Литий кадмиевые аккумуляторы: Ni-Cd, Ni-MH, Li-Ion и Li-polymer аккумуляторы. В чем разница. Плюсы и минусы – купить на radiosila.ru

Взаимозаменяемы ли никель-кадмиевые и литий-ионные батареи?-battery-knowledge

• Лучший литиевый аккумулятор 18650

• Цилиндрическая литий-ионная батарея

• Лучшее руководство по литиево-ионной батарее

• Лучшее руководство по LiPo батареям

• Лучшее руководство по батарее Lifepo4

• Руководство по литиевой батарее 12 В

• Литий-ионный аккумулятор 48 В

• Подключение литиевых батарей параллельно и последовательно

• Лучшая литий-ионная батарея 26650

Nov 23, 2019   Вид страницы：1341

Батарейки используются практически во всех электрических устройствах. Некоторым устройствам требуется постоянное и высокое напряжение, тогда как электрический провод удовлетворяет потребность в прямом электроснабжении. Даже для автомобилей требовались сверхмощные аккумуляторы, которые позволяли автомобилю работать на предельной скорости. До изобретения литиевых батарей никель-кадмиевые батареи использовались почти во всех электронных устройствах. Литий-ионные батареи заменяют никель-кадмиевые и используются практически во всех устройствах, включая пульт от телевизора до автомобиля. Сегодня мы собираемся проверить, являются ли никель-кадмиевые и литий-ионные батареи взаимозаменяемыми? Давай проверим.

Можно ли использовать литий-ионный аккумулятор вместо никель-кадмиевого?

Основная функция любого аккумулятора – подавать электричество в соответствии с его емкостью и потребностями машины. Все, что вам нужно, – это установить аккумулятор надлежащего размера в машину или устройство. Машина не знает важности литий-ионных и никель-кадмиевых аккумуляторов, поэтому работает только по внешней команде. Аккумулятор должен быть совместимым, неважно какой фирмы или аккумулятора в нем работает.

Основная цель – обеспечить правильное электроснабжение устройства. Таким образом, заменить никель-кадмиевый аккумулятор и использовать литий-ионный аккумулятор можно в любом устройстве. Некоторые люди тоже переживают по этому поводу; результаты приходят все время одинаково. Причина в том, что основная функция любой батареи – обеспечить фиксированное количество электроэнергии, поэтому возможно, что некоторые батареи прослужат долгое время, а некоторые скоро достигнут финишной черты. Это зависит от емкости аккумулятора, что делает его долговечным и тратой денег. Несомненно, литий-ионные батареи считаются лучшими из-за повышенной эффективности и долговечности.

Многие батареи пытаются достичь уровня литий-ионных батарей, но они заменяют многие батареи. NiCad использовался во всем мире до изобретения литий-ионных аккумуляторов, и он заменил NiCad из-за множества преимуществ. Давайте обсудим разницу между обеими батареями.

Разница между литий-ионными и никель-кадмиевыми батареями:

Литий-ионные аккумуляторы имеют небольшой размер и очень низкие требования к обслуживанию. Литий-ионные батареи экологически чистые и безопасные по сравнению с никель-кадмиевыми батареями. Несмотря на то, что обе батареи имеют сходство, они все же различаются по многим параметрам, таким как их влияние, стоимость, воздействие на окружающую среду и т. Д., Давайте проверим разницу между NiCad и литий-ионными батареями следующим образом:

1. Электрохимия:

NiCad состоит из двух разных химикатов на положительной и отрицательной клеммах. Нравиться:

i.cadmium для? отрицательный терминал

ii. оксид никеля для положительного вывода

iii. для электролита с использованием водного гидроксида калия

Литий состоит из следующих компонентов:

I. графит на положительном выводе

II оксид лития для отрицательной клеммы

iii.

в качестве электролита используется литиевая соль

Во время разряда литий-ионы перемещаются от отрицательного электрода к положительному. При зарядке запустится функция движения назад.

2. воздействие на окружающую среду:

Литий-ионные батареи считаются экологически безопасными. При производстве батарей не используются неопасные отходы. С другой стороны, никель-кадмиевые батареи содержат много вредных химикатов, вредных для человека.

Он содержит 6% промышленных аккумуляторов и 18% бытовых аккумуляторов, таких как кадмий и т. Д. Кадмий считается вредным токсичным тяжелым металлом, и это причина того, что он требует особого ухода при утилизации аккумулятора. Итак, многие страны разрабатывают разные стратегии для его предотвращения и ограничения.

3.Стоимость батарей:

Литий-ионные батареи дороги, потому что все они оснащены схемой защиты, которая также контролирует ток и напряжение. NiCad на 40 процентов дешевле. Это причина того, что литий-ионные батареи не так легко найти на рынке.

Если он вам нужен, вы можете проверить его наличие в Интернете.

4. эффект памяти:

Литий-ионные аккумуляторы запоминают цикл зарядки, и их эффект памяти лучше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Также хорошо переносят экстремальные погодные условия и высокие температуры. Схема защиты сохранит аккумулятор в безопасности.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCad) страдают эффектом памяти, поэтому литий-ионные аккумуляторы безусловно считаются лучшими. NiCad не имеет схемы защиты.

