Типы Литий-Ионных Аккумуляторов. Разбор

Кажется, что прогресс стремительно движется вперед и только технология аккумуляторов стоит на месте. Вот уже 30 лет мы пользуемся литий-ионными аккумуляторами и ничего не меняется. Смартфоны хорошо, если доживают до конца дня.

Но на самом деле это впечатление совершенно обманчивое, ведь за аббревиатурой литий-ионный аккумулятор могут скрываться совершенно разные технологии, о которых вы никогда не слышали.

Уже давно есть аккумуляторы, которые живут в 7 раз дольше текущих, заряжаются в 10 раз быстрее и не боятся морозов в -30 градусов. И всё это тоже литий-ионные аккумуляторы.

Поэтому сегодня мы расскажем про шесть типов литий-ионных аккумуляторов и про те суперспособности, которыми они обладают.

Введение

Итак, все аккумуляторы состоят из отрицательно заряженного анода, положительного катода и электролита и из сепаратора, который разделяют эти два полюса.

Все эти элементы: катод, анод, электролит и сепаратор могут быть созданы из различных материалов, этим и различаются разные типы аккумуляторов.

Но какими бы ни были эти типы, всех их объединяет наличие ионов лития, которые путешествуют между катодом и анодом. Именно поэтому разные типы аккумуляторов всё равно называются литий-ионными. Подробнее о том, как всё устроено посмотрите в нашем материале о том, как заряжать смартфоны.

На текущий момент существует шесть распространенных типов литий-ионных аккумуляторов, которые в основном различают по материалу катода. Вот о них и поговорим.

LCO | Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2

• Энергоемкость 150-200 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 0.7-1С Max
• Скорость разряда 1С Max
• Срок жизни 500-1000 циклов
• Температура (Max) 150℃

Начнем с типа аккумулятора, который вы лучше всего знаете, и скорее всего прямо сейчас держите в руках — это литий-кобальтовый аккумулятор или LCO.

Такие аккумуляторы содержат в себе графитовый анод и катод из оксида литий-кобальта.

И его суперспособность — высокая энергоемкость (до 200 Вт·ч/кг) и небольшой вес. Что позволяет делать компактные и ёмкие аккумуляторы. Поэтому именно LCO батареи стоят в 99% смартфонах, ноутбуках и прочих гаджетах, для которых важна компактность.

Но есть у литий-кобальтовых аккумуляторов и недостатки.

Во-первых, они очень нежные и небезопасные, что однажды доказал Samsung. Могут загореться от механических воздействий или при быстром заряде/разряде, а также вырубаются на морозе и перегреваются в жару.

Второй минус — долговечность. Их срок жизни всего 500-1000 циклов, и потери до 20% ёмкости.

А в-третьих, они дорогие. Дело в том, что кобальт достаточно редкое полезное ископаемое. 70% от мировых запасов кобальта добывается в Демократической Республике Конго (ДРК) и добывают его не самым этичным образом.

В итоге, кобальт обходится примерно в 2 раза дороже никеля, в 15 раз дороже алюминия и в 1000 раз дороже марганца.

Вот о марганце и поговорим дальше.

LMO | Литий-марганцево-оксидные с катодами LiMn2O4 и Li2MnO3

• Энергоемкость 100-150 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 0.7-1С Typ, 3С Max
• Скорость разряда 1С Typ, 10C Max, 30С Pulse
• Срок жизни 300-700 циклов
• Температура (Max) 250℃

Следующий тип аккумуляторов литий-марганцево-оксидные или LMO. У таких аккумуляторов ниже энергоемкость чем у LCO — всего 150 Вт·ч/кг против 200. Также у них меньше срок жизни: до 700 циклов против 1000.

Но есть и преимущества. Во-первых, такие аккумуляторы дешевле, так как марганец в 1000 раз дешевле кобальта.

А во-вторых, в таких батареях в катоде используется литий-марганцевая шпинель. Это такая трехмерная кристаллическая структура, которая по сравнению со слоистой кобальтовой структурой, позволяет ионам спокойно перемещаться по микроканалам, что существенно уменьшает внутреннее сопротивление и повышает отдаваемый ток.

Отсюда и суперспособность LMO аккумуляторов — МОЩНОСТЬ! Что это значит?

На секундочку вернёмся к LCO аккумуляторам.

