Спустя пятьдесят лет после появления литий-ионных аккумуляторов легко оценить их ценность. Они используются в ноутбуках, мобильных телефонах, электроинструментах и электрокарах. Мировые продажи батарей превышают $45 миллиардов в год, а в следующем десятилетии могут достичь более $100 миллиардов.

И все же этому трансформационному изобретению понадобилось почти два десятилетия, чтобы выйти из лаборатории: многочисленные компании в США, Европе и Азии исследовали эту технологию, но так и не смогли до конца понять ее потенциал.

Что такое литий-ионные аккумуляторы, когда появились, какие возможности и преимущества имеют, читайте ниже.

Что такое литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Lithium-ion battery, Li-ion) ― это тип электрического аккумулятора, который работает на основе литий-иона. Литий имеет низкую плотность и является хорошим проводником и накопителем энергии. Именно поэтому он стал идеальным материалом для изготовления литий-ионных батарей.

• Катод. Определяет емкость и напряжение батарейки, является источником ионов лития.
• Анод. Пропускает электрический ток через внешнюю цепь, и когда батарея заряжается, ионы лития накапливаются в аноде.
• Электролит. Состоит из солей, растворителей и добавок, служит проводником ионов лития между катодом и анодом.
• Сепаратор. Физический барьер, который разделяет катод и анод.

Батареи делятся на первичные, которые можно использовать только один раз и вторичные, которые можно перезаряжать и использовать много раз. Литий-ионные аккумуляторы ― вторичные. По сравнению с другими типами батарей, их можно сделать меньше и легче, а также они могут хранить большое количество электроэнергии.

Акира Йосино, Стэнли Виттингем, Джон Гуденаф. Фото: 24tv.ua

Как появились литий-ионные аккумуляторы

Во время нефтяного кризиса 1970-х годов Стэнли Виттингем, английский химик, который в то время работал в компании Exxon Mobile, начал исследовать идею новой батареи. Она должна была самостоятельно заряжаться за короткий промежуток времени и, возможно, однажды привела бы к использованию энергии без использования ископаемого топлива.

Сначала ученый попытался использовать дисульфид титана и металлический литий в качестве электродов. Но такая комбинация создала ряд проблем, включая серьезные проблемы с безопасностью. После того как батареи замкнуло и они загорелись, компания Exxon решила прекратить эксперимент.
Однако Джон Гуденаф вынашивал другую идею. В 1980-х годах он экспериментировал, используя литий-кобальтовый оксид в качестве катода вместо дисульфида титана. Это принесло свои плоды: батарея удвоила свой энергетический потенциал.

Пять лет спустя Акира Йосино из университета Мейджо в Японии, сделал еще одну замену. Вместо химически активного металлического лития в качестве анода он попробовал использовать углеродный материал ― нефтяной кокс, что привело к революционному открытию: новая батарея не только была значительно безопаснее, но и ее производительность была более стабильной. Так появился первый прототип литий-ионной батареи.

Вместе эти три открытия привели к созданию литий-ионного аккумулятора, каким мы его знаем сегодня.

Принцип работы литий-ионных батарей

Типы литий-ионных аккумуляторов

Li-ion делятся в зависимости от металла, который используется для катода.

Кобальтовые (LiCo)
В роли катода используется оксид кобальта. Такие батареи первыми поставили на рельсы массового производства, поскольку литий-кобальт оксид относительно легко синтезировать и обрабатывать. Их использовали в первых моделях ноутбуков и мобильных телефонах. Они имеют высокую плотность энергии, но небольшой жизненный цикл.

Марганцевые (Li-Mn)
Оксид марганца используется в качестве катода. Эти батарейки имеют более высокую устойчивость к перенапряжению и больший срок службы. А еще марганец дешевле колбальта. Марганец может растворяться в электролите во время зарядки и разрядки, сокращая срок службы.

Литий-железо-фосфатные (LFP)
Железо-фосфат используется в качестве катода. Преимущества этих аккумуляторов ― их структура не разрушается даже при нагревании, они безопасны и стоят дешевле, чем марганцевые литий-ионные аккумуляторы. Однако их напряжение ниже, чем у других литий-ионных батарей.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC)
Из названия понятно: они сочетают в себе разные материалы, а поэтому имеют хорошую компромиссную характеристику между ёмкостью и сроком службы. В основном они питают электрокары, ведь их емкость больше, чем в LFP-батареях. Поэтому они требуют меньше места и везут дольше. Но у NMC-батарей относительно небольшой срок работы.

Использование кобальта, никеля и марганца все еще связано с определенными трудностями, такими как сложность синтеза каждого материала и низкая стабильность.

Насколько безопасны li-ion

Литий-ионные аккумуляторы, которые хранят энергию с высокой плотностью на единицу объема, требуют больше внимания к безопасности, чем другие типы батарей. Кроме того, поскольку они используют легковоспламеняющийся органический растворитель, с ними нужно обращаться осторожнее, чем с другими батареями на водном растворе.

Самое важное, чего следует избегать, ― внутреннего короткого замыкания. Это состояние, которое возникает, когда сила, приложенная извне, деформирует батарею, в результате чего катод и анод соединяются. Когда ток концентрируется на этом соединении, температура повышается, и батарея загорается. Даже малейшие примеси могут вызвать внутреннее короткое замыкание, загрязнив внутреннюю часть аккумулятора. Поэтому важно иметь функцию предотвращения несчастных случаев, такую как обеспечение защитного контура, чтобы в батарее не протекал чрезмерный ток.

