Как создают аккумуляторные батареи



    Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.

    Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.

    Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.

    Li-ion — литий-ионные




    Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.


    Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник

    Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.

    Li-po — литий-полимерные




    Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.

    Li-po и технологии




    Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.

    Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.

    Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.

    Li-po vs Li-ion


    Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.

    Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.

    Литий



    Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.

    Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
    Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.



    Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.

    Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.

    Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.

    Извлечение лития



    Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.

    Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.


    Литиевый соляной пруд в Аргентине.

    Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.

    Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.

    Другие химические элементы



    Составляющие стоимости Li-ion батареи.

    Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.

    Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.

    Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.

    Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.

    В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.


    Строение Li-po батареи

    Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).

    Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.

    Процесс производства батареи




    Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.

    Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.



    Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.



    В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.


    Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/

    Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.

    * * *

    В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
    ASUS Russia 140,10
    Компания
    Поделиться публикацией
    Комментарии 33
    • +1
      Подпись к картинке:
      Строение Li-ion батареи
      — может всё-таки, составляющие стоимости батареи?
    • +4

      Интересно, спасибо. А как перерабатывают li-ion-ые батареи? Какие их части можно потом использовать повторно? Какие представляют опасность для окружающей среды?

      • 0
        Спасибо за статью!
        В последнее время искал информацию как раз по lipo, оказалось что вокруг них огромное кол-во мифов и недопонимания( от использования до утилизации).

        Поддержу вопрос про переработку, особенно интересна ситуация в России (хотя бы крупные города)
        • +4
          Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора

          И снова маркетинг… Литий-полимерный здесь — это тот же аккумулятор, что и цилиндрический, но в мягкой оболочке. Их называют (правильно) «pouch bag». Настоящий полимерный — с твердым электролитом.
          Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие

          Это все — типы литий-ионного с разными материалами катода. Я подозреваю, под «не другими» речь идет о аккумуляторах с литий-кобальтовым электродом, в частности.

          Все дальнейшие рассуждения про технические характеристики можно рассматривать, как рекламный текст, а не фактическую информацию.
          • +2
            Какой же дикий бред написан!!!
            Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной)

            Электрод — это фольга (алюминиевая и медная), на которую наносят слой катода или анода. В случае катода — это LFP (LiFePO4), NMC (LiNiCoMnO2) и другие. В случае анода — это практически всегда графит.
            Дальше, Li-po и Li-ion. Это одно и то же, и там и там ионы лития переносятся от катода к аноду и обратно. Вы же сами пишете про заливку электролита в пакеты (pouch), при этом они не имеют жесткого металлического корпуса. Электролит не льют туда в привычном смысле этого слова, а добавляют столько, чтобы катод, анод и сепаратор пропитались им.

            Ну и т.д. Постарайтесь проработать материал, а потом публиковать. Сейчас это выглядит как реферат школьника.
            • 0
              Главное чтобы были нормальные, проверенные банки. Иначе можно и сгореть ) Как пример хреновых банок 18650, китайцы экономят, и пишут заоблачные цифры емкостей.
              Разбор батареи 18650

              • +1
                Вот не рискнул бы расковыривать 18650
                • 0
                  Заряженные разбирать опасно, из в процессе разборки замыкает и они начинают разогреваться от протекающего тока КЗ, а полностью разряженные разбираются без особых спецэфектов.
                  • 0
                    если аккуратно, то можно и попробовать, хотя ХЗ.
                    • +1

                      "Можно, если осторожно". Главное — разрядить. А так то да, может и пыхнуть или бахнуть, так что рядом с горючими материалами, в помещении — я бы точно ковырять не стал. Вот буквально пару часов назад чуть не устроил огонек из-за своей дурной привычки. Я если не делаю ничего (видео смотрю, например), имею глупую привычку брать подручную мелочь со стола, вертеть ее, что-то городить (например, лежащий на столе саморез вкрутить в лежащий рядом же карандаш, или гайку на болте гонять туда-сюда, пока резьба до блеска не разработается). А тут так вышло, что лежат на столе обычная щелочная АА батарейка севшая и ножницы маникюрные. А у ножниц один край слегка загнут, так как я что-то твердое ими подковыривал. В общем, этот заусенец очень удачно лег под кольцо минусового пятака батарейки. Провернул по кругу, как по рельсам, раза три, и тут дым пошел. Оказалось, не заметил, что у батарейки оболочка — это плюс, а не минус, а выемка — это как раз кольцо, разделяющее + и -. В общем, хорошо, что вовремя остановился, а щелочные батарейки не такие взрывоопасные. Надо отвыкать, спиннер что-ли купить, чтобы было чем пальцы занять, или еще какую фигню...

