Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion Battery) — это название объединяет все аккумуляторы литий-ионного типа, даже если у них совершенно разные материалы анода, катода и состав электролита.
Нужно сравнение аккумуляторов Li-Ion? Например, 18650? Рекомендуем перейти к полному руководству.
Всё кажется простым до тех пор, пока вы не услышите в одном предложении литий-титанат и литий-железо-фосфат, а потом не начнёте сравнивать литий-ионный с литий-полимерным... Как развязать клубок путаницы в этих многочисленных названиях?
Если вы слышите о литий-кобальтовом аккумуляторе, то знайте, что это самый обыкновенный и наиболее распространённый литий-ионный аккумулятор из наших с вами смартфонов. Почему он «кобальтовый»? Из-за кобальта на его катоде.
По маркетинговому названию производители могут понимать особенности конкретной ячейки.
Или другой пример. Зная о преимуществах кремниевых анодов аккумуляторов, в тех же массовых литий-кобальтовых ячейках можно достичь лучшей ёмкости, чем с традиционным графитовым анодом. То есть в проект смартфона инженером будет закладываться уже литий-кобальтовый аккумулятор с кремниевым анодом.
Разберёмся подробнее в маркировке Li-Ion.
Типы литий-ионных аккумуляторов отличаются по типу материала анода, катода, электролита
Для чего им разные материалы? У одной химии больше пользы в безопасности или ёмкости (увеличена плотность энергии), у другой лучше получится удерживать заряд в мороз или увеличить ток разряда (актуально в электроинструменте или электромобилях).
При выборе анода, катода, электролита многое зависит от назначения самого электронного устройства.
Разберём принцип выбора типа литий-ионного аккумулятора для смартфона
Инженер компании-производителя при проектировании исходит из следующих потребностей:
- • компактные (толстые и тяжёлые гаджеты не покупают — почему так);
- • максимально ёмкие (чтобы держал заряд весь день, а лучше два);
- • максимально дешёвые (в масштабном производстве каждый рубль имеет значение).
Ради этого можно пожертвовать определёнными характеристиками:
- • сроком службы (количества циклов достаточно для двух-трёх лет эксплуатации, ведь к тому моменту смартфон морально устаревает);
- • предиктивной безопасностью (толстый прочный корпус не нужен — его заменяет корпус смартфона, да и выполнять контроль лучше более «умными» программно-аппаратными средствами).
К литий-ионной аккумуляторной ячейке в компактном размере, ёмкой с приемлемым сроком службы и базовой безопасностью как раз идеально подходит кобальтовый катод (LiCoO2, LCO) в тандеме с графитовым анодом. Недорогой в производстве, быстро изготавливается, массовый продукт.
Но ведь есть устройства, где срок службы и безопасность куда важнее цены и ёмкости.
Например? Источники бесперебойного питания. Мы в подробностях рассказывали как раз о таких надёжных батареях — литий-железо-фосфатных (LiFePo4, LFP).
Служат больше 10 лет, высокий ток разряда, выдерживают термические потрясения, беспрецедентно для литий-ионной технологии стабильны даже при коротком замыкании. Но всё ещё слишком дорого стоят за ту же ёмкость, что и LCO.
О «гаджетовой» компактности LiFePo4 при этом можно забыть. Если только сравнивать их со свинцово-кислотными АКБ из наших с вами автомобилей. Потому они лучше подходят как раз для ИБП (безопаснее, работают более 10 лет, не нужно обслуживать).
Наиболее распространённые типы литий-ионных аккумуляторов
Преимущества и недостатки наиболее распространённых типов Li-Ion в относительном представлении (многое зависит от форм-фактора, добавок и конкретной ситуации).Разделение на типы и маркировка обычно выбирается по катоду. Реже по аноду. Ещё реже по электролиту.
LCO | Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2
Наиболее распространённый тип Li-Ion благодаря отличным характеристикам ёмкости (самая высокая энергоёмкость после NCA), мощности и цены.
В LCO хуже, чем в других системах: безопасность (требуется хорошая защита и контроль заряда-разряда) и долговечность (но её обычно хватает на цикл жизни одной модели потребительского устройства, такого как смартфон или ноутбук). Из-за дефицита кобальта [источник] ячейкам LCO стремительно ищут замену.
LFP | Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePo4
Лучшие стороны — безопасность, высокие токи нагрузки и долговечность. В жертву идёт цена и ёмкость.
Катоды LFP отличаются по содержанию углерода и удельной поверхности: одни лучше себя показывают при низких температурах (например, электробусы), а другие обеспечивают лучшие показатели по устойчивому сопротивлению и стабильности в высокотемпературных режимах (например, те же источники бесперебойного питания и системы хранения энергии).