LCO | Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2

• Энергоемкость 150-200 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 0.7-1С Max
• Скорость разряда 1С Max
• Срок жизни 500-1000 циклов
• Температура (Max) 150℃

У них максимальная скорость заряда и разряда равна 1С, то есть одна полная ёмкость за один час. Всё, что быстрее уже проблема. Конечно, технологии быстрых зарядок позволят чуть сократить время заряда, но вот со скоростью разряда ничего не сделаешь.

А вот у LMO скорость заряда уже 3С, то есть в 3 раза быстрее. А ток разряда вообще в десять раз превышает его ёмкость, то есть «10C»!

Именно поэтому литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании. То есть везде, где нужно в короткий промежуток времени выдать большую мощность. Например в различном электроинструменте, всяких дрелях, шуруповертах или скажем в каком-нибудь мощном беспроводном пылесосе с циклонным двигателем как, например Philips 8000 Aqua.

Какой именно тип литий-ионного аккумулятора тут стоит, в Philips не указывают.

Но мы знаем что этот пылесос способен проработать до 80 минут в эко режиме и до 28 минут в режиме Турбо, а так мало кто умеет. Между прочем, это рекорд по времени для своей категории, так за полчаса легко можно 125 квадратных метров пропылесосить.

Иными словами, этот пылесос способен разряжать аккумулятор со скоростью 2С, которая не доступна для LCO батарей, но раз плюнуть для LMO. Кажется, мы раскрыли твои секреты, Philips 8000 Aqua. А значит продолжаем про аккумуляторы.

NMC | Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные с катодом LiNiMnCoO2

• Энергоемкость 150-220 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 0.7-1С Max
• Скорость разряда 1С Typ, 2C Max
• Срок жизни 1000-2000 циклов
• Температура (Max) 210℃

И вот у нас есть LCO аккумуляторы с высокой энергоемкостью, но низкой мощностью и LMO аккумуляторы, где всё наоборот. А есть ли такой аккумулятор, где было бы и то, и другое.

Есть! И это литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы или NMC. Его суперспособность сбалансированность.

Судите сами:

• Тут высокая энергоемкость 220 Вт·ч/кг, даже выше чем у LCO!
• Огромный срок жизни от 1000 до 2000 циклов.
• Обычная скорость заряд до 1С, но при этом скорость разряда 2С, что неплохо.
• С рабочими температурами и безопасностью тут тоже всё в порядке, а стоимость примерно такая же что и LCO.

В общем — просто сказка!

А весь секрет тут в сочетании никеля и марганца. Никель известен своей высокой удельной энергией, но плохой стабильностью. Марганец же славен своим низким сопротивлением, благодаря структуре шпинели. А сочетание этих металлов усиливает сильные стороны друг друга.

Это как сочетание функции сухой и влажной уборки, которые усиливают Philips 8000 Aqua в наших с вами глазах.

Оба типа уборки можно делать одновременно благодаря уникальной насадке Aqua, она не боится ничего. Можно даже добавлять в резервуар с водой любимое моющее средство для дезинфекции пола, если у вас есть такое. Или нелюбимое, это неважно. В любом случае бактериям на полу это не понравится. Что-то меня понесло…

Но возвращаемся, к тому что нам нравится, а именно к NMC-аккумуляторам.

Благодаря таким классным характеристикам их устанавливают в большинство электромобилей, скутеров, велосипедов, в различные медицинские и промышленные приборы.

Отсюда возникает вопрос, если NMC-аккумуляторы почти идеальны и во всём лучше LCO, что же мешает их ставить в смартфоны? На самом деле, не до конца понятно.

Скорее всего пока технология менее обкатанная. Есть разные версии таких аккумуляторов. Например, NMC 333, в которой никель, медь и кобальт используются в одинаковых пропорциях по 33% работает стабильно. А вот NMC 811 с куда более высокой энергоемкостью, благодаря повышенной концентрации никеля, уже нестабильны и склонны к окислению. В общем, для смартфонов пока технология не готова, но в будущем всё может быть.

NCA | Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные с катодом LiNiCoAlO2

• Энергоемкость 200-260 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 0.7 Typ
• Скорость разряда 1С Typ
• Срок жизни 500 циклов
• Температура (Max) 150℃

Кстати, забавно, что такие аккумуляторы ставят считайте во все электрокары кроме Tesla. В Tesla используют разные аккумуляторы, но чаще всего литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные пацаны или NCA.

