Первые неперезаряжаемые литиевые батареи стали коммерчески доступными только в начале 1970-х годов. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в 1980-х годах, но они потерпели неудачу из-за нестабильности металлического лития, используемого в качестве анодного материала.

Литий - самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает наибольшую удельную энергию на единицу веса. Перезаряжаемые батареи с металлическим литием на аноде (отрицательные электроды) могут обеспечивать чрезвычайно высокую плотность энергии, однако циклическое переключение приводит к образованию нежелательных дендритов на аноде, которые могут проникнуть в сепаратор и вызвать короткое замыкание. Температура элемента быстро возрастет и приблизится к температуре плавления лития, что приведет к тепловому выходу из строя, также известному как «выброс пламени».

Присущая металлическому литию нестабильность, особенно во время зарядки, сместила исследования в сторону неметаллических растворов с использованием ионов лития . Хотя литий-ионный аккумулятор имеет меньшую удельную энергию, чем литий-металлический, он безопасен при условии, что производители ячеек и комплектующие аккумуляторных батарей соблюдают меры безопасности для поддержания напряжения и тока на безопасном уровне. В 1991 году Sony выпустила на рынок первую литий-ионную батарею, и сегодня эта химия стала наиболее многообещающей и быстрорастущей на рынке. Тем временем продолжаются исследования по разработке безопасной металлической литиевой батареи в надежде сделать ее безопасной.

В 1994 году производство литий-ионного цилиндрического элемента 18650 * с емкостью 1100 мАч стоило более 10 долларов. В 2001 году цена упала до 2 долларов, а емкость выросла до 1900 мАч. Сегодня элементы 18650 с высокой плотностью энергии обеспечивают более 3000 мАч, и их стоимость еще больше снизилась. Снижение затрат, увеличение удельной энергии и отсутствие токсичных материалов проложили путь к тому, чтобы сделать литий-ионный аккумулятор универсально приемлемым аккумулятором для портативного применения, сначала в легкой промышленности, а теперь все чаще и в тяжелой промышленности, включая электрические силовые агрегаты для транспортных средств.

В 2009 году примерно 38 процентов всех аккумуляторов по объему выручки были литий-ионными. Литий-ионная батарея не требует особого обслуживания, и многие другие химические компании не могут ее получить. Батарея не имеет памяти и не требует физических упражнений, чтобы поддерживать форму. Саморазряд меньше половины по сравнению с системами на основе никеля. Благодаря этому литий-ионные аккумуляторы хорошо подходят для измерения уровня топлива. Номинальное напряжение ячеек 3,6 В может питать сотовые телефоны и цифровые камеры напрямую, предлагая упрощения и снижение затрат по сравнению с многоячеечными конструкциями. Недостатком была высокая цена, но она нивелируется, особенно на потребительском рынке.

Типы литий-ионных батарей

Подобно архитектуре на основе свинца и никеля, литий-ионный использует катод (положительный электрод), анод (отрицательный электрод) и электролит в качестве проводника. Катод - это оксид металла, а анод - из пористого углерода. Во время разряда ионы текут от анода к катоду через электролит и сепаратор; заряд меняет направление, и ионы текут от катода к аноду. На рисунке 1 показан процесс.
Рисунок 1: Ионный поток в литий-ионной батарее
Когда элемент заряжается и разряжается, ионы перемещаются между катодом (положительный электрод) и анодом (отрицательный электрод). При разряде анод подвергается окислению или потере электронов, а катод - сокращению или увеличению количества электронов. Заряд переворачивает движение.

Все материалы в батарее обладают теоретической удельной энергией, и ключ к высокой емкости и превосходной передаче энергии лежит, прежде всего, в катоде . Последние 10 лет или около того катод характеризует литий-ионную батарею. Обычным материалом катода является оксид лития-кобальта (или кобальтат лития), оксид лития-марганца (также известный как шпинель или манганат лития), фосфат лития-железа,а также литий- никель-марганцевый кобальт (или NMC) ** и литий- никель-кобальт-оксид алюминия (или NCA).

В оригинальной литий-ионной батарее Sony в качестве анода (угольный продукт) использовался кокс, а с 1997 года в большинстве литий-ионных аккумуляторов используется графит для получения более пологой кривой разряда. Разработки также происходят в отношении анода, и в настоящее время испытываются некоторые добавки, в том числе сплавы на основе кремния. Кремний позволяет увеличить удельную энергию на 20–30 процентов за счет более низких токов нагрузки и сокращения срока службы. Наноструктурированный титанат лития в качестве анодной добавки демонстрирует многообещающий срок службы, хорошую нагрузочную способность, отличные низкотемпературные характеристики и превосходную безопасность, но при этом удельная энергия невысока.