                      • 0
                        Эспандер резиновый очень хорошо помогает. Сам имею такую привычку
                        • +1

                          Спасибо за идею. Эспанедер — это даже лучше спиннера, так как не только мелкую моторику тренирует (ее тренировок и в процессе набора текстов хватает), но и силу хвата.

                  • 0
                    То есть основная причина того, что в России не выпускают востребованные литиевые аккумы (хотя выпуск свинцовых проблем не вызывает) — отсутствие богатых запасов лития?
                    • 0
                      Ну почему же, выпускают в России литийионные батареи geektimes.ru/post/135519
                      • +1

                        Были определенные проблемы у этого производства:
                        https://geektimes.ru/post/135519/ — alizar, 30 декабря 2011 в 01:11 — Крупнейший в мире завод Li-Ion аккумуляторов построили в России
                        https://geektimes.ru/post/269996/ — Tiberius, 28 января 2016 в 02:14 — «Крупнейший в мире завод Li-Ion аккумуляторов» — Лиотех — всё


                        Новосибирский завод «Лиотех» — российский производитель литий-ионных аккумуляторов — в течение последнего времени предпринимал усилия по реструктуризации кредиторской задолженности, но не смог избежать процедуры банкротства.

                        https://ria.ru/economy/20170218/1488282165.html 18.02.2017 Анатолий Чубайс. "В Новосибирске у нас есть история преодоления проблем. Я имею ввиду конкретное предприятие. Сейчас "Лиотех" из кризиса выведен."
                        https://www.kommersant.ru/doc/3313968 02.06.2017 "Создание новой компании на базе активов обанкроченного завода «Лиотех» откладывается"

                        • +2

                          Даже когда завод работал, купить было невозможно что-либо там.

                      • +1
                        Впервые от автора слышу что литийполимерные батареи более безопасны. Это в корне не так.
                        • +3
                          Смотря какую безопасность иметь в виду. С точки зрения механической защищенности — LiPol, разумеется, хуже — лего деформировать, протыкаются чем угодно. А с точки зрения опасности в результате наступившего повреждения — безопаснее, так как просто загораются, а не взрываются, как металлические банки.
                          • +2
                            Особенно если учитывать что почти никто в глаза никогда не видел LiPo аккумуляторы(настоящие аккумуляторы с полимерным электролитом), а все что маркетологи(и все остальные вместе с ними) называют LiPo, отличается от ячеек с такой же химией в металлическом корпусе только полимерным серебристым пакетиком вместо этого самого металлического корпуса.
                            • 0

                              Буду краток.
                              Был у меня квадрокоптер.
                              Массой с аккумулятором 170 гр.
                              Однажды он летал.
                              На высоте 30 метров.
                              И упал из за порыва ветра.
                              На асфальт.
                              (Для справки, он питается от одной 18650, LiNiCoMnO2, 2600mah, расположен снизу без защиты)
                              Вмятина в банке ~3мм.
                              Полетел дальше.
                              Почему был? Ещё есть, и он и банка.

                              • 0
                                слежу за темой коптеростроением и не разу не видел мелкий коптер на 18650.
                                если не секрет что за коптер?
                        • +2
                          Пару копеек про переработку. Дробил я как-то партию сырья состоящую из плат от игровых автоматов. И как оказалось потом — были на них припаяны литиевые пальчиковые аккумуляторы. А так как сырьё было давальческим, то забулькали его в насыпной бункер дробилки. И оказалось что при дроблении аккумуляторы стали тупо гореть. И полетели из шредера на конвейер горящие части батареек. Было неприятно. Тушили.
                          Так что при дроблении или отправке на аффинаж плат все батарейки удаляются.
                          • +1
                            Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.

                            Полагаю, раньше жители Боливии были очень спокойными.
                            • 0

                              Насколько я знаю современные литийионные теже 18650 уже могут отдавать до 50А и заряжаться токами 3С и имеют пока рекордную емкость в 3500мАч, в то время как литийполиимерные по емкости сильно уступают (до 3000мАч).


                              Я бы не стал так смело утверждать, что литийполимерные лучше литийиона, пока это далеко не так, я бы даже сказал всё наоборот.