5. номер цикла:

Срок службы батарей такой же. Разница также в напряжении и более высоких затратах. Их производительность тоже такая же. Литий-ионный легче по весу, но никель-кадмиевый сплав состоит из тяжелого материала. Обе батареи дают длительный эффект.

Короче говоря, характеристики и напряжение батарей почти одинаковы, но нельзя не учитывать их различия. Таким образом, важно использовать точную батарею для вашего устройства. Это не только сохранит ваше устройство в безопасности, но и продлит срок его службы.

Можно ли использовать вместе никель-кадмиевые и литий-ионные батареи?

Нет, это невозможно из-за их образования и использованных химикатов. Обе батареи имеют разные электролиты и разные отрицательные и положительные клеммы. Таким образом, вполне возможно, что если вы поместите обе батареи в одно и то же устройство, химическая реакция приведет к взрыву.

Батарейки для смешивания могут повредить ваше устройство. Это касается не только литий-ионных аккумуляторов и никель-кадмиевых аккумуляторов, но и не происходит никакого действия по смешиванию разных типов аккумуляторов. Он может работать, но через некоторое время он начнет работать или может повредить ваше устройство. Так что этого действия лучше избегать, даже если оно не вредно. Используйте точную батарею для каждого устройства, чтобы батарея работала эффективно. Литий-ионные батареи дорогие, поэтому вы также можете использовать никель-кадмиевые батареи в качестве замены.

Нижняя граница:

Литий-ионные аккумуляторы и никель-кадмиевые аккумуляторы взаимозаменяемы, поскольку обладают одинаковыми функциями и качествами. Правда, их формирование разное, поэтому одновременно ставить обе батареи опасно. Можно использовать батарею взамен, потому что машина не распознает тип батареи и требует только электропитания.

• Предыдущая статья： Литий-железо-фосфатная батарея за и против
• Следующая статья： Модуль схемы защиты Литий-ионный аккумулятор

Самые популярные категории

Индивидуальные решения

• Схема конструкции аккумулятора 11,1 В, 6600 мАч портативного сверхзвукового диагностического набора B

• Схема резервного питания 7,4 В 10 Ач медицинского инфузионного насоса

• Решения для литий-ионных аккумуляторов AGV 25,6 В, 38,4 Ач

Страница не найдена

г. Волгодонск ул. Ленина д.45

+7 (988) 572-08-00

Вход

Регистрация

Запрашиваемая страница не найдена. Проверьте корректность введённого адреса.

