Виды литиевых батареек, их маркировка и применение

Литиевые батарейки стали важной частью нашей жизни, обеспечивая энергией устройства — от мобильных телефонов и ноутбуков до фотоаппаратов и медицинского оборудования. Знание различных типов литиевых батареек, их маркировки и применения поможет пользователям сделать осознанный выбор при покупке и эксплуатации аккумуляторов, а также продлить срок службы устройств. В этой статье мы рассмотрим основные типы литиевых батареек, их характеристики и области применения, что будет полезно как обычным пользователям, так и специалистам в электронике.

Основные особенности

В своё время учёные, стремясь создать электрохимические источники тока с высокой энергетической плотностью, решили отказаться от водного электролита. Исследования проводились в различных направлениях, однако наибольший успех достигнут в разработке литиевых батарей с твёрдыми и органическими электролитами. Эти разработки начались ещё в начале XX века, а активная фаза пришлась на 60-е годы прошлого века. Специалисты предлагали использовать в качестве катодных материалов такие соединения, как MnO2, FeS2, CuO, CFx, I2 (твердофазные) и SO2, SOCl2 (жидкофазные). Более подробную информацию о литиевых аккумуляторах можно найти по указанной ссылке.

Литиевые аккумуляторные элементы в некоторых областях конкурируют с аккумуляторами, использующими водный электролит. Производители электроники выбирают литиевые АКБ, когда требуется стабильное рабочее напряжение и длительная работа. Среди литиевых батарей можно встретить модели, способные выдавать высокий разрядный ток, но это скорее исключение. В основном литиевые аккумуляторы используются в ситуациях, где необходимы низкие и средние разрядные токи.

Одним из ключевых требований безопасности для литиевых батарей является надёжная герметизация. Необходимо полностью исключить возможность утечки электролита и попадания посторонних элементов в аккумулятор. Разгерметизация может привести к возгоранию из-за высокой активности лития. Даже если этого не произойдёт, разгерметизированный аккумулятор становится непригодным для использования. Производство таких АКБ осуществляется в помещениях с контролем влажности и в герметичных боксах с аргоновой атмосферой.

Литиевые аккумуляторные элементы могут иметь дисковую, цилиндрическую или призматическую форму. Размеры, как правило, соответствуют габаритам других электрохимических источников тока. Важно обращать внимание на рабочее напряжение, которое у литиевых батарей обычно выше, чем у других типов АКБ. Чтобы избежать путаницы, некоторые производители используют нестандартные выводы для подключения литиевых элементов.

В таблице ниже представлены характеристики различных литиевых аккумуляторных элементов.

В следующем разделе будут рассмотрены эти характеристики более подробно.

Эксперты в области энергетических технологий подчеркивают важность понимания различных видов литиевых батареек, их маркировки и применения. Литиевые батареи делятся на несколько типов, включая литий-ионные, литий-полимерные и литий-железо-фосфатные. Каждый из этих типов имеет свои уникальные характеристики, такие как плотность энергии, срок службы и безопасность. Например, литий-ионные батареи широко используются в мобильных устройствах и электромобилях благодаря высокой энергоемкости, в то время как литий-железо-фосфатные находят применение в стационарных системах хранения энергии благодаря своей стабильности и долговечности. Маркировка батарей, включающая информацию о напряжении, емкости и типе, играет ключевую роль в выборе подходящего источника питания для конкретных устройств. Правильное понимание этих аспектов позволяет не только оптимизировать использование батарей, но и повысить безопасность и эффективность их применения в различных отраслях.

https://youtube.com/watch?v=bwadNuz6ID4

Электрохимические системы литиевых АКБ

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о литиевых батарейках, их маркировке и применении:

1. Разнообразие типов: Существует несколько основных типов литиевых батарей, включая литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (LiPo). Литий-ионные батареи чаще всего используются в мобильных устройствах и электромобилях благодаря высокой плотности энергии и долговечности. Литий-полимерные батареи, в свою очередь, имеют более гибкую форму и часто применяются в дронов и радиоуправляемых моделях.