Кроме того, важно контролировать температуру самого аккумулятора, например, с помощью охлаждающего устройства, чтобы поддерживать температуру в среде использования аккумулятора не выше 60°C. Для повышения безопасности были разработаны различные методы, например, сепаратор, мембрана, которая отделяет катод от анода, полностью перекрывает пространство между ними, когда температура поднимается выше определенного уровня.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

• Меньше по размеру и мощнее, чем другие батарейки. Сравнивая характеристики разных типов батарей при одинаковых размерах, максимальное напряжение, которое они могут выдавать, составляет 2,1 В для свинцово-кислотных батарей, 1,2 В для никель-металл-гидридных батарей и 1,25 В для никель-кадмиевых батарей. Литий-ионные батареи могут выдавать напряжение от 3,2 до 3,7 В.
• Выдерживают многократную зарядку и разрядку. Li-ion не используют химические реакции, как другие вторичные аккумуляторы, для производства электроэнергии. Их электроды меньше разрушаются, что позволяет им хорошо выдерживать многократную зарядку и разрядку.
• Могут быстро заряжаться. Главная особенность литий-ионных аккумуляторов ― их можно быстро заряжать. Зарядное устройство само определяет, когда зарядка закончена.
• Поддерживают беспроводную зарядку. Беспроводная зарядка, или зарядка без зарядного кабеля, также возможна для вторичных аккумуляторов, кроме литий-ионных, так же как и быстрая зарядка. Однако, поскольку технология беспроводной зарядки была создана в 2007 году, что делает ее относительно новой, она была принята для литий-ионных аккумуляторов, которые, как и ожидалось, получили широкое распространение. Сейчас проводятся исследования системы, которая позволит в будущем заряжать электромобили, просто припарковав их на стоянке.
• Устойчивые к естественному разряду (саморазряду). Саморазряд ― естественный разряд батареи, даже когда она не используется. Например, когда вы хотите завести двигатель автомобиля, на котором не ездили больше месяца, вы не сможете повернуть стартер из-за низкого напряжения.

Это так называемое состояние «разряженного аккумулятора» вызвано саморазрядом. Он происходит, когда химическая реакция постепенно протекает, даже если аккумулятор просто находится в неактивном состоянии. Вот почему литий-ионные аккумуляторы, в которых реакция несколько отличается от реакции, которая происходит в других вторичных батареях, почти не саморазряжаются.

Кстати, в случае со смартфонами и ПК, оснащенными литий-ионными аккумуляторами, батарея может разряжаться даже тогда, когда устройство не используется. В этом случае это связано с тем, что устройство не полностью выключено и потребляет небольшое количество электроэнергии, даже когда экран выключен.

Использование литий-ионных батарей в повседневной жизни

Смартфоны, компьютеры и цифровые камеры стали меньше, легче и долговечнее после того, как в них начали использовать литий-ионные батареи.

Электромобили изначально оснащались никель-металл-гидридными батареями. Однако сейчас их заменили на li-ion из-за мощности и низкого уровня саморазряда.

Литий-ионные аккумуляторы также применяются в небольших бытовых приборах: беспроводных пылесосах и утюгах, транспортных средствах, таких как электровелосипеды и электромотоциклы, а также для хранения электроэнергии, выработанной в течение дня с помощью домашней солнечной электростанции.

Как применяются литий-ионные аккумуляторы в промышленности

В основном для беспроводного управления роботами и дронами, для датчиков интернета вещей, установленных в различных местах, и специальных транспортных средств, таких как подводные лодки и ракеты.

С другой стороны, литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченную плотность энергии, их нельзя использовать там, где требуется большая мощность. Например, они могут использоваться для питания электродвигателей электромобилей, но реализовать самолеты на их основе, пока технологически сложно. Но потенциал lithium-ion battery еще не изучен до конца, поэтому кто знает, что там будет в будущем.

Toyota Motor Corp. планирует выпустить электромобиль, работающий от полностью твердотельного аккумулятора, уже в 2027 году

Есть ли замена li-ion

Одна из альтернатив ― натрий-ионные батареи (Na-ion). Однако у них меньшая энергоемкость. То есть при условии, что они будут таких же размеров, что и их литий-ионные аналоги, то тогда и электрокар меньше проедет, и телефон быстрее разрядится.

Твердотельные. В них вместо жидких или полимерных гелевых электролитов используют твердые электроды и твердый электролит. Они более устойчивы к колебанию температур, а потому более безопасны, еще и с более высокой плотностью энергии. Но пока значительно дороже в производстве. Хотя уже есть компании, которые считают, что будущее именно за твердотельной батареей.

Например, Honda. На 2024 год она анонсировала выпуск электрического кроссовера Honda Prologue именно с таким типом батареи. Ожидается, что на одном заряде он сможет проехать почти 500 км.

В то же время Toyota обещает электромобили на твердотельных батареях с запасом хода до 1200 км и скоростью зарядки до 10 минут. Правда, их представят только в 2027 году.

Еще одна альтернатива ― водородные топливные элементы. В таких батареях водород используется как топливо, а кислород, обычно из воздуха, как окислитель. В результате, химическая энергия преобразуется в электрическую. Один из главных недостатков такой технологии ― отсутствие необходимой инфраструктуры, то есть АЗС.

Другое перспективное направление ― графеновые батареи. Графен открыли в 2004 году. Это двумерный материал, одна из аллотропных форм углерода. Он имеет много хороших характеристик и является прекрасным проводником электрического тока, мало весит и имеет прочную физическую структуру.

В 2021 году китайская компания GAC заявила, что она создала графеновые аккумуляторы, которые всего за 8 минут способны зарядиться на 85%. Но графен тоже очень дорогой, поэтому его коммерческое и массовое использование пока остаются лишь фантазиями.

Ранее мы рассказывали, какими будут авто будущего и какие технологии в них используются.