• Каталог товаров
  • Автопринадлежности
  • Антенное хозяйство
    • Адаптер WI-FI
    • Антенны комнатные
    • Антенны WI-FI / GSM
    • Антенны наружные (уличные)
    • Кронштейны (Антенные, телевизионные)
    • Приставки
    • Разветвители и сумматоры
    • Усилители сигнала
    • Телевизионные разъемы и переходники
    • Антенные блоки питания
  • Блоки и элементы питания
    • Аккумуляторы
      • Аккумуляторы Li-ion (литиевые)
      • Аккумуляторы Li-Pol (литий-полимерные)
      • Аккумуляторы NiMH (никель-металлгидридные)
      • Аккумуляторы NiCd (никель-кадмиевые)
      • Аккумуляторы Pb (свинцовые)
      • Аккумуляторы Powerbank
    • Батарейки
      • Батарейки Camelion
      • Батарейки Duracell
      • Батарейки Energizer
      • Батарейки GP
      • Батарейки Kodak
      • Батарейки Perfeo
      • Батарейки Samsung
      • Батарейки Renata
      • Батарейки Smartbuy
      • Батарейки Sony
      • Батарейки Varta
      • Батарейки Videx
      • Батарейки Фаза
      • Батарейки Robiton
      • Батарейки Daewoo
      • Батарейки Спутник
      • Батарейки Panasonic
      • Батарейки Gopower
      • Батарейки CP
      • Батарейки Maxell
      • Батарейки Toshiba
    • Блоки питания
      • Блоки питания 12В.
      • Блоки питания 14В.
      • Блоки питания 15В.
      • Блоки питания 18В.
      • Блоки питания 19В.
      • Блоки питания 24В.
      • Блоки питания 3В.
      • Блоки питания 42В.
      • Блоки питания 48В.
      • Блоки питания 5В.
      • Блоки питания 6В.
      • Блоки питания 9В.
      • Универсальные блоки питания
    • Зарядные устройства
  • Вентиляторы
    • Вентиляторы DC-5В.
    • Вентиляторы DC-12В.
    • Вентиляторы DC-24В.
    • Вентиляторы AC-220В.
  • Инструмент
    • Монтажные очки
    • Слесарно-монтажный инструмент
    • Паяльное оборудование
      • Клеевые пистолеты
      • Запчасти к паяльному оборудованию
      • Паяльники
      • Горелки
      • Отсосы припоя
    • Измерительные приборы
    • Оптика ( Лупы, третья рука)
    • Аксессуары для мультиметров
    • Разное
    • Инструмент обжимной
    • Инструмент для чистки
  • Кабель
  • Компьютерные аксессуары
    • USB делители
    • Компьютерные мыши
    • Оптические диски, аксессуары
    • Флешки, карты памяти
    • Клавиатура
    • Картридеры
  • Корпусные и установочные изделия
    • Батарейные отсеки, контейнеры для батареек
    • Ручки для радиоаппаратуры
  • Переходники
    • Гибкие переходники
    • Компьютерные переходники, конверторы
    • Переходники
  • Пульты
    • Пульты ДУ Кондиционерные
    • ПДУ
      • ARION
      • AIWA
      • AKAI
      • AKIRA
      • AVEST
      • BBK
      • BEKO
      • BIGSAT
      • CADENA
      • CAMERON
      • DAEWOO
      • D-COLOR
      • DISTAR
      • DNS
      • DEX
      • DEXP
      • DIVISAT
      • DRE (Триколор)
      • ELTEX
      • ELENBERG
      • ERISSON
      • HUMAX
      • HARPER
      • JVC
      • FUNAI
      • FUSION
      • GI
      • GLOBO
      • HAIER
      • HITACHI
      • HORIZONT
      • HYUNDAI
      • IZUMI
      • GOLDSTAR
      • LG
      • MDI
      • MYSTERY
      • NEC
      • ONIDA
      • ONIKS
      • ORIEL
      • ORION
      • PANASONIC
      • PHILIPS
      • POLAR
      • RECORD
      • ROLSEN
      • RUBIN
      • SAGEMCOM
      • SAMSUNG
      • SANYO
      • SITRONICS
      • SELENGA
      • SKYWAY
      • SHARP
      • SHIVAKI
      • SOKOL
      • SONY
      • SUPRA
      • ТЕЛЕКАРТА
      • МТС
      • TELESONIC
      • TELEFUNKEN
      • WIFIRE
      • РОСТЕЛЕКОМ
      • TCL
      • TELEVISION
      • TOBISHI
      • THOMSON
      • TOSHIBA
      • UNITED
      • VESTEL
      • VITEK
      • ВИТЯЗЬ
    • ПДУ мультибрендовые
    • ПДУ для спутниковых ресиверов
    • ПДУ универсальные
      • AIWA
      • AKIRA
      • BBK
      • DAEWOO
      • ELENBERG
      • ERISSON
      • FUNAI
      • GRUNDIG
      • HAIER
      • HITACHI
      • HORIZONT
      • HYUNDAY
      • IRC-
      • JVC
      • LG
      • ONIKS
      • ORION
      • PANASONIC
      • PHILIPS
      • POLAR
      • RECORD
      • ROLSEN
      • SAMSUNG
      • SANYO
      • SHARP
      • SHIVAKI
      • SONY
      • SUPRA
      • TCL
      • THOMSON
      • TOSHIBA
      • VESTEL
      • ОБУЧАЕМЫЕ И УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ПУЛЬТЫ
      • NOKIA
  • Радио-конструкторы
    • Радиоконструкторы « Микроника»
    • Arduino
      • Платы расширения
      • Контроллеры
      • Модули, датчики
    • Сборки
  • Разъемы, соеденители
    • Разъем питания
    • Разъем “Banana” (банан)
    • Корпуса
    • Разъем Джек 6,3мм.
    • Разъем RCA
    • Разъем Джек 2,5мм
    • Разъем Джек 3,5мм
    • Разъем XLR
    • Разъем SPEAKON
    • Разъем BNC
    • Панельки для микросхем
    • Гнезда, терминалы
    • Разъем SMA, Пигтейлы
    • Соединители, Клеммы
      • PLS, PLD
      • Клемма кольцевая
      • Клемма вилочная
      • Клемма неизолированная
      • Клемма изолированная
      • Гильза
      • Клемма пуля
      • Соединители, клеммники
      • Клеммная колодка
      • Клемма монтажная, WAGO (Вага)
    • Штекера
