Современные системы накопления энергии

Анод и катод – это электроды, которые размещены внутри аккумулятора и взаимодействуют с электролитом. Анод обычно изготавливается из графита, а катод может быть разным. Материал анода (графит) и катода (оксид) тонким слоем наносится на металлические пластины. Для анода основа выполняется из меди, для катода – из алюминия. На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

Работу литий-ионного аккумулятора можно рассмотреть по схеме, рис. 3.4, у которого катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, и разделены они пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом.

Рис.3.4. Схема работы литий-ионного аккумулятора

Анод и катод не должны соприкасаться друг с другом, чтобы не возникло короткого замыкания. Функцию разделителя и проводника как раз берёт на себя сепаратор. Он представляет собой тонкий слой пористого полипропилена, пропитанного жидким электролитом. Электролит позволяет передавать ионы между анодом и катодом. В литий-ионных аккумуляторах используется органический электролит на основе солей лития, таких как LiPF6, LiBF4 или LiClO4.

Получается некий "бутерброд" из пластины анода, листа сепаратора, пропитанного электролитом, и катода. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи. Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.

Работа литий-ионный аккумуляторов осуществляется следующим образом. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает сепаратор, пропитанный электролитом, находящийся между анодом и катодом, рис.3.5.

Рис. 3.5. Процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. 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. При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития. Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Аккумулятор типовой литиевой батареи обладает следующими характеристиками:

1. напряжение, В: номинальное – 3.7; максимальное – 4.2; минимальное – 2.5;

2. энергоемкость, Вт*ч/кг – 110-270 (зависит от химического состава);

3. внутреннее сопротивление, мОм*Ач – 4-15 (зависит от химического состава);

4. число циклов заряд/разряд до 20% потери электрической емкости – 600;

5. время заряда, ч: оптимальное – 3-4; максимально возможное – 1;

6. саморазряд, % в месяц – 1.5 (зависит от температуры хранения);

7.ток нагрузки относительно емкости С: оптимальный – до 1С; максимальный – 5С; в импульсе – 50С;

8.рабочая температура, градусы Цельсия (°C): оптимальная – 23; минимальная – -20; максимальная – +60;

9. срок хранения литиевой батареи, лет – 2-5 (в зависимости от условий хранения);

10. срок службы Li-ion, лет – 2-3 года или по достижению количества циклов заряд/разряд.

К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.

Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы.

К основным преимуществам относят следующие параметры:

–очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);

–высокий ток при работе;

–нет необходимости в обслуживании;

–саморазряд очень низкий;

–готовность к эксплуатации в любой момент;

–нет эффекта памяти;