Baterie litiu-ion

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Fără surse!
Această intrare sau secțiune pe tema energiei nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți .
Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citări din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor .
Baterie litiu-ion
Specificațiile acumulatorului
Energie / greutate 100-265 Wh / kg [1] [2]
Energie / volum 250-639 Wh / L [3] [4]
Puterea / greutatea de la ~ 250 la ~ 340 W / kg
Eficiența încărcării / descărcării 80% -90%
Energie / preț de la 7 la 10 Wh / US $ [5]
Viteza de auto-descărcare de la 0,35% la 2,5% pe lună, în funcție de starea de încărcare (circuit de siguranță exclus)
Durata de viață
Cicluri de viață 400-1200 cicluri
Tensiunea nominală a celulei 3,6 / 3,7 / 3,8 / 3,85 V , LiFePO4 3,2 V
Temperaturi de încărcare -
Baterie litiu-ion, Varta , Museum Autovision , Altlußheim , Germania
Celulă cilindrică tip 18650 înainte de închidere

Bateria litiu-ion este un tip de baterie reîncărcabilă , utilizată în mod obișnuit pentru electronice portabile, pentru vehicule electrice, în aplicații industriale, militare și aerospațiale. Invenția se datorează progreselor importante din domeniu realizate încă din anii șaptezeci și optzeci de John Goodenough , Robert Huggins, Stanley Whittingham, Rachid Yazami și Akira Yoshino , avansuri care în 1991 au permis Sony și Asahi Kasei să comercializeze acest tip de baterie. Goodenough, Whittingham și Yoshino au primit Premiul Nobel pentru chimie pentru dezvoltarea bateriilor litiu-ion în 2019. [6]

Bateriile litiu-ion folosesc un compus de litiu pe catod și grafit sau titanat de litiu pe anod . Aceste baterii au o densitate mare de energie, un efect de memorie slab [7] și auto-descărcare redusă; cu toate acestea, pot prezenta un pericol pentru siguranță deoarece conțin un electrolit inflamabil și dacă sunt deteriorate sau încărcate incorect pot provoca explozii și incendii. [8]

Istorie

Bateria litiu-ion a fost propusă în anii 1970 de către chimistul britanicM. Stanley Whittingham în timp ce lucra la Exxon . [9] A fost nevoie de încă douăzeci de ani de dezvoltare până când a fost suficient de sigur pentru a fi folosit în masă pe piață; prima versiune comercială a fost creată de Sony în 1991 , în urma unei cercetări efectuate de o echipă condusă de John B. Goodenough .

În februarie 2005 , Altair NanoTechnology [10] , o companie americană cu sediul în Reno, Nevada , a anunțat un material pentru electrozi cu baterii litiu de dimensiuni nano. Bateria prototip are de trei ori puterea bateriilor actuale și poate fi reîncărcată complet în șase minute.

În martie 2005, Toshiba a anunțat o altă baterie cu litiu cu încărcare rapidă, bazată pe o nouă tehnologie nanomaterială, care asigură o încărcare chiar mai rapidă, o capacitate mai mare și un ciclu de viață mai lung. Bateria poate fi utilizată în principal în sectoarele industriale sau în camioane [11] .

În noiembrie 2005, A123Systems a anunțat [12] o baterie reîncărcabilă și mai puternică și mai rapidă [13] pe baza cercetărilor autorizate de MIT. Prima lor baterie [14] este în producție (2006) și este utilizată în scule electrice [15] și Hybrids Plus [16] Prius PHEV (deși conversia costă mai mult decât prețul mașinii, în principal datorită costului bateriilor ).

Toate aceste formulări implică electrozi noi. Prin creșterea zonei eficiente a electrodului - scăderea rezistenței interne a bateriei - curentul poate fi crescut atât în ​​timpul utilizării, cât și în timpul încărcării. Acest lucru este similar cu evoluțiile obținute cu supercondensatorul . În consecință, bateria este capabilă să dezvolte mai multă putere (în wați); cu toate acestea, capacitatea bateriei (amp oră) a crescut doar ușor.

În aprilie 2006, un grup de oameni de știință MIT au anunțat că au găsit o modalitate de a utiliza viruși pentru a forma cabluri nanoscopice care pot fi utilizate pentru a construi baterii ultra-subțiri litiu-ion cu o densitate de energie de trei ori mai mare decât cea normală [17] .