  • Расходные материалы
    • Газ для горелеок и зажигалок
    • Припой
    • Термоусадочная трубка
    • Клей
    • Изолента
    • Лак
    • Масла и смазки
    • Очищающие средства
    • Клейкая лента, скотч
    • Переферия, расходные материалы (Ардуино)
    • Флюсы, кислоты, паяльные пасты
    • Оплетка для выпайки
    • Текстолит двухсторонний
    • Текстолит односторонний
    • Стяжка кабельная
    • Теплопроводящие пасты, термопаста
    • Разное
  • Свет
    • Светодиодные лампы LED
    • Лампы накаливания
    • Светодиодные ленты
    • Аксессуары для светотехники
    • Фонари
    • Светодиодные модули
    • Светодиоды
      • Белые светодиоды
      • Желтые светодиоды
      • Зеленые светодиоды
      • Красные светодиоды
      • Синие светодиоды
      • Мигающие светодиоды
  • Телерадиотовары
    • Наушники и Гарнитуры
      • Гарнитуры
      • Наушники
    • Bluetooth адаптеры
    • Микрофоны
    • Радиоприемники
    • Разное
    • Телефоны
    • Портативные колонки
    • Игровые приставки
    • Калькуляторы
    • Часы
    • Звонки
    • Акустические системы
    • Зуммеры
  • Телефония
  • Шнуры , Удлинители
    • Шнуры Дж. 6,3
    • Шнуры Дж.6,3 – XLR
    • Шнуры Оптика
    • Шнуры VGA
    • Шнуры XLR – XLR
    • Шнуры ВЧ
    • Шнуры Дж.3,5 – 2Дж.6,3
    • Шнуры Разные
    • Шнуры СШ5
    • Удлинители наушников
    • Удлинители USB
    • Шнуры USB AM – AM
    • Шнуры USB AM – miniBM
    • Шнуры USB AM – BM (принтер)
    • Шнуры SVHS
    • Шнуры HDMI , DVI
    • Шнуры Дж.3,5 – 2RCA
    • Шнуры Сетевые и межблочные
    • Шнуры СКАРТ
    • Шнуры 2RCA-2RCA
    • Шнуры 3RCA-3RCA
    • Шнуры Патч-корды
    • Шнуры Дж.3,5 – 3RCA
    • Шнуры USB AM – microBM , USB (питатель)
    • Шнуры USB AM – TYPE C
    • Шнуры USB AM – iPhone
    • Шнуры Дж.3,5 – 3,5мм
  • Электрика
    • Щетки электроугольные
    • Кнопки, переключатели, тумблера.
      • Кнопочные выключатели
      • Кнопки тактовые
      • Концевик- переключатель
      • Переключатели
      • Переключатели клавишные
      • Тумблера
    • Сетевые удлинители, фильтра питания
    • Сетевые колодки, переходники, тройники
    • Зажимы
    • Вилки электрические, терминалы
  • Электронные компоненты
    • Конденсаторы
      • Конденсаторы пусковые
      • Электролитические конденсаторы
      • Керамические высоковольтные
      • Керамические выводные многослойные
      • Конденсаторы металлопленочные
    • Микросхемы (импорт. )
      • 78…
      • 79…
      • 24…
      • 3…
      • 5…
      • 74HC
      • ADM
      • AMS
      • AM
      • AN
      • AP
      • AT
      • ATmega
      • ATtiny
      • BA
      • CA
      • CD
      • CXA
      • DBL
      • DM
      • DS
      • FAN
      • HA
      • HCF
      • HIS
      • INA
      • IP
      • IR
      • JRC
      • KA
      • KIA
      • L
      • LA
      • LM
      • LNK
      • LT
      • LAG
      • LB
      • MAX
      • MC
      • MCP
      • MM
      • NCP
      • NE
      • OPA
      • PCA
      • PIC
      • SA
      • SDH
      • SE
      • SG
      • SMR
      • STK
      • STR
      • STRA
      • STRD
      • STRF
      • STRG
      • STRS
      • STRW
      • STRX
      • STV
      • SW
      • TA
      • TDA
      • TEA
      • TFA
      • TL
      • TLC
      • TNY
      • TOP
      • UC
      • ULN
      • VIPer
    • Реле
      • Реле 12В.
      • Реле 24В.
      • Реле 220В.
      • Реле 5В.
      • Реле 9В.
      • Реле 3В.
      • Реле 48В.
    • Динамики
    • Динисторы
    • Кварцы
    • Диоды
      • Диоды высоковольтные
      • Диодные мосты
      • Быстродействующие диоды
      • Выпрямительные диоды
      • Защитные диоды
      • Импульсные диоды
      • Диоды Шоттки
      • Отечественные диоды
    • Транзисторы
      • Полевые силовые (IGBT)
      • Биполярные транзисторы (отеч.)
      • Полевые транзисторы (отеч.)
      • Биполярные транзисторы (импорт.)
      • Полевые транзисторы (MOSFET)
    • Резисторы
      • Постоянные резисторы
      • Подстроечные резисторы
      • Переменные резисторы
    • Герконы
    • Мини двигатели
    • Микросхемы (отеч.)
      • К1182
      • К157
      • К174
      • К561
    • Датчики
      • Датчики Холла
      • Датчики угла поворота (энкодеры)
    • Тиристоры
      • BT
      • MCR
      • Тиристоры (отеч.)
    • Устройства защиты
      • NTC термистор
      • Варисторы
      • Позистор (Терморезистор)
    • Симисторы
      • BTA
      • BTB
      • MAC
      • Z
    • Стабилитроны
      • Стабилитроны 0,2Вт. импорт. (smd)
      • Стабилитроны 0,5Вт. импорт. – (7К)
      • Стабилитроны 1Вт. импорт. – (7К)
    • Предохранители
      • Автомобильные предохранители
      • СВЧ предохранители
      • Автоматические предохранители
      • Предохранитель 3,6 х 10мм.(выводной)
      • Предохранитель 5 х 20мм.(выводной)
      • Предохранитель 5 х 20мм.
      • Предохранитель 6 х 30мм.
      • Термопредохранители
• Главная
• О нас
• Новости
• Схемы
  • Схемы приемников
  • Схемы магнитофонов
  • Схемы усилителей
  • Фотоальбомы
    • Магнитофоны
    • Усилители мощности
    • Приемники
• Контакты
• Доставка и оплата
• Статьи

