Без литиевых батарей современный мир был бы совсем другим. Литий-ионные аккумуляторы стали частью технологической революции, результаты которой нас окружают (смартфоны, планшеты, ноутбуки и, недавно, электромобили).
Несмотря на существование более совершенных источников питания, таких как литий-титанатные аккумуляторы (LTO), именно литий-ионные батареи являются по-настоящему широко распространенными. Это связано с компактными размерами источника питания, низкой себестоимостью и оптимальным сроком службы. Оптимальный срок службы не означает самый долгий срок эксплуатации, а скорее наоборот, при этом литиевые батареи часто соответствуют жизненному циклу оборудования.
Учитывая широкое использование литий-ионных аккумуляторов, полезно знать, как они работают, как правильно их эксплуатировать и когда они могут быть опасными.
Как работают литий-ионные аккумуляторы?
В общих чертах структура литиевой батареи похожа на старую добрую свинцово-кислотную батарею: есть анод, катод и электролит. Активными материалами здесь являются графит (отрицательный) и оксид лития (положительный). Конечно, анод и катод состоят не только из вышеупомянутых веществ. Эти вещества наносятся тонкими слоями на медную и алюминиевую фольгу соответственно. Между листами фольги размещается пропитанный электролитом сепаратор.
В результате получается своеобразный тонкий слой фольги, который и является литий-ионным аккумулятором. Затем этот слой сворачивается в цилиндрическую форму, чтобы получить цилиндрический элемент стандартного размера 18650.
А как вышеупомянутая структура может хранить и поставлять электроэнергию?
Это тоже довольно интересно. Электричество - это движение заряженных частиц. Это движение нужно обеспечить. Цикл работы литий-ионного аккумулятора можно представить следующим образом:
Процесс зарядки. При подключении внешнего источника питания крайне нестабильные атомы лития отделяются от стабильного оксида лития на алюминиевой пластине. На внешних орбитах атома находятся электроны, которые стремятся отделиться. С атомом лития это происходит мгновенно. Отделенные электроны не могут пройти через слой сепаратора TOT, который пропускает только положительные ионы. Поэтому электроны проходят через сепаратор через внешнюю цепь (зарядное устройство) и попадают на медную пластину. Положительные ионы лития, оставшиеся на "отрицательной" стороне, также начинают "притягиваться" к положительной стороне. Они беспрепятственно проходят через сепаратор. В результате образуется катод, состоящий из слоя графита, который захватил электроны лития и их ионы. В таком состоянии литий-ионный аккумулятор считается заряженным.
Процесс разряда. Ионы и электроны лития остаются в графитовом слое до тех пор, пока к батарее не подключена внешняя цепь в виде нагрузки. Однако, как только подключается потребитель, батарея начинает работать. Ионы протекают через сепаратор и "мчат" обратно на свое предыдущее место. Электроны не могут пройти через сепаратор, как раньше, и вынуждены проходить через внешнюю цепь (потребитель). Предположим, это обычная лампочка. Вытекая из положительной пластины через потребителя, электроны создают ток. Достигнув места назначения, ионы лития и электроны снова становятся частью стабильного оксида лития.
Таким образом, основная идея литий-ионных аккумуляторов заключается в том, что для того, чтобы электроны двигались за положительными ионами, необходим внешний цепь. Таким образом, батарея разряжается за счет движения частиц.
Опасны ли литий-ионные аккумуляторы?
Как известно, литиевые батареи содержат нестабильные вещества, которые постоянно стремятся высвободить энергию. Электрохимические реакции приводят к тому, что ионы лития оседают на одной пластине, а соли кислорода образуются на другой пластине, образуя газы. Как и в случае со свинцово-кислотными батареями, не требующими обслуживания, выделение газов во время нормальной работы полностью контролируется. Однако в случае перегрева или перезарядки батарея может расшириться из-за внутреннего давления.
Как правило, аккумуляторы в мобильных гаджетах оснащены контроллером, делающим практически невозможным нарушение параметров зарядки. Однако всегда есть место для заводского брака или небрежности со стороны неуказанных производителей, которые могут поставить батарею под угрозу. Если батарея расширяется, она может вспыхнуть, если ее немедленно не утилизировать.
Как взрываются литий-ионные аккумуляторы. Опять же, из-за нестабильности лития. Он вспыхивает, как только контактирует с кислородом. Поэтому герметичность батареи очень важна. Еще одна распространенная причина возгорания - короткое замыкание между положительной и отрицательной пластинами. Чаще всего это вызвано сочетанием сильного износа и перегрева, негативно влияющих на целостность электролита.
Что делать, если аккумулятор вот-вот загорится или уже загорелся. Можно ли тушить литиевые батареи водой? Уже упоминалось, что литий активно реагирует с кислородом в воде. Тушение водой не рекомендуется, так как это может привести к взрыву аккумулятора. Пользователям, столкнувшимся с возгоранием литий-ионного аккумулятора, рекомендуется поместить его в безопасное место, например, в герметичную кастрюлю, чтобы реакция завершилась спонтанно. Если батарея уже загорелась и её невозможно извлечь, следует накрыть её чем-то негорючим. Опять же, лучше всего подойдет кастрюля, которой можно накрыть батарею. Это может предотвратить распространение огня и заблокировать доступ кислорода к месту возгорания.