2. Маркировка и стандарты: Литиевые батареи маркируются по различным стандартам, включая IEC (Международная электротехническая комиссия) и UN (Организация Объединенных Наций). Например, маркировка “18650” указывает на цилиндрическую форму батареи с диаметром 18 мм и длиной 65 мм. Эти батареи широко используются в ноутбуках и электромобилях.

3. Безопасность и утилизация: Литиевые батареи требуют особого внимания при утилизации, так как неправильная утилизация может привести к возгоранию или загрязнению окружающей среды. Многие страны вводят программы по сбору и переработке литиевых батарей, чтобы минимизировать их воздействие на природу и извлечь ценные материалы, такие как литий, кобальт и никель, для повторного использования.

https://youtube.com/watch?v=877SQUUO92o

Батареи на основе Li/MnO 2 (литий/диоксид марганца)

Данный тип литиевых элементов был одним из первых, разработанных в этой области. В маркировке литиевых батарей используются обозначения «CR».

Внутри этой электрохимической системы происходит следующая реакция:

Li + Mn + 4O2 → Mn + 3O2 (Li+)

Согласно данной реакции, диоксид марганца восстанавливается из четырёхвалентного состояния до трёхвалентного при взаимодействии с литием. В процессе этого ионы лития проникают в кристаллическую решётку оксида. В качестве электролита в таких системах применяется перхлорат лития, растворённый в органическом растворителе. Напряжение разомкнутой цепи для аккумуляторов литий/диоксид марганца составляет 3,5 вольта, а номинальное напряжение — 3 вольта. Конечное напряжение достигает 2 вольт. Эти батареи способны функционировать в температурном диапазоне от -20 до +55 градусов Цельсия. Срок хранения батарейки Li/MnO2 может составлять до десяти лет, если уровень саморазряда не превышает 2,5%.
Такой тип батарей часто используется в материнских платах и часах в форме диска («таблетка»).

Дополнительно вы можете ознакомиться с подробной статьёй о

литий-ионных аккумуляторах.

Аккумуляторы на базе Li/CuO (литий/оксид меди)

Li/CuO батареи имеют рабочее напряжение, которое сопоставимо с марганцево-цинковыми элементами щелочного типа. При этом энергетическая плотность у литиевых в три раза больше.
Разряд этого типа батареек описывается следующими реакциями:

2Li + CuO → Li₂O + Cu

CuO → Cu₂O → Cu

Интервал рабочего напряжения составляет от 1,2 до 1,5 вольта и зависит разрядного тока. На разомкнутой АКБ напряжение равно 2,5 вольта. Аккумуляторные элементы литий/оксид меди сохраняют работоспособность при температурах от -10 до +70 градусов Цельсия. Батареи хранятся до 10 лет (при 20 градусах по Цельсию). Источники тока на основе Li/CuO мало распространены на рынке.

https://youtube.com/watch?v=c2Zuh5k08TU

АКБ на основе Li/SO 2 (литий/диоксид серы)

Батареи на основе литий/диоксид серы используют жидкий катодный материал. Эти аккумуляторы хорошо изучены и находят широкое применение в различных отраслях. В качестве катода в таких устройствах выступает смесь графита с сажей и пластификатора. Эта комбинация наносится на металлическую основу. Электролитом служит диоксид серы (SO2) с добавлением некоторых компонентов. Объемная доля оксида серы в электролите составляет 70─75 процентов. Дополнительные ингредиенты в электролите обеспечивают необходимую электропроводность.

В процессе разряда аккумулятора литий/диоксид серы происходит следующая электрохимическая реакция:

2Li + 2SO2 → Li2S2O4

Напряжение при открытой цепи достигает 3 вольт, а рабочее напряжение варьируется от 2,6 до 2,9 вольт. Рабочая температура может колебаться от -60 до +70 градусов Цельсия. К преимуществам Li/SO2 можно отнести высокую удельную мощность. Однако среди недостатков таких батарей специалисты выделяют значительное внутреннее давление и сильный нагрев при коротком замыкании. Поэтому конструкция этих аккумуляторов включает предохранитель, который сбрасывает избыточное давление, срабатывая при температуре 100 градусов по Цельсию.

