Рекомендуемый ток разряда для NiMH-аккумуляторов, значительно меньше, чем для NiCd-батарей, и большинство производителей рекомендуют ток нагрузки от 0,2 до 0,5Сн (то есть от 20 до 50% номинальной емкости). Этот недостаток не столь критичен, если необходим низкий ток нагрузки, а для устройств, которые требуют высокого тока нагрузки или имеют импульсную нагрузку (например, переносных радиостанций и мощных инструментов с электродвигателями), рекомендуются специальные типы NiMH-аккумуляторов, такие как вышеописанные изделия компании Panasonic, или NiCd-аккумуляторы.

Кроме того, как для NiCd-, так и для NiMH-аккумуляторов характерен высокий саморазряд. Однако если NiCd-батарея теряет около 10% своей емкости в течение первых суток, после чего саморазряд составляет примерно 10% в месяц, то саморазряд у NiMH-аккумуляторов примерно в 1,5-2 раза выше. Конечно, для некоторых типов NiMH-батарей применяются гидридные материалы, улучшающие связывание водорода для уменьшения саморазряда, но это обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора, то есть к потере главного преимущества по сравнению с NiCd-технологией.

Диапазон рабочих температур у NiMH-аккумуляторов также меньше, чем у NiCd-батарей. Так, если температура –20°C является пределом, при котором NiMH- и Li-ion-аккумуляторы прекращают функционировать, то NiCd-батареи могут продолжать работать до температуры –40°C.

3.1.4. Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion) впервые был представлен в 1991 году японской компанией Sony. Батарея характеризовалась высокой плотностью и низким саморазрядом. При этом у неё были недостатки. Первое поколение таких источников питания было взрывоопасным. Со временем эксплуатации на аноде накапливались дендриды (дендрит, кристаллическое образование, из сросшихся кристаллов или скелетный кристалл), которые приводили к замыканию и возгоранию. В процессе усовершенствования в следующем поколении применили графитный анод и этот недостаток был устранен.

Огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживал постоянный интерес ученых к их усовершенствованию, и в 2003 году в Массачусетском технологическом институте впервые было предложено использовать ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала. Это доступное и нетоксичное соединение, в отличие от использующихся в аккумуляторах кадмия и никеля, всегда считалось очень перспективным для промышленности.

Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в настоящее время представляют собой современный источник питания для всех современных бытовых электронных устройств. Объемная плотность энергии призматических литий-ионных батарей для портативной электроники увеличилась в два-три раза за последние 15 лет. По мере появления нескольких новых приложений для литий-ионных аккумуляторов, таких как электромобили и системы накопления энергии, требования к конструкции и характеристикам элементов постоянно меняются и представляют собой уникальные проблемы для традиционных производителей аккумуляторов. Таким образом, становится неизбежным высокий спрос на безопасную и надежную работу литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией и высокой удельной мощностью.

Литий-ионные аккумуляторы сегодня считаются самыми перспективными, они широко используются во многих областях, от бытовой электроники до промышленных приложений. Некоторые из наиболее распространенных примеров использования литий-ионных аккумуляторов включают.

1.Мобильные устройства: смартфоны, планшеты, ноутбуки, умные часы и другие портативные электронные устройства, которые используются в повседневной жизни, часто оснащены литий-ионными аккумуляторами.

2.Электротранспорт: электромобили, гибридные автомобили, электрические велосипеды и самокаты все чаще используют литий-ионные аккумуляторы для хранения энергии.

3.Солнечные батареи: литий-ионные аккумуляторы используются для хранения энергии, получаемой из солнечных батарей, что позволяет использовать эту энергию в течение ночи или когда солнечное света недостаточно.

4.Авиация и космос: литий-ионные аккумуляторы используются в космических аппаратах, спутниках, беспилотных летательных аппаратах и электрических самолетах.

5.Медицина: литий-ионные аккумуляторы используются в медицинском оборудовании, таком как портативные дефибрилляторы и насосы для инфузии.

6.Промышленность: литий-ионные аккумуляторы используются в различных промышленных приложениях, таких как электроинструменты, подъемники и тележки на складах.

7. Энергетика.

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно из таблицы 3.2, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен. Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов. Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи.

Основные компоненты литий-ионного аккумулятора включают в себя: катод, анод, электролит и сепаратор.

Таблица 3.2. Электрохимический ряд элементов

Электролит является важным компонентом литий-ионных аккумуляторов, так как он обеспечивает проводимость ионов лития между катодом и анодом. В качестве электролита могут использоваться различные вещества, такие как литий-соли в органических растворителях или полимерные материалы.

Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора:

1-предохранитель, 2-прокладка. 3-изолятор, 4–корпус, 5-изолятор, 6-положительный вывод, 7-клапан аварийного сброса давления (не во всех модификациях), 8-токосъемник анода, 9-ионопроводящий сепаратор, пропитанный электролитом, 10-отрицательный электрод, 11-положительный электрод, 12-отрицательный вывод.

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.