Из чего состоит аккумулятор телефона и принцип работы
Опубликовано:
Узнать, из чего состоят аккумуляторы телефона можно, только разобрав его самостоятельно. И то, куча непонятных деталей для неспециалиста мало о чем скажет. Еще один нюанс – разбор батарейки опасная вещь, возможны даже взрывы. Проще – детально изучить устройство, основные элементы и принцип работы батареи из статьи.
Содержание
- Как устроен и работает аккумулятор телефона?
- Принципы и устройства аккумулятора
- Что внутри батарейки?
- Корпус для батареек и из чего он сделан
- Примерный химический состав аккумуляторов телефона
Как устроен и работает аккумулятор телефона?
С виду батарея мобильной техники – небольшой блок и информацией о производителе на поверхности. Чтобы разобраться в особенностях этой детали, нужно детальнее осмотреть устройство аккумуляторов смартфонов.
Принципы и устройства аккумулятора
Батарея телефона, благодаря своим химическим и физическим свойствам является живительным элементом для процессора, дисплея и других частей.
Принцип, по которому работает аккумулятор:
- Ионы лития попадают в специальную решетку графита.
- Ионы при контакте с молекулами углерода создают химическую реакцию.
- Происходят разрывы.
- В результате реакции вырабатывается энергия.
- Энергия оседает на полюсах аккумулятора в форме электричества.
Долгое время производители питательных элементов трудились над одной проблемой. Дело в том, что литий внутри аккумулятора – жидкий. Это плохо сказывалось на стабильности его химических свойств. Когда появлялись трещины на корпусе – жидкий состав просто вытекал. Несмотря на такие недостатки, жидкий вариант обладал низким сопротивлением, поэтому лучше выполнял функции, чем сухой.
Современные батарейки сочетают в себе качественную работу Li-Ion и сухих частиц. Принцип работы аккумуляторов телефона основан на тех же ионах лития, но в устройстве установлен сухой сепаратор. Риск возникновения химических реакций сведен к минимуму. Механизм устроенный так, что при правильной эксплуатации батарейки она не взорвется.
Что внутри батарейки?
Самые сложные элементы аккумуляторов мобильников находятся внутри корпуса. Можно изучить их конструкцию и основные функции. Кроме банки с ионами лития и сепаратора, конструкция оснащена контроллером.
Контроллер – это «мозги» батареи сотового, состоит из таких элементов:
- Резисторы (в схеме питания, защиты).
- Терморезистор.
- MOSFET-транзисторы.
- Микросхема.
- Конденсатор накопления.
Контроллер выполняет следующие функции:
- Контроль заряда. Аккумуляторы телефонов заряжаются постепенно. Первых 10% с невысокой скоростью, потом ускорение до 80%, и конечный этап – замедление. С высокой скоростью заряжается лишь «средняя часть» батарейки, такая особенность работы для снижения нагрузки.
- Защита от перезаряда. Ток от сети поступает, но при достижении напряжения в 4,2 В питание автоматически останавливается.
- Защита от разряда. Установлено и минимальное напряжение, на уровне, примерно в 2,9 В.
Даже если процент упал до 0, и мобильный телефон выключился, в аккумуляторе остается небольшой запас. Если его не будет – потеряется полезная емкость. - Ограничение тока. Напряжение не всегда стабильно, великие скачки или короткое замыкание – однозначно повредят батарею. Это плохо скажется на длительности срока эксплуатации. Ограничитель препятствует этому.
- Балансировка батареи. Это конструкция, состоящая из последовательных электронных элементов. Такая схема обеспечивает равномерный заряд разных частей. От функции зависит долговечность батарейки.
- Контроль за температурой. В каждой батарейке установлен терморезистор. Он контролирует температуру и при надобности защищает устройство от перегрева или переохлаждения.
Даже если процент упал до 0, и мобильный телефон выключился, в аккумуляторе остается небольшой запас. Если его не будет – потеряется полезная емкость.Корпус для батареек и из чего он сделан
После ознакомления с тем, как устроен аккумулятор телефона, остается ознакомиться с корпусом этой детали.
Он состоит их двух слоев:
- Верхний слой. Пластиковое покрытие. Изолирует банку батареи, защищает ее от воздействия внешних факторов. Еще на покрытии производитель печатает информационный блок.
- Внутренний слой. Это – металл. Материал твердый и прочный, защищает внутренности от повреждений.
Изолирует банку батареи, защищает ее от воздействия внешних факторов. Еще на покрытии производитель печатает информационный блок.Производители аккумуляторов для техники используют металл с определенным показателем эластичности. Это делается для того, чтобы корпус выдержал деформации в случае вздутия батареи.
Примерный химический состав аккумуляторов телефона
Современные производители батареек для смартфонов применяют три класса катодных соединений:
- Кобальт лития. LiCoO2.
- Литий-марганцевая шпинель LiMn2O2.
- Литий-феррофосфат LiFePO4.
Электрохимические цепочки батарей телефонов будут состоять из следующих элементов:
- Литий-кобальтовые: LiCoO2 + 6C → Li1xCoO2 + LiC6
- Литий феррофосфатные: LiFePO4 + 6C → Li1xFePO4 + LiC6
Чтобы понять, как работает и какие функции выполняет батарея смартфона – следует изучить его устройство.