Сравнение перезаряжаемых литиевых и никель-кадмиевых аккумуляторных элементов для имплантируемых устройств поддержки кровообращения

. 1994 апр; 18 (4): 331-4.

doi: 10.1111/j.1525-1594.1994.tb02208. x.

Г К Маклин ¹ , П. А. Айкен, В. А. Адамс, Т. Массиванд

принадлежность

• ¹ Отделение сердечно-сосудистых устройств, Институт сердца Оттавского университета, Онтарио, Канада.

• PMID: 8024488
• DOI: 10.1111/j.1525-1594.1994.tb02208.x

GK MacLean et al. Артиф Органы. 1994 апр.

. 1994 апр; 18 (4): 331-4.

doi: 10.1111/j.1525-1594.1994.tb02208.x.

Авторы

Г К Маклин ¹ , П. А. Айкен, В. А. Адамс, Т. Массиванд

принадлежность

• ¹ Отделение сердечно-сосудистых устройств, Институт сердца Оттавского университета, Онтарио, Канада.

• PMID: 8024488
• DOI: 10.1111/j.1525-1594.1994.tb02208.x

Абстрактный

Ограничения по размеру и весу являются критическими областями в конструкции имплантируемых медицинских устройств. По этой причине было проведено исследование различных типов перезаряжаемых литиевых и никель-кадмиевых (Ni/Cd) аккумуляторных элементов, чтобы определить, какой тип элемента при сборке в многоэлементный аккумуляторный блок обеспечит наименьший и самый легкий источник питания для имплантации. Скорость разряда и характеристики срока службы 2 различных прямоугольных призматических Ni/Cd элементов и 5 различных перезаряжаемых литиевых элементов были определены при 37°C путем циклического заряда/разряда, элементы использовали постоянную разрядную нагрузку 0,87 А. Используя наблюдаемую скорость разряда и характеристики срока службы элементов, наряду с желаемыми критериями производительности 30 минут работы в конце 1-летнего периода имплантации, были определены предполагаемый вес и объем различных 12-вольтовых батарейных блоков. Эти результаты показали, что один из прямоугольных призматических элементов Ni/Cd дает наименьший (53 мл) и самый легкий (189 мл)g) Аккумуляторная батарея на 12 В, отвечающая указанным критериям эффективности. Результаты также показывают, что для приложений, требующих длительного времени имплантации, срок службы может быть более важным при выборе элементов для небольшого и легкого аккумуляторного блока, чем удельная энергия или плотность энергии.

Похожие статьи

• Оценка никель-кадмиевых аккумуляторных батарей для механических устройств поддержки кровообращения.

  Маклин Г.К., Айкен П.А., Адамс В.А., Массиванд Т. Маклин Г.К. и соавт. АСАИО Дж. 1993 г., июль-сен;39(3):M423-6. АСАИО Дж. 1993. PMID: 8268571

• Влияние импульсных силовых нагрузок на никель-кадмиевые аккумуляторные элементы механических устройств поддержки кровообращения.

  Маклин Г.К., Айкен П.А., Дюгей Д.Г., Адамс В.А., Муссиванд Т. Маклин Г.К. и соавт. АСАИО Дж. 1994 янв.-март;40(1):67-9. АСАИО Дж. 1994. PMID: 8186495

• Оптимальный выбор имплантируемой вторичной батареи для искусственного сердца путем изучения теста на цикличность.

  Окамото Э., Ватанабэ К., Хашиба К., Иноуэ Т., Ивадзава Э., Момои М., Хасимото Т., Митамура Ю. Окамото Э. и др. ASAIO J. 2002 г., сентябрь-октябрь; 48 (5): 495-502. doi: 10.1097/00002480-200209000-00010. АСАИО Дж. 2002. PMID: 12296569

• [Достижения в области аккумуляторов для имплантируемых медицинских устройств].

  Фанг Ю, Хоу В, Чжоу В, Чжан Х. Фан Ю и др. Чжунго И Ляо Ци Се Цза Чжи. 2018 30 июля; 42 (4): 272-275. doi: 10.3969/j.issn.1671-7104.2018.04.012. Чжунго И Ляо Ци Се Цза Чжи. 2018. PMID: 30112893 Обзор. Китайский язык.

• Источник питания кардиоимплантируемых электронных устройств: эволюция и революция.

  Монд ХГ, Фрайтаг Г. Монд Х.Г. и соавт. Пейсинг Клин Электрофизиол. 2014 дек;37(12):1728-45. дои: 10.1111/темп.12526. Epub 2014 11 ноября. Пейсинг Клин Электрофизиол. 2014. PMID: 25387600 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Последние достижения и перспективы использования углеродных наноструктур в качестве анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов.

  Розелин Л.С., Джуанг Р.С., Хсие К.Т., Сагадеван С., Умар А., Селвин Р., Хегази Х.Х. Розелин Л.С. и соавт. Материалы (Базель). 2019 15 апреля; 12 (8): 1229. дои: 10.3390/ma12081229. Материалы (Базель). 2019. PMID: 30991665 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

Типы публикаций

термины MeSH

вещества

Литиевые батареи: на пределе возможностей лития

Исследователи разрабатывают тип батареи, мощность которой в десять раз превышает мощность обычных батарей.

