития перемещаются от угольного анода к катоду из оксида лития и другого металла и накапливаются там. При разрядке этот процесс идет наоборот.

Но первая коммерческая литий-ионная батарея появилась в 1991 году. Её представила Sony в своих фотокамерах, а позже и другие компании пошли по стопам японского гиганта. Большое преимущество литий-ионной технологии над доминирующей в то время никель-кадмиевой было быстро замечено – это не только высокая плотность, позволяющая накопить вдвое больше заряда в аккумуляторе того же размера, но и высокое напряжение элемента – на уровне 3,6 В. Никель-кадмиевые элементы имели напряжение 1,2 В, поэтому потребуется три штуки, чтобы иметь аналогичное напряжение. Дополнительными преимуществами, которые продвинули литий-ионные аккумуляторы вперед, являются отсутствие эффекта памяти, меньшее воздействие на окружающую среду и более медленный саморазряд.

Литий-ионные аккумуляторы – по сравнению с аккумуляторами, созданными по старым технологиям – более эффективны, заряжаются намного быстрее, а кроме того (что важно особенно в случае с мобильными устройствами) – легче по весу. Их можно быстро подзарядить в любой момент. Ради нормализации их срока службы нет необходимости дожидаться полной разрядки для их подзарядки, что делает литий более удобным в использовании.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Прежде чем рассмотреть тему конструкции литий-ионного аккумулятора, в начале было бы уместно различать два термина. Речь идет о ячейке и батарее. К сожалению, эти два термина часто путают друг с другом.

• Ячейка (ещё говорят банка) – основное устройство, предназначенное для хранения энергии, состоящее из электродов, сепаратора и электролита. Теоретически сам элемент мог бы функционировать как аккумулятор, но в случае с литий-ионными это было бы опасно, в том числе из-за риска перегрева. Литий-ионный элемент может иметь различную форму, но наиболее часто используемая форма — цилиндрический 18650. Цифра 18650 означает размеры – около 18 мм в диаметре и 65 мм в длину. Такие элементы имеют максимальную емкость 3500 мАч, но ток, который они могут отдавать, может различаться в зависимости от их конструкции. Ячейки могут иметь различную химическую структуру, что существенно влияет на параметры. Самая популярная версия – литий-кобальт, но элементы могут быть изготовлены, например, из марганца, титана, алюминия и никеля в различных смесях и пропорциях.
• Батарея (аккумулятор) представляет собой устройство, используемое для хранения электроэнергии и приспособленное для возврата этой энергии безопасным способом. Для данной статьи ограничиваемся только определением литий-ионного аккумулятора, который является аккумулятором многоразового использования — его можно заряжать и разряжать.

Батарея может состоять из любого количества одиночных ячеек. Большинство литий-ионных аккумуляторов состоят из популярных элементов 18650, соединенных последовательно для более высокого напряжения. Из одних и тех же ячеек можно создать как батарею ноутбука с напряжением 10,8 В (6 ячеек, соединенных 3S2P, то есть 3 последовательно и 2 параллельно), так и огромную батарею Tesla P100D с напряжением свыше 400 В и максимальной мощностью 450 кВт.

Эта батарея состоит из более чем 7000 ячеек 18650. Правда сейчас Tesla, в сотрудничестве с Panasonic, разрабатывает новый тип ячейки формата 2170 и с другой химической структурой.

Производительность и срок службы литиевого АКБ

Время работы литий-ионного аккумулятора зависит от двух вещей: емкости и энергопотребления.

1. Емкость литий-ионной батареи чаще всего выражается в мАч и у каждой она меняется по мере использования. Заводская максимальная емкость аккумулятора ноутбука на уровне, например, 4400 мАч, через год использования уже может снизиться, например, до 4000 мАч. Это конечно напрямую влияет на время работы устройства.
2. Второй аспект – энергопотребление. В случае ноутбука или телефона потребление энергии может быть вызвано многими факторами, такими как яркость экрана, загрузка процессора, использование Интернета и даже внешняя температура и возраст самого устройства. В зависимости от каждого из этих условий время работы может сильно различаться.

Также обратите внимание, что литий-ионный аккумулятор понемногу сам теряет заряд при простое.

Каждая батарея подвержена старению и литий-ионная не является исключением. Тем не менее срок их службы может существенно различаться в зависимости от интенсивности и правильности использования. Одинаковая литий-ионная батарея часто служит 2 года у одного человека и 5 лет у другого. Самая большая ошибка — это глубокая разрядка, разрядить аккумулятор до 0% и оставив его в таком состоянии на длительное время. Таким образом, хотя литий-ионные батареи считаются очень эффективными, их срок службы зависит от того как они реально используются.

Развитие технологии литий-ионных аккумуляторов

Пока литий-ионная технология и аналогичные – литий-полимерные и другие по-прежнему доминируют в большинстве портативных устройств, но это не означает, что изменения в этой области не готовятся. На горизонте есть по крайней мере несколько улучшений, которые могут еще больше продвинуть мобильные технологии. Одна из них — это технология, созданная Tesla. Есть также улучшения связанные с использованием графена.

Если только удастся найти простой и дешевый способ получения графена, его можно будет использовать для повышения эффективности литий-ионных аккумуляторов. Но это уже совсем другая история…