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 citate 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 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 -
Baterii litiu-ion, Varta , muzeu AudioVision , Altlussheim , Germania
Celulă cilindrică tip 18650 înainte de închidere

L „baterie litiu-ion este un tip de baterie reîncărcabilă , utilizate în mod obișnuit pentru electronice portabile, pentru vehiculele electrice, în aplicații industriale, piețe militare și aerospațiale. Invenția se datorează progreselor semnificative realizate în domeniu încă din anii șaptezeci și optzeci de John Goodenough , Robert Huggins, Stanley Whittingham, Rachid Yazami și Akira Yoshino , progresul realizat în 1991 a făcut posibilă comercializarea de către Sony și Asahi Kasei a acestui tip de baterie. . Goodenough, Whittingham și Yoshino au primit în 2019 Premiul Nobel pentru chimie pentru dezvoltarea de baterii litiu-ion. [6]

Bateria litiu-ion , folosind 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 slaba [7] și autodescărcare scăzută; 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 1970 de chimistul britanicM. Stanley Whittingham în timp ce lucrează la Exxon . [9] încă douăzeci de ani de dezvoltare au fost necesare înainte de a fi fost suficient de sigur pentru a fi utilizate în piața de masă; prima versiune comercială a fost creat de Sony în 1991 , în urma unei căutări de o echipa condusa de John B. Goodenough .

În februarie perioada 2005 Altair Nanotehnologie [10] , o companie americană situată în Reno (Nevada) , a anunțat un material de electrod baterie pentru dimensiuni litiu nanoscopic. 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 va fi utilizat în principal în zonele industriale sau în Trucking [11] .

În noiembrie 2005, a123systems a anunțat [12] o baterie nouă chiar mai puternic și mai rapid reîncărcabile [13] pe baza unei căutări 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 înregistrate de super - condensator . 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 de la MIT a anunțat că a găsit o modalitate de a utiliza viruși în sârmă forma nanoscopic , care pot fi folosite pentru a construi baterii pentru baterie ultra subțire litiu-ion cu de trei ori densitatea de energie normală [17] .

În iunie 2006, cercetătorii din Franța au creat o baterie de electrozi în nanostructuri cu valoare capacitate de mai multe ori capacitatea de energie, greutatea și volumul de electrozi convenționale [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 paleativ la problema exploziei bateriei a fost prezentată de la Apple , care a prezentat o diagramă a unui acumulator prevăzut cu o acoperire prevăzută cu carcasa de buzunare și puncte slabe pentru evacuarea vaporilor produși în timpul scurt circuit [20] .

Descriere

Acumulatorii de ioni la litiu pot fi construite într - o gamă largă de forme și dimensiuni, astfel încât să umple eficient spațiile disponibile în dispozitivele pe 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, mobile și depozitabile mai repede decât cele ale hidrogenului ; De asemenea , o baterie pe baza de litiu este mai mică decât o cu elemente de hidrogen (cum ar fi , de exemplu , bateriile NiMH ) și cu mai puține gaze volatile.

Aceste acumulatoare au un biet efect de memorie , [7] , de asemenea , o rată scăzută de auto-descărcare, de aproximativ 5% pe lună decât mai mult de 30% din comun lunar [21] hidrură de metal nichel (NiMH) și 20% lunar decât de baterii nichel-cadmiu , dar , ca și alte tipuri de baterii suferă de o pierdere permanentă lentă a capacității. [22]

Curent maxim și descărcare

Curentul maxim care poate fi trasă în mod continuu dintr - o baterie litiu-ion depinde atât de capacitatea , atât pe tipul de sarcină. 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 a unei baterii litiu-ion de elementul nu ar trebui să fie descărcată sub o anumită tensiune, în consecință , toate sistemele pe care le utilizează sunt echipate cu un circuit de care se oprește dispozitivul atunci când bateria este descărcată sub pragul predefinit; [22] ar trebui , prin urmare , să fie imposibil să se descarce „profund“ , bateria într - un sistem proiectat pentru a funcționa în mod corespunzător 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 „descărcare automată” este în general declarat de producători și este de obicei 1,5-2% pe lună , plus aproximativ 3% absorbit de circuitul de siguranță. Rata crește Autodescărcare cu creșterea temperaturii, [23] cu starea de încărcare și cu îmbătrânirea bateriei.

Durata de viata a bateriei

Durata medie de viata a unei baterii litiu-ion este definit în general cu numărul de cicluri de încărcare-descărcare de a atinge un prag de eroare specificat, în ceea ce privește pierderea capacității sau creșterea impedanță . 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: 150-200 W · h / kg (540-720) kJ / kg)
  • Densitatea volumetrică a energiei: de la 250 la 530 W h / L (900 la 1900 J / cm³)
  • Densitatea de putere specifică: 300-1500 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 că dincolo de 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 în amperi-oră de baterie și curentul furnizat de la încărcător, care , în orice caz , nu trebuie să depășească 1/10 din vârf poate fi alimentat de la curentul bateriei.

Ioni Elementele de litiu folosind următoarele materiale: l „ anod se face cu carbon , catod este un oxid metalic și l“ electrolit 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 pentru operarea bateriilor bateria litiu-ion este l ' «interfață electrolit solid» (SEI). Electroliții lichizi electroliți litiu - ion constau din săruri de litiu, cum ar fi hexafluorfosfat (LiPF 6), tetrafluoroborat (LiBF 4), sau perclorat (LiClO 4) și solvenți organici, cum ar fi eterul. 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 solidă electrolitică 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 relativ cu o descompune tensiune ridicată și formează o interfață puternică și stabilă; această interfață se numește SEI.

