Принцип работы литий-ионных батарей

Со временем литий-ионный аккумулятор постепенно теряет свою способность удерживать заряд. Это происходит из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.

В обычной литий-ионной батарее есть:

катод или отрицательный электрод (сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом)

анод или положительный электрод (как правило, изготавливается из графита)

Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.

Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду. Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.

Энергия и мощность литий-ионных батарей

У батарей есть два параметра производительности: энергия и мощность. 

В сотовых телефонах высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.

Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются». В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд.

Причины выхода из строя литий-ионных батарей

Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод необходимо чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру. Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. 

Постепенно катод преобразовывается в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.

Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Со временем металл разъедается и не может эффективно перемещать электроны.

Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода.

Графит — материал, широко используемый для изготовления анодов — термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются. Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это отрицательно влияет на мощность

Усовершенствование литий-ионных батарей

Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.

Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки.