Современные аккумуляторы для питания РЭА. Часть 2

Литий-ионные аккумуляторы российского производства

Основными российскими производителями литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) являются ОАО «Энергия» (г. Елец), ОАО «Аккумуляторная компания «Ригель» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Уралэлемент» (г. Верхний Уфалей), ОАО «НИАИ «Источник» (г. Санкт-Петербург), ООО «НПО ССК» (г. Москва), Li-Pol Systems (г. Москва, г. Казань). Технические характеристики некоторых отечественных аккумуляторов и аккумуляторных батарей приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.


Здесь и далее в таблицах U_н – номинальное напряжение, C_н – номинальная ёмкость, I_н – номинальный ток разряда, I_макс – максимальный ток разряда, m – масса, T – рабочая температура.

Литий-ионные аккумуляторы зарубежного производства

К наиболее значимым европейским производителям литий-ионных аккумуляторов относятся VARTA и Saft Groupe SA. В Северной Америке таковыми являются компании Ultralife, Quallion, А123 Systems, Yardney в США и Electrovaya Inc и Molicell в Канаде. Наибольшая доля рынка в Азии принадлежит японским компаниям Panasonic, Matsushita Battery Industrial, Sanyo Electric, GS Yuasa, Hitachi Maxell, SONY, китайским Ecity Power, EEMB, Thunder Sky Group, BYD Company, Tianjin Lishen Battery и корейским Кокаm Со., LG Chem., Samsung SDI. Основные характеристики литий-ионных аккумуляторов зарубежных производителей приведены в таблицах 3–5.

С момента появления ЛИА в 1991 г. их удельные характеристики увеличились в несколько раз. Новые материалы в совокупности с пониманием процессов, протекающих в ЛИА и определяющих их работу, позволяют ожидать наступления периода «второго рождения» аккумуляторов.

Имеются данные о выпуске рядом компаний серийных ЛИА с удельными характеристиками, превышающими 600 Вт·ч/дм³.

Для традиционных технологий ЛИА время заряда до 100% составляет 60–70 мин, причём увеличение тока заряда практически не приводит к уменьшению времени заряда. Для некоторых современных ЛИА допустим ускоренный заряд за период времени, составляющий до 15 минут.

Ресурс обычных коммерческих аккумуляторов достигает 1000 и более циклов, но в ряде случаев (особенно для ЛИА на основе кобальтитов) он в значительной мере зависит от величины конечного напряжения заряда. Сложность заключается в том, что допустимое конечное напряжение заряда определяется конкретными катодными и анодными материалами, что предъявляет дополнительные требования к конструкции электронных устройств.

Большинство производителей рекомендуют хранить ЛИА при комнатной температуре при степени заряженности 30–50% с подзарядом раз в год для предотвращения переразряда. Компания Кokam представила литий-полимерные аккумуляторы с саморазрядом до уровня 5% за 6 месяцев при комнатной температуре и 10% за 1 месяц при температуре +60°С против 10% в день у никель-кадмиевых аккумуляторов при этих же условиях.

Диапазон рабочих температур при разряде ЛИА обычно составляет -20…+40°С, а при заряде – выше 0°С, однако многие производители заявляют, что ими достигнут рубеж -40°С. К числу таких производителей относятся SAFT, Yardney, Argonne и другие. Верхний предел температуры применения литий-ионных батарей ограничен экзотермическим разложением ряда катодных материалов (в первую очередь кобальтитов), а также электрохимически образовавшегося межфазного слоя на границе твёрдое тело – электролит (SEI) на аноде.

Появление и воплощение на практике новых подходов к конструированию батарей значительно расширило круг потенциальных потребителей ЛИА, среди которых:

Мировой рынок ЛИА непрерывно растёт, и, по прогнозам J.P. Morgan, такая тенденция сохранится и в ближайшие годы (см. рис. 3).