Сочетание материалов катода и анода позволяет производителям усилить внутренние качества; однако улучшение в одной области может поставить под угрозу что-то другое. Производители аккумуляторов могут, например, оптимизировать удельную энергию (емкость) для увеличения времени работы, увеличить удельную мощность для улучшения токовой нагрузки, продлить срок службы для увеличения срока службы и повысить безопасность при интенсивном воздействии окружающей среды, но недостатком более высокой емкости является уменьшение нагрузки ; Оптимизация работы с большими токами снижает удельную энергию и делает его прочным элементом для длительного срока службы и повышенной безопасности, увеличивает размер батареи и увеличивает стоимость из-за более толстого разделителя. Сепаратор считается самой дорогой частью аккумулятора.

В таблице 2 приведены характеристики литий-ионных аккумуляторов с различным материалом катода. Таблица ограничивает химический состав четырьмя наиболее часто используемыми литий-ионными системами и применяет краткую форму для их описания. NMC означает никель-марганец-кобальт, химический состав, который является относительно новым и может быть адаптирован для большой емкости или большой токовой нагрузки. Литий-ионный полимер не упоминается, поскольку это не уникальный химический состав, а отличается только конструкцией. Литий-полимер может быть изготовлен с различным химическим составом, и наиболее широко используемый формат - это литий-кобальт.

 

Характеристики

Литий-кобальт

Литий-марганец

Литий-фосфат

NMC 1

вольтаж

3,60 В

3,70 В

3,30 В

3,60 / 3,70 В

Лимит оплаты

4,20 В

4,20 В

3,60 В

4,20 В

Цикл жизни 2

500

500–1 000

1 000–2 000

1 000–2 000

Рабочая Температура

В среднем

В среднем

Хороший

Хороший

Удельная энергия

150–190 Втч / кг

100–135 Втч / кг

90–120 Втч / кг

140 Втч / кг

Удельная мощность

10C, 40C импульсный

35C непрерывный

10C

Безопасность

В среднем. Требуется схема защиты и балансировка ячеек многоячеечной батареи. Требования для малых форматов с 1 или 2 ячейками могут быть смягчены.

Очень хорошо, требуется балансировка ячеек и защита от напряжения

Хорошо, требуется балансировка ячеек
и защита по напряжению

Тепловой разгон 3

150 ° С
(302 ° F)

250 ° С
(482 ° F)

270 ° С
(518 ° F)

210 ° С
(410 ° F)

Стоимость

Сырье высокое

Материал на 30% меньше, чем кобальт

Высоко

Высоко

Используется с

1994 г.

2002 г.

1999 г.

2003 г.

Исследователи, производители

Sony, Sanyo, FDK, Saft

NEC, Samsung, Hitachi

UT, QH, MIT A123, Валентность

Sony, Sanyo, Nissan Motor

Примечания

Очень высокая удельная энергия, ограниченная мощность; для сотовых телефонов, ноутбуков

Высокая мощность, удельная энергия от средней до высокой, электроинструменты, медицина, электромобили

Высокая мощность, средняя удельная энергия, более высокий саморазряд, чем у других литий-ионных аккумуляторов.

Очень высокая удельная энергия, большая мощность; инструменты медицинские, электромобили

Таблица 2: Характеристики четырех наиболее часто используемых литий-ионных батарей.
Удельная энергия относится к емкости (накоплению энергии); удельная мощность означает нагрузочную способность.
 
1 NMC, NCM, CMN, CNM, MNC и MCN в основном одинаковы. Стехиометрия обычно составляет Li [Ni (1/3) Co (1/3) Mn (1/3)] O2. Порядок Ni, Mn и Co не имеет большого значения.
2 Приложение и среда управляют жизненным циклом; цифры не всегда применяются правильно.
3 Полностью заряженная батарея увеличивает температуру теплового разгона, частичная зарядка снижает ее.

* Стандарт цилиндрического Li-ion элемента, разработанный в середине 1990-х годов; измеряет 18 мм в диаметре и 65 мм в длину; обычно используется для ноутбуков.

** Некоторые системы с оксидом лития, никеля, марганца и кобальта имеют обозначения NCM, CMN, CNM, MNC и MCN. Системы в основном такие же.