Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion)

Попытки создания химического источника тока с применением лития начались еще в начале прошлого столетия. Выбор этого щелочного металла не случаен — он химически очень активен. Однако его высокая реакционная способность имеет и обратную сторону. В 70-80-е годы литий-ионные аккумуляторы являлись достаточно опасными изделиями. Бурная реакция лития с электролитом очень часто приводила к взрыву аккумулятора, а из-за взаимодействия дендритов лития с электродом противоположного знака случались короткие замыкания и быстрый нагрев батареи.

Первый литий-ионный аккумулятор

Прогресс электронной промышленности вызвал потребность в энергоемких, легких и быстро перезаряжающихся источниках тока. На возрастающий спрос первой среагировала компания Sony, представив в 1991 году литий-ионный аккумулятор, в котором металлический литий — основная причина взрывов, был заменен ионной формой, более безопасной и эффективной. Положительный электрод первой литий-ионной батареи был создан на основе кобальтата лития, а в качестве отрицательной пластины использовался кокс — углерод, получаемый в процессе термической обработки угля. В дальнейшем кокс был заменен на графит.

Безусловно, для массового коммерческого использования потребовался соответствующий уровень защиты литий-ионных аккумуляторов. Вопросам безопасности и хранения производители уделяли особое внимание. Сегодня все без исключения Li-ion аккумуляторы имеют защиту в виде двухслойного сепаратора, исключающего риск внутреннего короткого замыкания. В схеме защиты современной литий-ионной батареи на полевом транзисторе используется ключ, который при достижении напряжения 4.3 В прерывает процесс заряда. Кроме того, большинство Li-ion аккумуляторов имеют специальный термопредохранитель, разрывающий цепь при нагреве батареи до 90 С.

Литий-ионные батареи для электромобиля

Первоначально Li-ion батареи находили широкое применение лишь в компактных устройствах, таких как сотовые телефоны, цифровые фотоаппараты, камеры и ноутбуки. Но с недавнего времени литий-ионными аккумуляторами заинтересовались авто производители. Современные li-ion обладают высокими удельными характеристиками: 100-180 Вт*ч/кг и 250-400 Вт*ч/л. Рабочее напряжение может составлять 3,5-3,7 В. Именно поэтому Li-ion батареи считаются лучшей альтернативой никель-металлогидридным. Сегодня литий-ионный аккумулятор может обеспечить электромобилю средний запас хода 150-250 километров, с числом циклов разряда/заряда от 500 до 1500.

Стоимость производства аккумуляторов варьируется от 400 до 800 долларов за 1 кВт*ч, однако компания Panasonic специально для Tesla Motors делает компактные батареи, стоимостью всего 200 долларов за кВт*ч. Это все ещё дорого, и многие специалисты отмечают, что из-за специфики производства лития снижение цен на классические литий-ионные батареи ждать не приходится. Есть и другое мнение.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-ion-pol)

Полимерные литий-ионные аккумуляторы — это эволюция традиционных химических источников тока, новое поколение батарей на основе лития. Здесь анод разделен с катодом посредством полиакрилонитрила — композитного материала, содержащего литиевую соль. При одинаковой удельной плотности Li-ion-pol аккумуляторы способны хранить на 20-25% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Кроме того, при незначительной разнице себестоимости производства литий-полимерный аккумулятор превосходит обычные батареи в легкости и экологичности.

Недостатки

При всех своих положительных свойствах Li-ion батареи имеют и отрицательные стороны. Вот основные:

• Главными недостатками современных литий-ионных батарей является их высокая стоимость и все еще низкая экологичная безопасность;
• Использование Li-ion аккумуляторов в электромобиле не может иметь массовый характер, так как производство лития ограниченно;
• Литиевые батареи достаточно быстро стареют, вне зависимости от того работает ли аккумулятор или просто лежит без дела.
• Холод способствует быстрому разряду батареи. В тоже время низкая температура (3-5 C) является важным фактором, сдерживающим потерю емкости при их хранении.

У литий-инного аккумулятора ограниченный потенциал, который современная наука пока ещё не достигла. Поиски наилучшего материала для катода привели к появлению целого семейства химических источников тока на основе лития, различающихся друг от друга энергоёмкостью и параметрами режимов разряда/заряда. Работа над созданием идеального аккумулятора продолжается.