Аккумуляторы данного типа производятся в цилиндрической форме. Это подразумевает наличие литиевого анода по окружности и угольного катода в центре. Такая компоновка обеспечивает отличные электрические характеристики батарей. Аккумуляторы Li/SO2 могут храниться до десяти лет с саморазрядом 1─2 процента в год (при температуре 20 градусов Цельсия).

Батарейки на базе Li/I 2 (литий/йод)

В этих аккумуляторных элементах жидкий электролит отсутствует, как и сепаратор.

Внутри батареек Li/I₂ идёт следующая реакция:

2Li + I₂ → 2LiI

Катод с содержанием йода взаимодействует с литием, в результате чего образуется йодид лития LiI. Это твёрдое вещество, которое одновременно выступает в роли электролита и сепаратора, разделяя активные вещества.

Напряжение разомкнутой цепи Li/I

₂

батарейки равно 2,8 вольта. Его величина зависит от сопротивления слоя LiI. Это вещество накапливается в пространстве между электродами. Этот процесс сопровождается линейным снижением напряжения до 2,2 вольта. Причём оно резко падает, когда запас I подходит к концу.

Аккумуляторы этого типа могут храниться от 10 до 15 лет при величине саморазряде 10 процентов за всё это время. Процесс саморазряд в этом случае обусловлен взаимодействием йода и лития. Это происходит в результате диффузия I через слой LiI. Величина саморазряда во многом определяется толщиной этого слоя. Этим объясняется активное прохождение саморазряда в самом начале хранения.

Литиевые батарейки литий/йод не выделяют газ в процессе работы. Поэтому объём АКБ сохраняется постоянным в процесс эксплуатации. Кроме того, они довольно устойчивы к нарушениям правил использования. Эти батарейки нашли применение в тех областях, где требуется высокая надёжность работы. В частности, это аккумуляторы для питания кардиостимуляторов в медицине. Работоспособность АКБ литий/йод сохраняется при температурах от -10 до +60 по Цельсию.

Аккумуляторные батарейки Li/FeS 2 (литий/дисульфид железа)

Эти компоненты имеют высокую стоимость, однако их уникальные преимущества делают их популярными на рынке.

При разряде аккумуляторов на основе Li/FeS2 происходит следующая химическая реакция:

4Li + FeS2 → 2Li2S + Fe

Одной из примечательных характеристик является способность системы Li/FeS2 функционировать при температуре -40 градусов по Цельсию. Это возможно только для батарей с жидкостными катодами. Аккумуляторы Li/FeS2 демонстрируют стабильные показатели при работе с устройствами, которые требуют значительной мощности.

Аккумуляторы литий/дисульфид железа оснащены защитой от перегрузки по току. При постоянном потреблении она составляет 2 ампера (форм-фактор АА). Также предусмотрен предохранитель, который отключает нагрузку при достижении температуры элемента в диапазоне 85─95 градусов Цельсия. Если температура батареи поднимается до 130─160 градусов, срабатывает клапан для сброса давления.

Аккумуляторные элементы литий/полифторуглерод

Стоимость этих батареек выше Li/MnO₂. Но они имеют более широкий диапазон рабочих температур. По этой причине они применяются в различных устройствах, испытывающих нагрев в процессе работы.
Реакция внутри этих аккумуляторов описывается следующим уравнением:

nLi + (CF_x)_n → nLiF_x + nC

Напряжение элемента без нагрузки равно 3,2─3,3 вольта. Конечное напряжение около 2 вольт. Интервал рабочих температур от -40 до +85 градусов. При хранении в течение 10 лет эти батарейки теряют примерно 1/5 от номинальной ёмкости.
Первые коммерческие образцы батареек литий/полифторуглерод были выпущены 25─30 лет назад. Главное применение они находят в различной портативной электронике. При отрицательных температурах и высоком разрядном токе они проигрывают по показателям аккумуляторам типа Li/MnO₂. По сравнению с Li/I₂ аккумуляторные элементы Li/CF_x имеют более высокую мощность. Поэтому их также используют в медицинских кардиостимуляторах и дефибрилляторах.

Аккумуляторные батарейки Li/SOCl 2 (литий/тионилхлорид)

Эти аккумуляторные системы используют жидкофазный катод и обладают наивысшими удельными электрическими характеристиками среди литиевых батарей.