                              • 0
                                Я бы не стал так смело утверждать, что литийполимерные лучше литийиона, пока это далеко не так, я бы даже сказал всё наоборот.

                                Выше уже писали — разница в корпусе и, соответственно, форме. Начинка же может быть одинаковая. Ну и лучше — это как? Что именно лучше — емкость, безопасность?
                                • +1
                                  На самом деле этими плюсами(огромные токи, высокая емкость) обладают разные аккумы, т.е тут на выбор ёмкость/ток/баланс того и другого
                                • 0
                                  Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.

                                  Какие, например?
                                  • 0

                                    Круглые "батарейки" — не более чем пакетики завернутые спиралью, их можно и безоболочные версии найти. Липолимер — не значит что там именно твердый электролит, там также как и в свинцовых необслужках гель вместо жидкости.
                                    Один из материалов — графит, с другой стороны что-то с содержанием кобальта, либо марганца, либо никеля. От этого материала зависят как отношение емкость/ток, так и пожароопасность. Кобальтовые — самая старая технология, наибольшая емкость, мизерный ток, горят как напалм, никелевые только кипят, и марганцевые максимум протекут и распухнут. У большой тройки (лж, самсунг, сони) собственные патентные разработки на гибридные КоМнНи составы, их аккумуляторы превосходят китайские нонеймы. С силовыми(теми самыми пакетами) ситуация осложнена именно отсутствуием крупных игроков. На данный момент самые технологичные именно 18650.

                                    • 0
                                      Липолимер — не значит что там именно твердый электролит

                                      Этот термин именно что о твердом электролите, пластиковый пакетик вместо металлического цилиндра называется «pouch bag».
                                      там также как и в свинцовых необслужках гель вместо жидкости.

                                      Еще есть AGM.
                                      Один из материалов — графит, с другой стороны что-то с содержанием кобальта, либо марганца, либо никеля.

                                      Анод кроме графитового может еще быть из титаната лития, а катод — железо или ванадий.
                                      На данный момент самые технологичные именно 18650.

                                      А почему не в жестком корпусе-коробке, как в Боинге или автотранспорте?
                                    • +1
                                      У меня ноутбук ASUS, и однажды в нём сдохла батарея. Полностью, т.е. ноутбук вырубался при отключении от сети. Тогда мне и стало интересно, как устроена батарея ноутбука. Разобрал её. Нарыл много интересного. Во-первых, производитель вовсе не заинтересован в долговечности батареи ноутбука. Это следует из того, что по 4 банки 18650 приварены друг к другу таким образом, что невозможна балансировка каждой банки, и соответственно, при таком режиме работы одна из банок меньшей ёмкости постоянно перезаряжается и быстрее других выйдет из строя. После этого перестанет работать и вся батарея. Во-вторых, производитель не то что не даёт простой возможности замены банок 18650 на новые, но и делает всё возможное, чтобы это стало невозможным в принципе. Если разобрать батарею и тупо перепаять банки, она не станет работать, т.к. там есть специальный чип, который следит за этим. В итоге я купил новую батарею, а ВСЕ банки в моей старой батарее были рабочие! Я собрал из них пару павербанков по 4000 миллиамперчас. Делаем вывод, производитель батарей, в данном случае ASUS, не думает ни о пользователях, ни об экологии, а думает лишь о собственной выгоде. Потому что продать новую батарею целиком значительно выгоднее чем менять в ней отдельные испорченные элементы. Вот вы рассказываете нам как устроены литиевые аккумуляторы, а теперь расскажите, почему вы таким образом собираете из них батареи?
                                      • +1
                                        Во-вторых, производитель не то что не даёт простой возможности замены банок 18650 на новые, но и делает всё возможное, чтобы это стало невозможным в принципе. Если разобрать батарею и тупо перепаять банки, она не станет работать, т.к. там есть специальный чип, который следит за этим.

                                        Если опустить принципиальное нежелание делать съемные батареи и желание сэкономить на электронике — простая замена банок из-за разной возможной химии катодов и анодов невозможна в таком случае, так как система управления батареей рассчитана на определенные ограничения в токе и напряжении. И не исключена неправильная эксплуатация, которая может привести к выходу из строя аккумулятора.
                                        В итоге я купил новую батарею, а ВСЕ банки в моей старой батарее были рабочие!

                                        Выходит вылетел сам чип. Замена 18650 ничего бы и не дала.

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                      Самое читаемое