Разновидности литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы, самый ёмкий и мощный тип аккумуляторов из всех электрохимических систем [1], при их малом объёме и весе, являются предпочтительным выбором в качестве источника питания портативного устройства, мобильного робота или электротранспорта. В зависимости от задачи к батарее будут предъявляться требования по продолжительности работы, напряжению, току отдачи. Используя разные типы литий-ионных аккумуляторов, могут быть достигнуты разные характеристики батареи. В данной статье будут рассмотрены различные типы литий-ионных аккумуляторов, их основные преимущества и недостатки. В конце статьи приведена сравнительная таблица с характеристиками различных видов Li-ion аккумуляторов.

Разновидности литий-ионных аккумуляторов

Электролитом в литий-ионном аккумуляторе выступает органическая соль лития, нанесённая на пористый разделитель, который пропускает только положительно заряженные ионы лития, являющиеся основным переносчиком заряда. Анодом является графит, который покрывает медную фольгу. Для катода используется алюминиевая фольга, покрытая оксидом кобальта, марганца, железа или их комбинацией. Из-за отличающихся материалов катодов разные типы литий-ионных аккумуляторов обладают разными ЭДС, энергоёмкостью, возможным максимальным током отдачи, температурным диапазоном работы. Соответственно, для них необходимо применение отличающихся схем защиты и балансировки, настроенных на определённые параметры. В зависимости от химического состава Li-ion аккумуляторы разделяются на типы: литий-кобальтовые (LCO), литий-марганцевые (LMO), литий-никель-марганец-кобальтовые (NMC), литий-никель-кобальт-алюминиевые (NCA), литий-железо-фосфатные (LFP) и литий-титанатные (LTO) [2].

Литий-кобальтовые аккумуляторы

В литий-кобальтовых аккумуляторах в качестве материала положительного электрода используется оксид лития-кобальта , благодаря чему ЭДС одного элемента находится в диапазоне 3-4,2В в зависимости от уровня заряда. Номинальное напряжение составляет 3,7В. Они являются самыми ёмкими из всех Li-ion аккумуляторов (до 250 Вт·ч/кг), имея возможность отдавать токи до 2C, где C – ёмкость элемента. Однако литий-кобальтовые аккумуляторы обладают повышенной чувствительностью к перегреву, что может привести к их воспламенению и взрыву корпуса аккумулятора. Также при снижении напряжения элемента ниже порогового возможна деградация материалов электродов, что приводит к потере общей ёмкости аккумулятора. В настоящее время на смену элементам с катодом из оксида кобальта пришли элементы со сплавами кобальта с другими металлами.

Литий-марганцевые аккумуляторы

Использование оксида литий-марганца  для изготовления катода приводит к снижению энергоёмкость аккумулятора по сравнению с аккумуляторами на основе литий-кобальта. Максимальная удельная энергоёмкость такого аккумулятора составляет 150 Вт·ч/кг. Из-за шпинельной структуры, формируемой оксидом марганца, по которой могут свободно проходить ионы лития, внутреннее сопротивление аккумулятора мало, и максимальный постоянный ток отдачи может достигать 20-30А с кратковременным пиковым током до 50А без сильного нагрева [2].

Литий-никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы

Литий-никель-марганец-кобальтовые  аккумуляторы являются самой используемой разновидностью Li-ion аккумуляторов. Они сочетают преимущества аккумуляторов на основе кобальта и марганца. Постоянный выходной ток одного аккумулятора может составлять от 4-5 до 20А при номинальном напряжении 3,6В и удельной энергоёмкости до 220 Вт·ч/кг. В зависимости от пропорций в сплаве металлов катода максимальный диапазон напряжений элемента может быть расширен из-за увеличения напряжения полного заряда с 4,2В до 4,4В.

Литий-никель-кобальт-алюминиевые аккумуляторы

Литий-никель-кобальт-алюминиевые  аккумуляторы получили широкое распространение в сфере электротранспорта. Они обладают высокой удельной энергоёмкостью, до 260 Вт·ч/кг с перспективой дальнейшего развития технологии до достижения 300 Вт·ч/кг [2]. Некоторые элементы могут поддерживать зарядку высокими токами для ускоренного заряда. Номинальное напряжение 3,6В. Средний ток разряда до 1С.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

В литий-железо-фосфатных аккумуляторах материалом катода выступает железо-фосфат лития, из-за чего напряжение элементов находится в диапазоне 2,5-3,65В. Максимальная удельная энергоёмкость составляет 150 Вт·ч/кг. У LiFePo4 аккумуляторов низкое внутреннее сопротивление и хорошая термическая стабильность, при перегреве они не воспламеняются и не взрываются.

Литий-титанатные аккумуляторы

В отличие от остальных литий-ионных аккумуляторов, где в качестве материала анода используется графит, в литий-титанатных аккумуляторах он заменён на титанат лития, а катод формируется из оксида литий-марганца. Из-за изменения материала анода максимальное напряжение аккумулятора составляет 2,8В, которое опускается до 1,8В при полном разряде.  Удельная энергоёмкость достигает 100 Вт·ч/кг. Низкое внутреннее сопротивление таких аккумуляторов позволяет отдавать токи номиналом до 10C.

Вывод

В зависимости от желаемых характеристик в батарее устройства могут применяться сборки из различных Li-ion аккумуляторов. Одни могут быть направлены на увеличение времени работы (NCA), другие — на увеличенный ток отдачи (LMO).

Таблица

Характеристики различных видов литий-ионных аккумуляторов