În iunie 2006, cercetătorii din Franța au creat electrozi de baterii în nanostructuri cu capacități care se ridică de câteva ori la capacitatea de energie, în greutate și volum, a electrozilor convenționali [18] .

În 2009, noul Mercedes-Benz S 400 BlueHYBRID a văzut introducerea integrată a bateriilor litiu-ion în circuitul de aer condiționat al mașinii, cu avantajul de a funcționa întotdeauna bateria la o temperatură optimă (15-35 ° C) și de a crește durata și eficiența de funcționare. Daimler, producătorul mașinii în cauză, se află, de asemenea, într-un stadiu avansat de realizare a unui tip special de celulă plană pentru a găzdui bateria care oferă densitate ridicată de energie într-o amprentă mică și cu niveluri ridicate de siguranță.

La sfârșitul anului 2009 a fost prezentată o soluție pentru rezolvarea problemei exploziei uneia dintre aceste baterii scurtcircuitate, implică introducerea reactivilor care blochează reacția chimică dacă bateria atinge 130 ° C, evitând în mod eficient explozia. [19] .

O altă soluție posibilă sau paliativă la problema exploziei bateriei a fost prezentată de Apple , care prezenta o schemă a unei baterii echipată cu o carcasă cu buzunare și puncte slabe pentru evacuarea vaporilor produși în timpul scurtcircuitului. [20] .

Descriere

Acumulatoarele litiu-ion pot fi construite într-o gamă largă de forme și dimensiuni, pentru a umple eficient spațiile disponibile în dispozitivele care le utilizează. De asemenea, sunt mai ușori decât echivalenții fabricați cu alte componente chimice, deoarece ionii de litiu au o densitate de încărcare foarte mare, cea mai mare dintre toți ionii naturali. Ionii de litiu sunt mici, mobili și pot fi depozitați mai repede decât ionii de hidrogen ; în plus, o baterie pe bază de litiu este mai mică decât una cu elemente de hidrogen (cum ar fi bateriile NiMH ) și cu mai puține gaze volatile.

Acești acumulatori au un efect de memorie slab, [7] au, de asemenea, o rată de auto-descărcare scăzută, aproximativ 5% pe lună decât peste 30% din bateriile lunare comune [21] de hidrură metalică nichel (NiMH) și 20% lunar decât bateriile nichel-cadmiu , dar la fel ca alte tipuri de baterii suferă de o pierdere lentă permanentă a capacității. [22]

Curent maxim și descărcare

Curentul maxim care poate fi extras continuu dintr-o baterie litiu-ion depinde atât de capacitate, cât și de tipul de încărcare. De exemplu, în dispozitivele în care sunt necesari curenți mari, în loc să prezinte o scădere treptată a duratei de utilizare a dispozitivului, bateriile litiu-ion pot înceta să funcționeze brusc; dimpotrivă, dispozitivele care necesită consum redus de energie pot profita în general de întregul ciclu de viață al bateriei.

Pentru a evita deteriorarea ireversibilă, un element litiu-ion nu trebuie descărcat niciodată sub o anumită tensiune, prin urmare toate sistemele care îl utilizează sunt echipate cu un circuit care oprește dispozitivul atunci când bateria este descărcată sub pragul predefinit; [22] Prin urmare, ar trebui să fie imposibil să descărcați „profund” bateria într-un sistem conceput să funcționeze corect în timpul utilizării normale.

Auto-descărcare

Bateriile reîncărcabile litiu-ion, precum și alte tipuri de baterii reîncărcabile, se descarcă treptat chiar dacă nu furnizează curent și rămân neutilizate, acest comportament de „auto-descărcare” este în general declarat de producători și este de obicei 1,5-2% pe lună , plus aproximativ 3% absorbit de circuitul de siguranță. Rata de auto-descărcare crește pe măsură ce temperatura crește, [23] odată cu starea de încărcare și pe măsură ce bateria îmbătrânește.