Есть одна важная причина, по которой вы можете носить мощный микрокомпьютер в кармане. Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в области связи и транспорта, позволив появиться сверхтонким смартфонам и электромобилям с практичным запасом хода.

Смартфоны повсюду; Большую часть этого успеха они обязаны литий-ионным батареям, которые питают их. Предоставлено: Jetta Productions/Getty Images

Эти инновации стали возможными, потому что литий-ионные батареи могут быть намного меньше и легче, чем никель-кадмиевые батареи предыдущего поколения, но при этом обеспечивать такую ​​же мощность. Более того, литий-ионные батареи дольше сохраняют заряд и состоят из гораздо менее токсичных материалов.

Будучи самым легким металлом в периодической таблице и наиболее быстро теряющим электроны, литий является идеальным элементом для создания мощных портативных аккумуляторов. Он может выполнять большую часть работы с наименьшей массой и наименьшими химическими осложнениями.

Но разработка литиевых аккумуляторов была сопряжена с трудностями. Первые версии, разработанные техасской нефтяной компанией Exxon в ответ на нехватку энергии во время нефтяного кризиса 1970-х годов, не были перезаряжаемыми и использовали соединения лития, которые создавали токсичные побочные продукты в электролите, в отличие от более поздних литий-ионных батарей. Они послужили основой для первого поколения цифровых часов, но ранние прототипы были бомбами замедленного действия. Газы электролита могут скапливаться внутри аккумулятора и воспламеняться при контакте с воздухом.

В течение следующих 30 лет прогресс в разработке литиевых батарей регулярно замедлялся из-за возгораний батарей и недовольства клиентов. Постоянные отзывы литиевых батарей создали дурную славу, и скептики полагали, что они никогда не будут достаточно безопасными для массового рынка.

Обещание литиевых батарей изменить то, как общество использует энергию, настолько мощно, что оно вызвало золотую лихорадку среди ученых, инженеров, венчурных капиталистов и предпринимателей, стремящихся укротить их непостоянство.

«Современное общество полностью зависит от ископаемого топлива, поэтому есть огромный стимул найти замену двигателю внутреннего сгорания», — говорит Джон Гуденаф, физик твердого тела из Техасского университета в Остине, которого многие считают отец сегодняшних литий-ионных аккумуляторов. «Мы должны найти способ освободить общество от этой зависимости. Мы говорим о возможности получать электроэнергию от солнца и ветра, а не от угля. Но это невозможно, если у вас нет хранилища».

Гуденафу приписывают три из четырех крупных прорывов, которые привели к широкому успеху литий-ионных аккумуляторов. В конце 1970-х он разработал катоды, содержащие оксид лития-кобальта, которые до сих пор питают большую часть персональной электроники (K. Mizushima et al . Mater. Res. Bull. 15 , 783–789; 1980). Позже он и исследователь материалов для батарей Майкл Теккерей разработали катоды из оксида лития-марганца, которые сегодня используются в большинстве электромобилей, а также в некоторых медицинских устройствах (M. Thackeray 9).0138 и др. . Матер. Рез. Бык. 18 , 461–472; 1983). В 1990-х годах Гуденаф продолжил работу после выхода на пенсию и разработал еще более дешевый и стабильный катод из фосфата лития-железа, который сейчас широко используется в электроинструментах.

Исследователь тестирует электроды-прототипы в рамках усилий по поиску способов увеличить срок службы батарей и ускорить их зарядку. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.

Эти химические вещества более безопасны, чем литиевые батареи первого поколения, поскольку электроды не содержат свободного лития. Вместо этого химическая решетка прочно связывает ионы лития со сложными кристаллическими структурами оксида металла в положительном катоде (где электроны и ионы лития перемещаются, когда батарея питает устройство). Ионы лития движутся непосредственно через электролит и не вступают в реакцию с другими элементами.

Литиевый пейзаж

Что касается литиевых батарей, то современные технологии все еще ограничены. Многие мобильные телефоны не могут прожить и дня без подзарядки. Большинство электромобилей могут проехать всего 160 километров или меньше, прежде чем им придется часами работать от сети для подзарядки. Tesla Model S предлагает лучшую на рынке дальность пробега более 300 километров, но по цене: цены начинаются с 71 000 долларов США.

Ученые и инженеры-аккумуляторы в течение последних 25 лет ежегодно повышают эффективность батарей на 5–10 %, говорит Джордж Крэбтри, материаловед из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. Но он беспокоится, что этот темп прогресса может замедлиться. «Если не будет обнаружен совершенно новый оксид, это то, где мы находимся», — говорит он. «Где вы собираетесь вытащить следующего кролика из шляпы, мы не уверены». Даже Гуденаф преуменьшает влияние этой технологии. «У нас еще нет электромобилей, — говорит он. «Вы должны снизить стоимость, сделать их более безопасными и увеличить дальность пробега, чтобы не беспокоить людей».

Хитрость в разработке аккумуляторов, которые служат дольше, заряжаются быстрее и стоят дешевле, состоит в том, чтобы упаковать как можно больше ионов лития в каждый из электродов и заставить их течь туда и обратно между анодом и катодом как можно быстрее. не давая им выйти из-под контроля.