NCA очень похожи на NMC-аккумулятор по своей сути. Только в нём еще выше энергоемкость вплоть до 260 Вт·ч/кг. Это вообще рекорд среди всех аккумуляторов и главная суперспособность NCA батарей.

Но, к сожалению, это, считайте, их единственно достоинство, во всём остальном эти ребята сливают.

Тут и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) и высокая стоимость и низкая скорость заряда/разряда.

В общем-то, поэтому даже Tesla потихоньку переходит на другой тип аккумуляторов — LFP.

LFP | Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePo4

• Энергоемкость 90-120 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 1С Typ
• Скорость разряда 1С Typ, 25C Max, 40С Pulse
• Срок жизни 1000-2000 циклов
• Температура (Max) 270℃

Это расшифровывается как литий-железо-фосфатный аккумулятор. Это без преувеличения выдающаяся технология сразу с двумя суперсилами — безопасность и мощность.

Литий-фосфатные батареи долго живут — до 2000 циклов, хорошо выдерживают перезаряд, у них низкий саморазряд и особая устойчивость к низким температурам.

При этом они способно выдерживать нагрузку в 25С! Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — до 120 Вт·ч/кг.

Поэтому такие батареи используют большом электротранспорте, типа электробусов, в качестве источников бесперебойного питания или как системы хранения энергии.

LTO | Литий-титанат-оксидные с анодом Li4Ti5O12

• Энергоемкость 50-80 Вт·ч/кг
• Скорость заряда 1С Typ, 5C Max
• Скорость разряда 10C Max, 30С Pulse
• Срок жизни 3000-7000 циклов
• Температура (Max) 270℃

Но есть еще более впечатляющий тип аккумулятора — литий-титанат-оксидные или LTO.

Их главная суперсила — долговечность. Они живут вплоть до нереальных 7000 циклов!

При этом LTO аккумуляторы безупречны с точки зрения безопасности, температурной стойкости (спокойно живут в мороз до -30), а также мощности. Скорость заряда 5С, а разряда 10С.

Но есть и недостатки, во-первых самая низкая из всех энергоемкость — всего 80 Вт·ч/кг. А еще литий-титанат — невероятно дорогой. Считайте LTO — это премиум-удовольствие, которое мало кто себе может позволить. Разве что, кроме всех москвичей, ведь LTO- аккумуляторы используются в московских электробусах. Что ж можем себе позволить такое удовольствие.

Точно также как и вы можете себе позволить удовольствие от использования пылесоса Philips 8000 Aqua с уникальной насадкой, которая собирает грязь на полу с первого раза со всех сторон благодаря уникальной насадке с функцией всасывания 360°. А также LED-подсветкой, чтобы точно не пропустить ни одной крошки.

Насадка – огонь! А ведь еще в комплекте есть: щелевая для вашего дивана, турбо для удаления шерсти, удлинитель шланга и встроенная щеточка, чтобы убирать пыль с вентиляционных решеток и шкафов.

По сравнению с громоздкими проводными пылесосами – это конечно новый век. Нет никаких мешков для сбора пыли, не мешаются провода. Пылесос лёгкий и мощный. Им удобно управлять через дисплей.

В общем, как и каждый тип аккумулятора, идеально подходит для своей задачи. Так и этот пылесос идеально подходит для поддержания чистоты и свежести каждый день.

А у нас для вас есть идеально подходящий промокод на скидку, все подробности, как обычно в описании к ролику на YouTube, ищите!

Будущее

Ну и напоследок чего нам ждать в будущем от аккумуляторов?

Очевидно, в перспективе ближайших 10 лет от использования дефицитного и дорогого в добыче кобальта в аккумуляторах будут постепенно отказываться. Поэтому и литий-кобальтовые (LCO) аккумуляторы постепенно будут чем-то заменять, скорее всего совершенно прекрасными во всех отношениях NMC, в которых кобальта используется значительно меньше.

Что же касается остальных технологий, они будут только развиваться и дешеветь. Ну и параллельно с этим будут внедряться совершенно новые технологии аккумуляторов, о которых мы расскажем в отдельных материалах, если вам эта тема зайдет.

Post Views: 317