Durata de viata a bateriei

Durata medie de viață a unei baterii litiu-ion este, în general, definită ca numărul de cicluri complete de încărcare-descărcare pentru a atinge un anumit prag de defecțiune, în termeni de pierdere a capacității sau creșterea impedanței . În general, producătorii definesc numărul maxim de cicluri de încărcare-descărcare care pot aduce bateria la 80% din capacitatea nominală; în plus, acumulatorul prezintă o deteriorare progresivă chiar dacă nu este utilizat, prin urmare producătorul în definirea duratei medii de viață a produsului evaluează și perioada de depozitare pasivă. Degradarea bateriei în timpul depozitării este, de asemenea, afectată de temperatura și starea de încărcare a bateriei; combinația de încărcare completă (stare de încărcare 100%) și o temperatură ridicată (peste 50 ° C) poate provoca o scădere bruscă a capacității și a producției de gaz.

Durata de viață a acumulatorului este influențată de mulți factori, inclusiv temperatura, curentul de descărcare, curentul de încărcare și starea de încărcare (adâncimea de descărcare). În aplicațiile din lumea reală, cum ar fi smartphone-urile, laptopurile și mașinile electrice, bateriile nu sunt niciodată complet încărcate sau descărcate, astfel încât definirea duratei de viață a bateriei prin cicluri complete de descărcare poate fi înșelătoare. Pentru a evita această confuzie, cercetătorii folosesc uneori definiția „descărcării cumulative”, [24] definită ca cantitatea totală de încărcare (în Ah ) livrată de baterie pe parcursul întregii sale durate de viață sau cicluri echivalente care reprezintă suma ciclurilor ” parțial "ca fracții ale unui ciclu complet de încărcare-descărcare. [25]

Specificații și design

  • Densitatea specifică a energiei: 150 până la 200 W h / kg (540 la 720) kJ / kg)
  • Densitatea volumetrică a energiei: de la 250 la 530 W h / L (900 la 1900 J / cm³)
  • Densitate de putere specifică: 300 până la 1500 W / kg (@ 20 secunde [26] și 285 W h / L)

Reacția chimică tipică a bateriei litiu-ion este următoarea:

Bateriile litiu-ion au o tensiune nominală de 3,6 ~ 3,7 V , care este valoarea medie între tensiunea la încărcare completă (4,2 V) și cea peste care nu ar trebui să scadă (3,0 ~ 3,2 V). Încărcarea se face la tensiune constantă cu limitarea curentului. Aceasta înseamnă că încărcarea are loc la curent constant până când elementul atinge aproape tensiunea de 4,2 V (pentru siguranță, este de obicei câteva zeci de milivolți sub această valoare), după care continuă la o tensiune constantă până când curentul devine zero. sau cam așa (de obicei, încărcarea se termină la 3% din curentul de încărcare inițial). Timpul de încărcare depinde de capacitatea bateriei în amperi-ore și de curentul furnizat de încărcătorul de baterie, care în orice caz nu trebuie să depășească 1/10 din curentul de vârf care poate fi furnizat de baterie.

Elementele ion litiu utilizează următoarele materiale: anodul este realizat din carbon , catodul este un oxid de metal și electrolitul este o sare de litiu în solvent organic . Deoarece în condiții de încărcare anormale ar putea fi produs litiu metalic, care este foarte reactiv și poate dezvolta hidrogen în contact cu umezeala și astfel poate provoca explozii, elementele litiu-ion au de obicei circuite electronice de protecție încorporate pentru a evita inversarea polarității. Supratensiuni și supraîncălzire.

Interfață solidă de electroliți

Un element deosebit de important în funcționarea bateriilor litiu- ion este „interfața solidă a electroliților” (SEI). Electroliții lichizi din bateriile litiu-ion constau din electroliți de sare de litiu, cum ar fi hexafluorofosfat (LiPF 6 ), tetrafluoborat (LiBF 4 ) sau perclorat (LiClO 4 ) și solvenți organici, cum ar fi eter. Un electrolit lichid conduce ioni de litiu și astfel permite transportul sarcinilor între catod și anod atunci când bateria trece un curent electric printr-un circuit extern. Cu toate acestea, electroliții lichizi și solvenții organici se descompun cu ușurință pe anodi în timpul încărcării, împiedicând funcționarea în continuare a bateriei. Pe de altă parte, dacă se utilizează solvenți organici corespunzători, electroliții se descompun și formează o interfață electrolitică solidă la prima încărcare, izolatoare electric, dar foarte conductivă pentru ionii de litiu. Interfața previne defectarea electroliților în timpul reumplerilor ulterioare. De exemplu, carbonatul de etilenă se descompune la o tensiune relativ ridicată și formează o interfață puternică și stabilă; această interfață se numește SEI.

