В последние десятилетия литиевые аккумуляторы уверенно вытесняют все другие типы элементов питания, а в некоторых областях они уже давно на первом месте. Но, оказывается, литиевые источники тока тоже бывают разными. Вот лишь некоторые из них:
- Литий-полимерные (Li-pol)
- Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)
- Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (LiNiMnCoO2, Li-NMC)
- Литий-титанатные (LiTi5O12, LTO)
Рассмотрим особенности каждого типа.
Литий-ионные
Общее название типа аккумулятора. В качестве анода в таких элементах используется графит (кроме нанопроводникового и титанатного), анодный материал – то или иное соединение лития. Главная отличительная особенность литиевых аккумуляторов – очень высокое соотношение электрическая емкость/габариты по сравнению с аккумуляторами других типов.
Кроме того литий-ионные аккумуляторы не имеют эффекта памяти, могут заряжаться большими токами, имеют очень низкий саморазряд и могут работать в достаточно широком температурном диапазоне. К недостаткам аккумуляторов этого типа можно отнести то, что элементы не терпят перезаряда и глубокого разряда.
В первом случае батарея может загореться и даже взорваться, во втором катастрофически деградирует (теряет емкость) и очень быстро выходит из строя. Чтобы не допустить подобного практически все литий-ионные аккумуляторы оснащаются специальными контроллерами BMS (см. ниже), которые следят за состоянием элемента и не допускают их критического состояния.
Литий-ионные аккумуляторы и батареи независимо от их разновидности выпускаются в разных форм-факторах и могут иметь различные напряжения и емкость. Все мы привыкли к маленьким литий-ионным аккумуляторам, используемым в смартфонах планшетах, ноутбуках и прочих гаджетах, но не все знают, что аккумуляторы этого типа могут иметь приличные размеры, соизмеримые с размерами автомобильных АКБ. Крупногабаритный аккумулятор можно встретить, к примеру, в автотранспорте.
Литий-полимерные
Все тот же литий-ионный аккумулятор, но в качестве электролита в нем используется полимерный материал. Это несколько увеличивает емкость элемента без изменения массогабаритных показателей, а также улучшает некоторые другие характеристики – увеличивает количество циклов заряд/разряд, уменьшает саморазряд, позволяет создавать очень тонкие (до 1 мм) элементы питания.
Литий-полимерный единичный аккумулятор в герметичном мягком корпусе для мобильных устройств
Есть у Li-pol и недостатки. Основной из них – в повышенная пожаро- и взрывоопасность при повреждении и перегреве.
Литий-железо-фосфатные
Этот тип элемента имеет катод из феррофосфата лития. Главное преимущество элементов – низкая стоимость и меньшая по сравнению с другими типами литиевых батарей токсичность. Кроме того, LiFePO4 обеспечивает более длительный срок службы (здесь и далее – по сравнению с другими разновидностями Li-ion) и имеют стабильное напряжение разряда – примерно 3.2 В до практически полного исчерпания энергии.
Литий-железо-фосфатный аккумулятор в цилиндрическом корпусе
Литий-железо-фосфатные батареи отличают высокий пиковый ток, высокая термическая стабильность, а значит, безопасность. Ну и немаловажный показатель — возможность использования при низких (до -60 градусов Цельсия) температурах.
К недостаткам можно отнести примерно на 14% меньшую, чем у батарей с другим типом катода емкость и невозможность быстрой зарядки.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные
В элементах этого типа используется сложносоставной анод, основанный на никеле, марганце и кобальте. Отличительная особенность Li-NMC возможность быстрой зарядки (до 1С) и разрядки током до 10 С. Большое (до 1 500 — 2 000 при правильной эксплуатации) количество циклов заряд/разряд. Для сравнения этот показатель у Li-pol обычно не превышает 800-900. Малый самонагрев обеспечивает повышенную пожаро- и взрывобезопасность. Энергоемкость аккумуляторов этого типа можно назвать хорошей.
Li-NMC батарея 12 В 15 А-ч
К недостаткам отнесем достаточно высокую стоимость и токсичность.
Литий-титанатные
В LTO элементе вместо графита в качестве анода используется титанат лития в нанокристаллах. Графит тоже используется, но уже в аноде. Титанатные батареи быстро заряжаются (ток 1С) и могут отдавать в нагрузку ток до 10С и даже 30С в импульсе до 5 с. Количество циклов заряд/разряд рекордное – до 7 000. Литий-титанатные батареи на сегодняшний день являются самыми безопасными в плане возгорания и взрыва.
Литий-титанатный единичный аккумулятор
Недостатком LTO является их низкая энергоемкость – всего 65 Вт-ч/кг, кроме того, элементы этого типа достаточно дорогие.
Контроллер BMS
Как указывалось выше, литий-ионные аккумуляторы не терпят перезаряда и глубокого разряда, поэтому практически всегда оснащаются платами BSM, следящими за режимом работы элемента. При почти полном разряде контроллер отключает нагрузку, при полном заряде отключают ЗУ. Дополнительно BMS контролируют разрядный и разрядный токи и температуру аккумулятора. Для батарей такие контроллеры дополнительно оснащаются системой балансировки, обеспечивающей контроль состояния единичных элементов АКБ.
BMS плата с балансиром для LiFePO4 батареи 48 В/100 А
Поскольку элементы с катодами разных типов имеют различные зарядно/разрядные характеристики, они должны эксплуатироваться только с контроллерами, предназначенными для конкретно их типа.
Вышеперечисленные виды литиевых аккумуляторов, конечно, не являются полным перечнем. На самом деле на сегодняшний день их, различающихся материалами и характеристиками, более десятка. Тем не менее, даже такой скромный перечень позволяет оценить возможности современных литий-ионных перезаряжаемых элементов.