Например, Теккерей, бывший партнер Гуденаф, который сейчас работает над технологиями электрохимического хранения в Аргонне, разработал кристаллическую молекулярную структуру, известную как шпинель, для безопасной транспортировки ионов лития к катоду при разрядке батареи. Ионы могут проходить только через каналы в шпинели, что делает ее очень стабильной. Чем жестче ученые могут контролировать ионы лития в таких структурах, тем более стабильной становится батарея. Однако у этой технологии есть существенный недостаток: чем менее свободно могут двигаться ионы лития, тем меньше энергии имеет батарея. И как показал переход от никель-кадмиевых к литий-ионным батареям, увеличение мощности — лучший способ уменьшить размер, вес и стоимость.

Но это может быть не единственный путь. Пинг Лю, который руководит исследованиями передовых материалов для энергоэффективности и хранения в Агентстве перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA-E), входящем в состав Министерства энергетики США в Вашингтоне, округ Колумбия, говорит, что повышение безопасности и стабильности также может уменьшить размеры батарей. и менее дорогой. Это потому, что такие достижения позволили бы инженерам отказаться от электронных контроллеров, брони, изоляторов элементов и систем охлаждения, которые необходимы современным электромобилям для защиты аккумуляторов.

Положительные и отрицательные изменения

До сих пор наиболее значительный прогресс был достигнут в области катода, положительного полюса, который поглощает ионы лития, когда батарея обеспечивает питание. Ученые работают над созданием более тонких слоев катодного материала с использованием наноматериалов, таких как углерод, с целью ускорения химического потока лития через батарею за счет сокращения расстояния, которое должны пройти ионы. Некоторые ученые работают с материалом толщиной в один атом. Но усилия на этом фронте пока не принесли ожидаемых результатов. «Никому не удавалось сделать это хорошо, — говорит Крэбтри. «Трудно заставить слои выходить даже в таком маленьком масштабе».

Ожидается, что следующие прорывы произойдут на другом конце аккумуляторной батареи, где будут использоваться более совершенные аноды, говорит Крэбтри. Аноды накапливают ионы лития, когда батарея заряжена, и отправляют их на катод, когда батарея высвобождает энергию. Когда в начале 1990-х японский гигант электроники Sony представил угольные аноды для замены более проблемных литий-металлических анодов, батареи потеряли часть мощности. Теперь инженеры хотят вернуть его.

Одна большая проблема современных графитовых анодов и предшествующих им литий-металлических анодов заключается в том, что ионы лития, возвращающиеся к аноду во время зарядки аккумулятора, не покрывают поверхность равномерно. Вместо этого они растут, как ветки деревьев, в крошечных кристаллических структурах, называемых дендритами.

«Углерод может принимать литий только с заданной скоростью», — говорит материаловед Ниташ Балсара из Калифорнийского университета в Беркли. «Если вы попытаетесь отправить литий [через батарею] слишком быстро [во время зарядки], литий на самом деле не попадет в графит, он останется снаружи. Это становится угрозой безопасности». И чем меньше батарея, тем легче дендритам прорастать через электролит и контактировать с противоположным полюсом, замыкая батарею, говорит Гуденаф.

Проницаемые мембраны, называемые сепараторами, используются для предотвращения контакта между электродами и, таким образом, предотвращения коротких замыканий, позволяя при этом протекать электролиту. Но дендриты могут обламываться и блокировать поры в сепараторах, сокращая срок службы батареи.

Больше мощности

Аноды могут быть изготовлены из кремния, который может удерживать в десять раз больше лития на грамм, чем графит, и, следовательно, генерировать больше энергии. Но у кремния есть своя проблема: он расширяется более чем в три раза по сравнению с нормальным размером, когда батарея заряжена, а анод заполнен ионами лития. Это вздутие разрушает электрические связи в аноде и останавливает работу батареи. Это также может сломать соседние части батареи, такие как сепаратор и даже корпус батареи, и тем самым вызвать пожар.

Йи Цуй, материаловед из Стэнфордского университета в Калифорнии, который занимается разработкой литий-ионных аккумуляторов в течение 15 лет, является одним из ученых, работающих над более тонкими электродными материалами. Он разрабатывает кремниевые нанопровода, которые торчат из анода, как волокна из ковра, и не разрывают электрические связи при набухании. Но он говорит, что до коммерциализации технологии еще пять лет. Он также экспериментирует со способами улучшения графитовых анодов, используя двумерный графен для более быстрого поглощения лития во время зарядки. Но он говорит, что этой работе тоже предстоит долгий путь.

В идеале было бы вернуться к чистому литий-металлическому аноду. «Забудьте о кремнии, если вы можете сразу перейти к литию, это и есть конечная цель», — говорит Лю.

По сравнению с графитовыми анодами, литий-металлические аноды могут поглощать в десять раз больше ионов лития во время зарядки — и без проблемы набухания кремния. Такая батарея может достичь ключевого показателя производительности для использования в электромобилях: поставлять 300 ватт-часов энергии на килограмм, что необходимо для того, чтобы электромобиль мог проехать на одном заряде то же расстояние, что и автомобиль, работающий на бензине, на одном заряде. полный бак. Но эта веха потребует других достижений в области безопасности, таких как твердый электролит или более совершенные сепараторы, чтобы обеспечить зарядку без роста дендритов.

