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;

–возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;

–диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

К недостаткам литий-ионных аккумуляторов относятся следующие факторы.

1. Дорогие (относительно других АКБ).

2. При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк.

3. Срок службы зависит от времени использования.

4.Опасность взрыва или возгорания.

5.Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки. 6.Недопустимы механические повреждения.

7.Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Рассмотрим некоторые особенности литий-ионных аккумуляторов, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.

1.Опасность взрыва и возгорания. Считается, что это одна из ключевых проблем. Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились. Сегодня такое происходит редко, причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, вызывающие короткие замыкания внутри аккумулятора. В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры. В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка.

2. Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд. В данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:

–на первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);

– номинальный ток, напряжение до 4,2 В; на финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.

Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.

Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше, то есть, разница будет в 9 раз.

Литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электромобилей (электрокаров), рис.3.6.

Рис.3.6. Элемент TESLA, используемые в электрокарах

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Для практического использования элементов используют множество их, соединенных последовательно и параллельно, которые образуют батарейный модуль. Если мы хотим увеличить емкость, то отдельные элементы просто соединяем параллельно, рис. 3.7.

Рис.3.7. Литиевая батарея из параллельно соединенных элементов

При этом емкость такой литиевой АКБ будет равняться сумме емкостей элементов.

Если нам нужно повысить выходное напряжение, то элементы придется соединить последовательно, рис. 3.8. В этом случае емкость батареи будет равняться емкости самого «слабого» аккумулятора, а выходное напряжение – равняться сумме напряжений на каждом элементе.

Рис.3.8. Литиевая батарея из последовательно соединенных элементов

Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии. Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов. Вместо контроллера можно использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).