A se vedea , trioxid de uraniu pentru detalii cu privire la modul de a lucra catod. 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; după 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. Amintesc de mai mult de zece milioane de baterii utilizate în laptop - uri Asus , Dell , Apple a , Lenovo / IBM , Panasonic , Toshiba , Hitachi , Fujitsu și Sharp de la Sony la mijlocul anului 2006 a fost o consecință a contaminării interne cu particule de metal. În anumite circumstanțe, aceste particule pot străpunge separatorul, scurtcircuitarea bateriei și rapid prin conversia toată energia 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 rechemat aproximativ un milion de baterii utilizate în telefoanele [28] . În decembrie 2009, Dell a retras aproximativ 22.000 de baterii de pe piața SUA.

Kuzhikalail M. Abraham, un consultant baterie cu litiu la E-Kem Sciences, spune împinge industria de calculatoare la creșterea capacității bateriei poate testa limitele componentelor sensibile, cum ar fi membrana de separare, film de polietilenă, sau polipropilenă numai 20-25 pm grosime. 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 principal pentru mașini electrice și alte aplicații care necesită o capacitate mare și în cazul în care problemele de securitate sunt mai critice. [29]

Notă

  1. ^ (EN) Litiu-Ion , pe panasonic.com (depusă de către „URL - ul original 13 aprilie 2010).
  2. ^ (EN) Panasonic dezvolta noi capacitate mai mare 18650 Li-Ion celule; Aplicarea Silicon pe bază de aliaj în anodic , greencarcongress.com la data de 25 decembrie 2009. 13 Adus luna februarie, anul 2020.
  3. ^ (EN) NCR18650B (PDF) pe na.industrial.panasonic.com (depusă de către „URL - ul original 17 august 2018).
  4. ^ (EN) 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- in timp ce-piață medie-sta-la-137-kwh / - Adus pe 9 februarie 2021 .
  6. ^ (RO) Premiul Nobel pentru Chimie în 2019 , pe nobelprize.org. Adus pe 10 octombrie 2019 .
  7. ^ A b (RO) Leonid Leiva, Paul Scherrer Institutul, un efect de memorie acum , de asemenea găsit în baterii litiu-ion , pe phys.org, 15 aprilie 2013. Accesat la data de 10 octombrie 2019.
  8. ^ (RO) Alain Mauger, CM Julien, comentarii critice pe baterii litiu-ion: sunt ele sigure? Durabil? (PDF), Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 28 iunie 2017, DOI : 10.1007 / s11581-017-2177-8 . Adus pe 10 octombrie 2019 .
  9. ^ (EN) electric de stocare de energie și de intercalare Chimie , la ui.adsabs.harvard.edu, iunie 1976. Adus 13 februarie 2020.
  10. ^(EN) Site - ul Altair nanotehnologie Filed pe 24 octombrie 2006 Internet Arhiva .
  11. ^ (JA) De pe site - ul Toshiba
  12. ^(EN) Comunicat de presă de la site - ul a123systems Filed pe 04 octombrie 2006 în Arhiva pe Internet .
  13. ^(RO) Proceedings of Green Car Congress 2009
  14. ^(EN) De la Hybrids-plus.com Filed la 03 noiembrie 2006 în Arhiva pe Internet .
  15. ^(EN) scule electrice DeWalt
  16. ^(EN) Hibrizii Plus
  17. ^(EN) revista Science
  18. ^(RO) Articolul de Tehnologie Review.com
  19. ^ Baterii explodează, coșmarul terminat cu Stoba , pe tomshw.it. Adus de 10 aprilie 2012 (depusă de „URL - ul original , 18 iunie 2014).
  20. ^ Apple are un brevet pentru o baterie care nu explodează pe gizmodo.it. Adus de 10 aprilie 2012 (depusă de „URL - ul original , 18 septembrie 2011).
  21. ^ Din 2005, Sanyo (și ulterior alte companii) produce o autodescărcare redusă NiMH baterie tip, revendicarile producătorului ca aceste celule retine 70-85% din capacitatea lor într - un an când este depozitată la 20 ° C
  22. ^ A b (RO) Specificații de litiu-ion (PDF) pe gpbatteries.com, 29 octombrie 2006 (depusă de „URL - ul original 29 octombrie 2006).
  23. ^ (RO) anormală de auto-descărcare în baterii litiu-ion , pe pubs.rsc.org aprilie 2018. Adus de 14 februarie 2020.
  24. ^ (RO) Modelul ciclu de viață pentru celulele de grafit-LiFePO4 pe sciencedirect.com, 15 aprilie 2011. Adus de 13 februarie 2020.
  25. ^ (EN) Declasare Linii directoare pentru baterii litiu-ion , mdpi.com la data de 26 noiembrie 2018. Adus de 13 februarie 2020.
  26. ^(RO) Articolul din E-one.com site - ul Filed 11 martie 2007 Internet Arhiva .
  27. ^(RO) Articolul din The Inquirer Filed 05 iulie 2006 în Arhiva pe Internet .
  28. ^ Tullo, Alex. „Dell reamintește bateriile cu litiu.” Știri chimice și inginerești 21 august 2006: 11
  29. ^ (RO) Siguranța Ultima , pe nytimes.com.

Elemente conexe

Alte proiecte

Controlul autorității Thesaurus BNCF 58566 · GND (DE) 7681721-0 · NDL (RO, JA) 01090550
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Accumulatore_agli_ioni_di_litio&oldid=122094273 “