В процессе работы происходит следующая химическая реакция:

4Li + 2SOCl2 → 4LiCl + SO2 + S

Значительная часть образующегося SO2 растворяется в электролите, не вызывая изменения давления внутри батареи. Напряжение без нагрузки составляет 3,67 вольта, а в процессе эксплуатации варьируется от 3,3 до 3,5 вольт. На уровень напряжения существенно влияет разрядный ток.

Рабочая температура этих аккумуляторов колеблется от -60 до +85─130 градусов Цельсия. По своей конструкции батареи Li/SOCl2 схожи с Li/SO2. Электролит тионилхлорид является агрессивным веществом, поэтому при разработке батарей учитывались повышенные требования к их пожарной и взрывобезопасности. Аккумуляторы литий/тионилхлорид могут храниться до десяти лет, при этом саморазряд составляет до 2 процентов в год (при температуре 20 градусов Цельсия). При снижении температуры до -50 градусов значительно уменьшается ёмкость батареи (в несколько раз).

Если элемент, находящийся в холоде, перенести в теплое помещение, процесс разряда продолжится. В результате разложения промежуточных продуктов реакции может произойти сильный нагрев и даже взрыв. Для обеспечения безопасности аккумуляторы Li/SOCl2 оснащены аварийным клапаном для сброса давления, плавкими предохранителями и термовыключателями.

Размеры батареек

Как уже говорилось выше, литиевые батарейки выпускаются в соответствии с распространёнными типоразмерами. Есть, к примеру, литиевые пальчиковые батарейки. Форма элементов может быть цилиндрической, призматической и дисковой. Ниже приведена таблица с элементами питания по классификации, принятой в США.

Помимо обозначений, приведённых в таблице, есть ещё сленговые названия этих батареек:

• AAA – «мизинчиковые»;
• AA – «пальчиковые»;
• C – «дюймовочка»;
• D – «бочка»;
• PP3 – «крона».

На изображениях ниже вы можете посмотреть фотографии этих батареек.

Кроме того, ещё существует большое количество дисковых литиевых батареек разных форм-факторов.

Область применения

Литиевые аккумуляторы обладают значительно большим сроком службы по сравнению с другими типами батарей. Они чаще всего применяются в устройствах с высоким уровнем энергопотребления. Вот некоторые из них:

• Фотографическое оборудование;
• Персональные компьютеры;
• Медицинские приборы;
• Игрушки;
• Оборонная промышленность;
• Авиастроение;
• Космическая индустрия.

Маркировка

Правила маркировки батареек разрабатывает, устанавливает и контролирует организация IEC. Это международная электротехническая комиссия. Согласно их требованиям, на корпусе элемента должны быть указаны:

• Состав;
• Энергоёмкость;
• Размер;
• Класс;
• Напряжение.

На изображении ниже приведена маркировка батарейки.

Для расшифровки вам пригодятся следующие две таблицы:

Таблица буквенных обозначений различных элементов.

Маркировка типоразмера батареек.

Используя эти данные можно расшифровать маркировку батарейки на изображении. LR6 – означает, что это щелочная батарейка типоразмера AA. Номинальное напряжение составляет 1,5 вольта.

Преимущества и недостатки литиевых батареек

Преимущества

• Высокая энергоёмкость;
• Стабильность характеристик при разной величине разрядного тока;
• Длительный срок эксплуатации;
• Постоянное напряжение;
• Небольшие габариты и вес;
• Достаточно широкий диапазон рабочих температур.

Недостатки

• Их стоимость превышает цену других типов элементов;
• При несоблюдении правил использования и целостности они могут загореться.

В заключение, стоит отметить несколько важных моментов о безопасности. Необходимо четко осознавать, что литиевые батареи и аккумуляторы — это разные источники энергии. Аккумуляторы могут работать в течение определенного количества циклов, в то время как батареи являются первичными источниками энергии и предназначены для одноразового использования. Не пытайтесь разбирать литиевые батареи или предпринимать попытки их восстановления. Они не являются аккумуляторами и не подлежат восстановлению. На рынке также доступны аккумуляторы указанных выше форматов, например, AA. Поэтому будьте внимательны при покупке и внимательно изучайте маркировку.

Будущее литиевых батареек и новые технологии

Литиевые батарейки продолжают оставаться в центре внимания благодаря своим уникальным свойствам и широкому спектру применения. Однако, с ростом потребностей в энергии и стремлением к более устойчивым источникам, исследователи и производители активно работают над новыми технологиями, которые могут изменить будущее литиевых батарей.

Одним из ключевых направлений является улучшение энергетической плотности литиевых батарей. Современные разработки направлены на использование новых материалов, таких как кремний, который может значительно увеличить емкость анодов. Это позволит создавать более компактные и легкие батареи с большей продолжительностью работы.

Также важным аспектом является безопасность литиевых батарей. Пожары и взрывы, связанные с перегревом и коротким замыканием, остаются серьезной проблемой. Исследования в области разработки более безопасных электролитов и защитных систем могут значительно снизить риски. Например, использование твердых электролитов вместо жидких может повысить стабильность и безопасность батарей.

В дополнение к этому, переработка литиевых батарей становится все более актуальной. С увеличением числа устройств, работающих на литиевых батареях, возникает необходимость в эффективных методах утилизации и переработки. Новые технологии, направленные на извлечение лития и других ценных материалов из отработанных батарей, могут помочь сократить зависимость от первичных ресурсов и снизить экологический след.

Не менее важным направлением является интеграция литиевых батарей в системы хранения энергии. С ростом возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветровые электростанции, необходимость в эффективных системах хранения становится критически важной. Литиевые батареи могут играть ключевую роль в обеспечении стабильности и надежности таких систем, позволяя аккумулировать избыточную энергию и использовать ее в периоды пикового спроса.

Наконец, стоит отметить, что развитие технологий литиевых батарей также связано с увеличением их применения в новых областях, таких как электромобили, дроны и даже космические исследования. С каждым годом требования к батареям становятся все более строгими, что подстегивает инновации и поиск новых решений.

Таким образом, будущее литиевых батарей выглядит многообещающим. С учетом текущих тенденций и исследований, можно ожидать появления более эффективных, безопасных и экологически чистых решений, которые будут способствовать развитию технологий и улучшению качества жизни.

Вопрос-ответ

Какие бывают литиевые батарейки?

Широко распространены следующие типы литиевых аккумуляторов: LiMn2O4 (краткое обозначение LNO), LiCoO2 (сокращенно LCO), LiMnO2, LiNiMnCoO2 (NMC), LiNiCoAlO2 (NCA), LiFePO4 (LFP), Li4Ti5O12 (LTO).

Какие существуют типы литиевых батарей?

В зависимости от материала электродов различают шесть различных типов литиевых элементов: LFP, NMC, LCO, NCA, LTO и LMO. В зависимости от формы элемента различают три типа литий-ионных аккумуляторов: цилиндрические, пакетные и призматические, каждый из которых обладает своими характеристиками.

В чем разница между Li-ion NCM и LiFePO4?

Батареи NCM используют комбинацию никеля, кобальта и марганца, что приводит к более высокой плотности энергии. Напротив, батареи LiFePO4 используют фосфат железа, что обеспечивает повышенную безопасность и термическую стабильность.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите маркировку литиевых батареек. Каждая батарейка имеет уникальный код, который указывает на её тип, напряжение и ёмкость. Знание этих характеристик поможет вам выбрать подходящую батарейку для вашего устройства.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на область применения литиевых батареек. Разные типы батареек предназначены для различных устройств: от мобильных телефонов до электромобилей. Убедитесь, что вы выбираете батарейку, соответствующую требованиям вашего устройства.

СОВЕТ №3

Не забывайте о безопасности при использовании литиевых батареек. Храните их в сухом и прохладном месте, избегайте перегрева и механических повреждений. Это поможет предотвратить возможные аварии и продлить срок службы батареек.

СОВЕТ №4

Регулярно проверяйте состояние литиевых батареек. Обратите внимание на признаки износа, такие как вздутие или утечка. Если вы заметили что-то подозрительное, лучше заменить батарейку, чтобы избежать повреждения устройства или возникновения опасной ситуации.