Наиболее впечатляющими являются успехи, достигнутые компанией Кokam. Специалистами этой компании была предложена уникальная технология, названная SLPB (Superior Lithium Polymer Battery). На основе этой технологии Kokam разработала и представила на рынок серию литий-полимерных аккумуляторов с характеристиками, сразу заинтересовавшими производителей конечных устройств, использующих автономное питание. Среди уникальных характеристик продукции Kokam можно отметить:

Но самым впечатляющим является возможность использования аккумуляторов при коротких режимах разряда, а также возможность заряда с высокой скоростью. Только в начале 21-го века на рынке начали появляться производители аккумуляторов традиционных систем, обеспечивающих разряд токами порядка 3 С_н. Спустя всего несколько лет приводимые Кokam характеристики показывают, что их литий-полимерные аккумуляторы не только способны разряжаться в 3-минутном режиме (20 С_н) с 90% ёмкостью от номинала, но и, что немаловажно для ряда применений, заряжаться с высокой скоростью. При этом начальные токи заряда могут быть увеличены до 5–20 С_н, что позволит зарядить аккумулятор на величину около 80% за 3 минуты, однако время полного заряда практически не зависит от величины начального тока заряда в диапазоне 1–5 С_н и составляет 75–80 мин.

Применение новых катодных материалов на основе нанотитанатов позволило повысить токи заряда-разряда до 100 С_н, и это не предел. Аналогичные данные при использовании наноматериалов получены специалистами компании Altair Nano. Продолжается поиск новых материалов для электродов литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов. Синтезируются новые композитные составы, литий-марганцевые шпинели для положительных электродов ЛИА, однако более высокими характеристиками обладают т.н. оливины – фосфаты железа-лития. Применение таких материалов позволяет увеличить ёмкость положительных электродов на 50%. Сравнительные характеристики ЛИА различных систем приведены в таблице 6.

Для отрицательных электродов наиболее перспективными являются композитные электродные материалы, состоящие из нескольких электроактивных компонентов. При их получении активно используются микро- и нанотехнологии. Сообщается, что композитные материалы являются более механически стойкими, не разрушаются при длительном циклировании и, следовательно, обеспечивают бо¢льшую надёжность и наработку циклов. Использование композитных материалов даёт выигрыш по удельной энергии электрода в 2–3 раза и позволяет увеличить удельную энергоёмкость аккумуляторов в 1,5–2 раза.

Практическое использование литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы более безопасны в эксплуатации, чем литиевые, однако их применение в блоках питания требует соблюдения определённых правил и использования некоторых схемотехнических решений. Более того, использование литий-ионных систем без соответствующего уровня развития электроники было бы невозможным, т.к. они очень чувствительны как к режимам заряда, так и разряда. Чтобы обеспечить длительную и безопасную эксплуатацию, необходимо при заряде принимать во внимание температуру окружающей среды, не допускать перезаряд, ограничивать ток на уровне 1 С_н и не допускать переразряд ниже напряжения 2,2 В при разряде. Кроме того, к аккумуляторам, имеющим в результате саморазряда напряжение ниже 2,2 В, нельзя применять стандартные режимы заряда.

Внутри аккумулятора используют «отсекающий» сепаратор и предохранительные клапаны давления, размыкающие цепь нагрузки; внутри батарей – электронные устройства для защиты от больших токов при заряде и разряде, а также от переразряда и чрезмерного повышения напряжения при заряде.

Большинство конструкций серийно выпускаемых зарубежных батарей для миниатюрной техники включает в себя микросхему, осуществляющую защитные функции. В других случаях (например, в мобильных телефонах) такая микросхема находится в самой аппаратуре. Рекомендуется выпускать литий-ионные аккумуляторы и батареи в габаритах, отличных от серийных, традиционно используемых в различных областях техники. Это необходимо для исключения возможности случайного попадания литий-ионных аккумуляторов в кассеты (корпуса) батарей НКГЦ-аккумуляторов, что может привести к взрывам. Более того, недопустимо использование литий-ионных аккумуляторов в оборудовании, не приспособленном для их применения.

Поиск новых конструкторско-технологических решений, позволяющих улучшить параметры ЛИА, продолжается. Можно уверенно ожидать определённого прогресса за счёт применения нанотехнологий и наноматериалов. Создание модельных структур композитов на основе кремния–углерода (в том числе модифицированных металлическими нанокластерами), изучение нано- и микроструктуры новых композитов и механизма их формирования, исследование процессов обратимого внедрения лития в такие композиты и зависимости электрохимических характеристик композитов от их наноструктуры, структурно-химическая аттестация наноорганизации композитов с конечной целью разработки научных основ создания новых типов функциональных материалов для литий-ионных аккумуляторов – вот далеко не полный перечень современных направлений фундаментальных и поисковых исследований в данной области.