NMC | Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные с катодом LiNiMnCoO2
Наиболее сбалансированный по характеристикам материал с относительно высокой ёмкостью (примерно, как у LCO без графита на аноде) и уравновешенными свойствами безопасности, мощности, стоимости и долговечности.
Наиболее распространённая формула катодного материала: 33% никеля + 33% марганца + 33% кобальта (или 1:1:1). В маркировке может добавляться трёхзначная цифра, обозначающая как раз это соотношение (например, NMC 333 или NMC 811).
NCA | Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные с катодом LiNiCoAlO2
Литий-ионные аккумуляторы с маркировкой NCA особенно востребованы в электротранспорте из-за лучшего сочетания характеристик энергоёмкости (лучше всех в Li-Ion) и долговечности.
Основной недостаток — высокая цена. Также бОльших усилий относительно других электрохимических систем требует контроль заряда, разряда, температуры.
LMO | Литий-марганцево-оксидные с катодами LiMn2O4 и Li2MnO3
Литий-марганцевая шпинель на катоде LMO обеспечивает литий-ионному аккумулятору высокую термическую стабильность, сравнительно высокую ёмкость и низкую себестоимость.
Подвержен быстрому старению и разрушению при перегреве выше 60°C. На исправление недостатков направлены усилия по усовершенствованию гетероструктуры, чтобы предотвратить воздействие высокоактивного электролита на катод при эксплуатации и в моменты нагрева.
LTO | Литий-титанат-оксидные с анодом Li4Ti5O12
При безупречных характеристиках безопасности, долговечности, температурной стойкости (эффективнее других в морозы -30°C) и при высоком токе разряда (в десять раз превышает его ёмкость, то есть «10C»), быстрой зарядке, напряжении всего ~1,8-2,8В литий-титанат невероятно дорогой и обладает относительно невысокой ёмкостью.
Считается многообещающей и перспективной технологией с точки зрения скорости усовершенствования производственных линий (удешевление продукции) и улучшения электрохимических процессов (увеличение ёмкости). Используется сейчас в основном в силовых агрегатах (например, электропоезда, водный и спецтранспорт) и в энергонакопителях (аккумуляция энергии от возобновляемых источников и аварийное питание).
Следует сказать, что на этих электрохимических системах разновидности аккумуляторов и маркировки Li-Ion не заканчиваются. Каждый год появляются новые типы катодов и анодов, разрабатываются добавки в целях улучшения характеристик технологии.
Основное препятствие на пути к массовому распространению и коммерциализации инновационных литий-ионных элементов — дороговизна производства чего-то «необкатанного». Ещё осложняет внедрение усовершенствованных катодов отсутствие заметного прогресса в электролитах (очень часто многообещающие изобретения откладывают до лучших времён, когда появится подходящий электролитический материал).
А что с литий-полимерными аккумуляторами?
Литий-полимерный аккумулятор (Li-Polymer Battery, LiPo) назван как раз по электролиту нового типа. В теории подразумевается, что внутри такой ячейки настоящий твердотельный полимерный электролит на основе органической химии.
Вот только в реальном мире истинных Li-Polymer практически не существует.
Тогда что такое литий-полимерный аккумулятор на практике?
Под литий-полимерной чаще всего понимают гибридную LCO-батарею. У неё будет пластиковый сепаратор и так называемый «гелевый твёрдый» полимерный электролит.
То есть на практике Li-Polymer — это та же самая распространённая литий-кобальтовая ячейка с графитовым анодом и незначительно усовершенствованной (а зачастую даже удешевлённой) конструкцией.
С микропористым гелевым электролитом вместо пористого сепаратора вы можете создавать аккумуляторы в более изощрённых формах, компактнее размещать контроллер или изгибать. Это способствует, например, увеличению ёмкости или добавлению большего числа компонентов при сохранении прежних габаритов ячейки.
Нередко производители в маркетинговых целях называют литий-ионным полимерным (Li-Ion Polymer Battery), например, обыкновенный литий-кобальтовый аккумулятор. У него жидкостный электролит, пористый сепаратор — ничего в конструкции не изменено. Но всё это просто заключено в полимерную оболочку (полимерный ламинат или ячейка-пакет «pouch-bag»).
То есть маркетинговое обозначение «Li-Polymer» (LiPo, LiPoly, Li-Po, Li-Poly) порой не имеет отношения даже к хотя бы гелевому электролиту, не говоря уже о редком семействе твердотельных истинных Li-Polymer.
***
Надеемся, что вам теперь легче ориентироваться в мире литий-ионных аккумуляторов.
Источники для самостоятельного изучения:
Пишите вопросы в комментарии. Оставляйте замечания, если что-то непонятно, чтобы мы могли сделать статью максимально простой для всех и каждого.
Подпишитесь на нашу группу ВКонтакте @NeovoltRu, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