«Я просто не вижу коммерческого применения металлического лития с жидким электролитом, — говорит Балсара. «Мне это кажется тротилом».

Твердые электролиты

Твердые электролиты могут принести самые большие прорывы (см. стр. S8). «Если бы вы могли избавиться от жидкого электролита, вы могли бы избавиться и от всех горючих элементов», — говорит Лю. Это решит основную проблему безопасности литиевых батарей. По его словам, инженеры Лю даже разрабатывают аккумулятор настолько прочный и безопасный, что в конечном итоге он может стать частью кузова автомобиля и поглощать удары при аварии.

Я не думаю, что вы можете получить твердотельную батарею с длительным сроком службы.

Литий-ионный используется в перезаряжаемых батареях. Предоставлено: Eye of Science/SPL

Но твердые электролиты также требуют компромиссов. «Они проводят электричество не так хорошо, как жидкие электролиты, поэтому время зарядки увеличивается, а мощность падает», — говорит Балсара. И Гуденаф добавляет: «Я не думаю, что вы можете получить твердотельную батарею с длительным сроком службы».

Goodenough стремится восполнить пробел, разработав частично твердый электролит с использованием твердого материала рядом с анодом и жидкости рядом с катодом. «Он обеспечивает те же преимущества, что и твердый электролит, но с более длительным сроком службы, — говорит он, — поскольку материал анода не разрушается». Он построил тестовую батарею в своей лаборатории, но говорит, что у него все еще есть проблемы с ростом дендритов.

Лю говорит, что самые многообещающие разработки исходят от ученых, работающих над керамическими электролитами. Он указывает на проект Университета Мэриленда, финансируемый ARPA-E, который продемонстрировал твердотельную батарею с твердым литиевым анодом, работающую с использованием керамического электролита.

«Твердые стеклянные и керамические электролиты имеют значительно более высокую проводимость, чем пластиковый полимер, — говорит Бальсара, — и проводимость достаточно высока, чтобы вам, возможно, не пришлось жертвовать такой большой мощностью».

Среди других, работающих над новыми типами электролитов для литий-ионных аккумуляторов, есть Йет-Минг Чанг, материаловед из Массачусетского технологического института в Кембридже, который помог разработать литий-железо-фосфатный аккумулятор. Этим летом он показал новый тип проточной батареи, в которой используется полутвердый электролит, похожий на арахисовое масло. Он решает проблему быстрого протекания ионов через твердый электролит, переворачивая конструкцию батареи с ног на голову, используя жидкие электроды, прокачиваемые по полутвердому электролиту. Он говорит, что это может значительно снизить стоимость производства литий-ионных аккумуляторов. Чанг основал компанию 24M, расположенную в Кембридже, штат Массачусетс, для коммерциализации изобретения, но оно остается недоказанным.

Не только ионы

По мере того, как нанотехнологии совершенствуют электроды и электролиты, поиск большей мощности возвращает ученых к батареям, в которых используется чистый литий, а не ионы лития. Литий-серные и литий-воздушные батареи не относятся к категории литий-ионных батарей, потому что литий реагирует в электролите с образованием других соединений, а не просто протекает через электролит и не вступает с ним в реакцию.

Литий-серные батареи, аналогичные тем батареям, с которыми Exxon экспериментировала в 1970-х годах, могут хранить до десяти раз больше энергии, чем литий-ионная батарея по весу. Проблема в том, что в ходе электрохимических реакций расходуется сера и образуются другие вещества, разбавляющие электролит. Оба процесса преждевременно убивают батарею. «В идеале вам нужен электролит, пропускающий только литий, — говорит Бальсара. «Все остальное, что он делает, является проблемой».

Чтобы решить эту проблему, Cui, Crabtree и другие разрабатывают наноматериалы для инкапсуляции серы. Цуй говорит, что его лаборатория продемонстрировала литий-серную батарею, способную работать от 500 до 1000 циклов заряда-разряда. По его словам, этого может быть достаточно для мобильного телефона или ноутбука. Но его энергоемкость все еще слишком мала, отмечает Цуй, а коммерческий прототип может появиться через пять лет.

Воздушно-литиевые батареи могут оказаться лучшими литиевыми батареями с точки зрения мощности, веса и стоимости. С литий-металлическим анодом и газообразным кислородным катодом литий-воздушная батарея может хранить столько же энергии, сколько литий-серная батарея, при еще меньших затратах и ​​потенциально меньшем весе.

Если материалы кажутся простыми, то батарея – нет. Во-первых, слово «воздух» неправильное. Катод должен быть чистым кислородом, без влаги или углекислого газа, присутствующих в воздухе. По словам Крэбтри, системы очистки, перекачки и хранения воздуха увеличивают вес и размер батареи на 30–70%. Хотя на бумаге литий-воздух может обеспечить в десять раз большую плотность энергии, чем литий-ион, «он никогда не достигнет десятикратной плотности энергии, которую вы видите на обратной стороне конверта», — говорит он.