Литий-ионные аккумуляторы для электровелосипедов: основные типы, устройство, возможности

Литий-ионные аккумуляторы для электровелосипедов: основные типы, устройство, возможности

Электрическим аккумулятором называется статический источник постоянного тока, в котором используется преобразование энергии химической реакции в энергию электрического тока.

Предварительно любой аккумулятор должен быть заряжён от какого-либо источника постоянного тока, после чего он может быть использован как самостоятельный источник электрической энергии.
 
История изобретения

История создания первого в мире электрического аккумулятора относится ко второй половине XIX века. Французский изобретатель Гастон Планте в одном из своих опытов заметил,  что если пропускать в течение некоторого времени электрический ток, получаемый при помощи ранее изобретённой итальянским учёным Алессандро Вольта электрической батареи через два свинцовых электрода, помещённых в раствор кислоты, а затем, отключив батарею, замкнуть электроды между собой, то между ними также возникает электрический ток.
Впоследствии, по мере изучения электричества, устройство аккумулятора претерпевало множественные изменения, однако принцип аккумулятора – конструкция из двух металлических электродов, помещённых в электролит – сохранился до наших дней.

Конструкции литиевых аккумуляторов

В настоящей статье рассматриваются наиболее перспективные литий-ионные аккумуляторы.
Электроды современных аккумуляторов изготавливаются путём нанесения катодного материала на алюминиевую фольгу (катод) и, соответственно, анодного материала – на медную фольгу. В химический состав катодного материала входят, чаще всего, литиевые соли кобальтовой кислоты и твёрдые растворы литиевых солей никелевой кислоты. В качестве анодного материала используют литиевые соли фосфорной кислоты. Электролит представляет собой гелеобразную массу, в состав которой входят соли лития. Электролитом пропитываются так называемые сепараторы – конструкции, имеющие пористую структуру. Электроды и сепараторы размещаются в герметичном корпусе. Для токосъёма предусмотрены присоединительные клеммы. Корпус аккумулятора снабжён предохранительным клапаном избыточного давления, срабатывающим в аварийных ситуациях.
 
Отличительными особенностями литий-ионных аккумуляторов являются малый вес, продолжительный срок службы и большая удельная ёмкость на единицу массы и объёма. Аккумуляторы при хранении и эксплуатации не загрязняют окружающую среду, они соответствуют всем мировым стандартам по экологии. Вместе с тем, - это самые дорогие из всех современных аккумуляторов.
 
Существует несколько разновидностей литий-ионных аккумуляторов. Различают аккумуляторы литий-марганцевые, литий-полимерные, литий-железофосфатные. Области применения, режимы работы, положительные и отрицательные характеристики  всех аккумуляторов на основе лития, его сплавов и солей во многом схожи.

 

Цены на литий ионные аккумуляторы достаточно высокие. Они соизмеримы со стоимостью хорошего велосипеда и в случае установки на электровелосипед, стоимость такого транспорта всегда будет выше, чем электровелосипеда, укомплектованного  свинцово-кислотными батареями.
   
Литий-марганцевые аккумуляторы

В этих аккумуляторах анодный электрод изготавливается из химически чистого лития, а катод – из диоксида марганца. Электролит представляет собой органическое вещество, состав которого представляет НОУ-ХАУ предприятия-изготовителя. Аккумуляторы собираются в батареи из  мягких полимерных корпусов, в виде стандартизованных цилиндров и таблеток. Батареи широко используются для питания разнообразной электротехнической и электронной аппаратуры, в частности, для ноутбуков,  автономных охраннных и противопожарных  сигнализаций, цифровых фото- и кинокамер, систем реанимации и искусственных органов человеческого тела, в испытательных станциях, для электротранспорта – электромобилей и электровелосипедов.
 
Номинальное напряжение на контактах одного ячейки аккумулятора колеблется в пределах 3,15-3,3 В (здесь и далее под напряжением аккумулятора имеется в виду напряжение одного аккумуляторного элемента, в отличие от номинального напряжения аккумуляторной батареи, которую в быту ошибочно называют «аккумулятором»). Рабочее напряжение аккумулятора – 3,0 В. Фактически, оно является наибольшим по сравнению с другими аналогичными аккумуляторами. Габаритные размеры аккумуляторов цилиндрической формы находятся в пределах 14 – 39 мм (диаметры), высота от 25 до 34 мм. Удельная ёмкость одного аккумулятора может достигать 10 Ампер часов. Таблеточные аккумуляторы имеют диаметры в пределах 16 – 30 мм, высоту 1,2 – 10,5 мм.  Их ёмкость может  быть до 950 мА-ч.    Срок службы аккумулятора,  при условии правильной эксплуатации, может доходить до 10 лет.
 
Для зарядки всех типов литиевых аккумуляторов,  выпускаются специальные автоматические зарядные устройства, со световой сигнализацией, извещающей о начале и окончании процесса зарядки. Эти устройства могут поставляться в  комплекте с аккумуляторной батареей или отдельно. В состав зарядных устройств входят элементы автоматики, не допускающие аварийных  режимов и превышения напряжения зарядки.
   
Литий-полимерные аккумуляторы

Рабочее напряжение таких аккумуляторов составляет 3,7 В. Максимальная удельная ёмкость одного аккумулятора может достигать 4.2 Ампер часа. Электролит представляет собой полимерный гелеобразный продукт. Габаритные размеры варьируются в широких пределах. Толщина аккумулятора, чаще всего, колеблется от 1,9  до 10 мм. Ширина - от 9,5 до 49 мм. Длина - от 22 до 61 мм. Область применения аккумуляторов достаточно обширна. Аккумуляторы питают различные электронные устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, электроинструменты, электрифицированные игрушки. Могут использоваться для электровелосипедов и электромобилей. В последние годы начинают использоваться в комплекте с альтернативными источниками электроэнергии – ветрогенераторами, солнечными батареями.

В таких областях применяются аккумуляторные ячейки большой ёмкости - до 90 Ампер часов. В процессе эксплуатации аккумуляторы допускают не менее 500 перезарядок после полного разряда. Чем меньше процент разряда, - тем больше циклов аккумулятор может выдержать без существенного ухудшения характеристик. Все аккумуляторы, сделанные  на основе лития, -  не загрязняют окружающую среду, поскольку являются герметичными и не содержащими ядовитых и опасных химических веществ.

Литий-железофосфатные аккумуляторы

Описываемая конструкция катода впервые была разработана и применена в Соединённых Штатах Америки в 1996 году. Началом же промышленного производства этой модификации аккумуляторов явился 2003 год.

 

В этих аккумуляторах катод изготовлен из материала, в состав которого входит двойная железо-литиевая соль фосфорной  кислоты. Номинальное напряжение одной полностью заряжённой ячейки аккумулятора составляет 3,65 В.  Каждый  аккумулятор допускает от 800 до 2000 перезарядок в течение 10 лет. Стоимость такого катодного аккумуляторного материала  значительно ниже, чем стоимость материала, в состав которого входит кобальт. Кроме того, такой материал не ядовит и обладает значительной термостойкостью. Недостатком материала является то, что он обеспечивает получение гораздо меньшей ёмкости, чем аналогичные вышеупомянутые материалы. Это значит, что для получения необходимой ёмкости, батарею придётся набирать из большего количества ячеек.
 
Большинство литиевых аккумуляторов производятся, в основном, в Китае, -  потому что здесь имеется хорошая сырьевая база но имеются и американские, европейские и российские предприятия по выпуску  различных модификаций литий ионных аккумуляторов.