Consultați trioxidul de uraniu pentru detalii despre modul în care funcționează catodul. În timp ce oxizii de uraniu nu sunt utilizați în bateriile comerciale, modul în care oxizii de uraniu pot introduce cationi în mod reversibil este același ca în multe celule cu ioni de litiu.

Temperatura de depozitare și încărcare

Bateriile litiu-ion trebuie depozitate la temperatura și încărcarea corecte pentru a-și menține capacitatea de încărcare. Pentru unele tipuri de baterii cu litiu poate fi necesar să se evite stocarea lor complet încărcată; de exemplu, o baterie stocată la 50% încărcată poate dura mai mult decât una stocată la 100%. În schimb, dacă o baterie litiu-ion este stocată cu o încărcare redusă, există riscul de a permite încărcării reziduale să scadă sub pragul minim, făcând bateria irecuperabilă; odată ce încărcarea a scăzut sub acest nivel, reîncărcarea poate fi imposibilă, deoarece circuitul intern de siguranță al dispozitivului va împiedica reîncărcarea.

Probleme de siguranta

Exemplu de baterie litiu-ion expandată conținută de carcasa de izolare

Bateriile litiu-ion se pot rupe, prinde foc sau exploda atunci când sunt expuse la temperaturi ridicate sau la lumina directă a soarelui. Nu trebuie ținute într-o mașină în perioada fierbinte. Scurtcircuitul unei baterii cu litiu poate provoca incendii și explozii.

Recipientul unei baterii litiu-ion nu trebuie deschis niciodată din niciun motiv. Acestea conțin dispozitive de siguranță: dacă sunt deteriorate, pot provoca aprinderea sau explozia bateriei. Aceste dispozitive de siguranță pot fi uneori ineficiente, de exemplu dacă există contaminanți în interiorul celulelor individuale. Retragerea a peste zece milioane de baterii utilizate pe laptopurile Asus , Dell , Apple , Lenovo / IBM , Panasonic , Toshiba , Hitachi , Fujitsu și Sharp de către Sony la mijlocul anului 2006 a fost o consecință a contaminării interne de către particulele de metal. În anumite circumstanțe, aceste particule pot străpunge separatorul, scurtcircuitând bateria și transformând rapid toată energia sa în căldură [27] . Reamintirea bateriei laptopului de la mijlocul anului 2006 Dell nu a fost prima, ci doar cea mai mare. De atunci au existat numeroase rechemări de baterii litiu-ion în telefoane mobile și laptopuri din cauza problemelor de supraîncălzire. În 2004, Kyocera Wireless a reamintit aproximativ un milion de baterii utilizate în telefoane [28] . În decembrie 2009, Dell a retras aproximativ 22.000 de baterii de pe piața SUA.

Kuzhikalail M. Abraham, consultant în domeniul bateriilor cu litiu la E-Kem Sciences, spune că presiunea industriei de calculatoare pentru a crește capacitatea bateriei poate testa limitele componentelor sensibile, cum ar fi membrana separatoare, pelicula de polietilenă sau polipropilena cu o grosime de numai 20-25 µm . El subliniază că densitatea energetică a bateriilor litiu-ion s-a dublat de când au fost introduse în 1991. El spune „Pe măsură ce împachetezi bateria cu tot mai mult material, filmul poate experimenta stres”. Este posibil să se înlocuiască oxidul de litiu și catodul de cobalt din bateriile litiu-ion cu catoduri de fosfat litiu metalic, care nu explodează și, de asemenea, are o durată de viață mai mare; aceste baterii mai sigure par destinate în primul rând mașinilor electrice și altor aplicații care au nevoie de capacități mari și în care preocupările de siguranță sunt cele mai critice. [29]

Notă

  1. ^ (EN) Lithium-Ion , pe panasonic.com (depus de „URL original 13 aprilie 2010).
  2. ^ (RO) Panasonic dezvoltă noi celule Li-Ion 18650 cu capacitate superioară; Aplicarea aliajului pe bază de siliciu în anod , pe greencarcongress.com , 25 decembrie 2009. Accesat la 13 februarie 2020 .
  3. ^ ( EN ) NCR18650B ( PDF ), pe na.industrial.panasonic.com (arhivat din original la 17 august 2018) .
  4. ^ (RO) Specificații pentru NCR18650GA (PDF) pe cdn.shopify.com.
  5. ^ (RO) Veronika Henze, about.bnef.com 16 decembrie 2020 https://about.bnef.com/blog/battery-pack-prices-cited-below-100-kwh-for-the-first-time -in -2020-în timp ce-piața-medie-stă-la-137-kwh / . Adus pe 9 februarie 2021 .
  6. ^ (EN) Premiul Nobel pentru chimie în 2019 , pe nobelprize.org. Adus pe 10 octombrie 2019 .
  7. ^ A b (EN) Leonid Leiva, Institutul Paul Scherrer, Efect de memorie acum Găsit și în bateriile litiu-ion , pe phys.org, 15 aprilie 2013. Adus pe 10 octombrie 2019.
  8. ^ (RO) Alain Mauger, CM Julien, Recenzii critice privind bateriile litiu-ion: sunt sigure? Durabil? ( PDF ), Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 28 iunie 2017, DOI : 10.1007 / s11581-017-2177-8 . Adus pe 10 octombrie 2019 .
  9. ^ (EN) Chimia stocării și intercalării energiei electrice , pe ui.adsabs.harvard.edu, iunie 1976. Accesat la 13 februarie 2020.
  10. ^(EN) Site - ul Altair nanotehnologie Filed pe 24 octombrie 2006 Internet Arhiva .
  11. ^ ( JA ) De pe site-ul web Toshiba
  12. ^(EN) Comunicat de presă de la site - ul a123systems Filed pe 04 octombrie 2006 în Arhiva pe Internet .
  13. ^ ( EN ) Proceedings of the Green Car Congress 2009
  14. ^(EN) De la Hybrids-plus.com Filed la 03 noiembrie 2006 în Arhiva pe Internet .
  15. ^(RO) Unelte electrice DeWalt
  16. ^(RO) Hybrids Plus
  17. ^(EN) Revista Științifică
  18. ^(RO) Articol de Technology Review.com
  19. ^ Bateriile explodează, coșmarul sa încheiat cu STOBA , pe tomshw.it . Adus la 10 aprilie 2012 (arhivat din original la 18 iunie 2014) .
  20. ^ Apple prezintă un brevet pentru o baterie care nu explodează , pe gizmodo.it . Adus la 10 aprilie 2012 (arhivat din original la 18 septembrie 2011) .
  21. ^ Din 2005, Sanyo (și mai târziu alte companii) produce o baterie NiMH cu descărcare automată redusă, producătorul susține că aceste celule își păstrează 70-85% din capacitatea lor într-un an, atunci când sunt stocate la 20 ° C
  22. ^ A b (EN) Specificațiile litiu-ionului (PDF) pe gpbatteries.com, 29 octombrie 2006 (depus de „Original url 29 octombrie 2006).
  23. ^ (RO) Auto-descărcare anormală în bateriile litiu-ion , pe pubs.rsc.org, aprilie 2018. Accesat la 14 februarie 2020.
  24. ^ (EN) Modelul ciclului de viață pentru celulele grafit-LiFePO4 de pe sciencedirect.com, 15 aprilie 2011. Accesat la 13 februarie 2020.
  25. ^ (RO) Linii directoare privind descărcarea bateriilor litiu-ion , mdpi.com la 26 noiembrie 2018. Accesat la 13 februarie 2020.
  26. ^(RO) Articolul din E-one.com site - ul Filed 11 martie 2007 Internet Arhiva .
  27. ^(RO) Articol din The Inquirer, depus la 5 iulie 2006 în Internet Archive .
  28. ^ Tullo, Alex. „Dell reamintește bateriile cu litiu.” Știri chimice și inginerești 21 august 2006: 11
  29. ^ (EN) Safety Last , pe nytimes.com.

Elemente conexe

Alte proiecte

Controlul autorității Tezaur BNCF 58566 · GND (DE) 7681721-0 · NDL (EN, JA) 01.09055 milioane
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Accumulator_agli_ioni_di_litio&oldid=122094273 ”