Тогда станет понятно, какой элемент за что отвечает, и какие материалы используются.
Как вам статья?
Всё, что нужно знать про аккумуляторы и аккумуляторные батареи
Аккумулятор (от лат. accumulator — собиратель), устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Электрический аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надобности обеспечивает обратное преобразование; используют как автономный источник электроэнергии. Аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими параметрами: электрохимической системой, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы. А его состояние оценивается по совокупности значений трех его основных характеристик: реальной емкости, внутреннего сопротивления и тока саморазряда.
При недооценке или игнорировании какого-либо из этих параметров или преувеличении важности одного из них (как правило, емкости) можно оказаться в ситуации «у разбитого корыта».
Типы аккумуляторов
Качество исполнения. А известно ли вам, что производители подразделяют элементы, которые устанавливаются внутри аккумулятора на три класса по качеству? Никто не пишет об этом и вы никогда не найдете упоминание классе используемых в аккумуляторе элементов на этикетке. Восполним этот пробел и поясним чем элементы класса А отличаются от элементов класса В и С. Впрочем, тут надо отметить, что у разных производителей границы различий элементов между классами могут отличаться в ту или иную сторону.
Качественные и количественные характеристики приведены в таблице.
Просмотреть запись
Напряжение аккумулятора определяется тем у?трой?твом, для питания которого он предназначен. Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно. Так например, для питания сотовых телефонов используются аккумуляторы с номинальным значением напряжения 2.4 В ( 2 NiMH элемента по 1.2 В), 3.6 В (1 Li-ion элемент или 3 NiMH элемента по 1.2 В), 4.8 В ( 4 NiMH элемента по 1.2 В), 6.0 В ( 5 NiCd или NiMH элемента по 1.2 В), 7.2 В ( 2 Li-ion элемента или 6 NiCd или NiMH элементов по 1.2 В).
Ёмкость аккумулятора, номинальная — это количество электрической энергии, которой аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Количество энергии определяется при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения.
Номинальное значение емкости аккумулятора часто обозначается буквой “C”, поэтому здесь и далее часто встречаются ссылки, подобные следующим: С, 1/10 C или C/10.
Когда говорят о разряде аккумулятора, равном 1/10 C, это означает разряд током, величина которого равна десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60mA. Подобно вышесказанному о разряде аккумуляторов, при заряде значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.
Внутреннее сопротивление аккумулятора, измеряемое в миллиомах (мОм, mOm), — это хранитель аккумулятора и в значительной степени определяет длительность его работы. При более низком внутреннем сопротивлении, аккумулятор может отдать в нагрузку больший пиковый ток, а значит и большую пиковую мощность. Высокое значение сопротивления делает аккумулятор ‘мягким’ и приводит к резкому уменьшению напряжения при резком увеличении тока нагрузки. Такой коллапс напряжения характеризует ‘слабость’ внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку (вспомните закон Ома, примеч.
Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу.
Так, например, для исправных NiCd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH — немного больше, а для Li-ion пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Так NiCd аккумуляторы за месяц могут потерять до 20% емкости, NiMH — до 30% и Li-ion до 8% от своей емкости. Величина саморазряда аккумулятора в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза.
Эффект памяти — это обратимая потеря емкости, вызванная укрупнением кристаллических образований активного вещества аккумулятора и тем самым уменьшением площади его активной поверхности. Часто на эффект памяти списывают потерю емкости, вызванную неправильной эксплуатацией и (или) неправильным обслуживанием аккумуляторов.
NiCd и в меньшей степени NiMH аккумуляторы подвержены воздействию эффекта памяти.
Cрок службы (срок эксплуатации) аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда /разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы аккумулятора. Информация о степени влияния различных факторов на срок службы приведена на сайте компании Motorola Energy Systems Group . Кроме того, срок службы аккумулятора определяется временем. прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60 — 80 % от номинального значения. Для примера ниже на графике приведена типовая зависимость количества циклов заряда / разряда для Li-ion аккумулятора при нормальных условиях.
Условия эксплуатации аккумуляторов определяются условиями эксплуатации элементов, которые находятся внутри аккумулятора. Для различных типов элементов разных производителей эти условия различны. Отличия заключаются в способности работы элементов в области минусовых температур и в температурных условиях для быстрого заряда. Соблюдая несложные правила приведенные ниже, вы обеспечите бесперебойную работу вашего аккумулятора в течение всего гарантийного срока эксплуатации:
Для увеличения срока службы и сохранения емкости аккумулятора не оставляйте его в холодных или теплых местах, например, в автомобилях летом и зимой или около радиаторов отопления. Всегда старайтесь хранить аккумулятор при температуре от 15 до 25°С (предельное значение температуры, как правило, от -10 до 45°С).
Время заряда зависит от типа аккумулятора и типа зарядного устройства (обратитесь за более подробными сведениями к руководству по эксплуатации своего телефона). Время заряда также зависит от температуры окружающего воздуха, оптимальная температура от 15°С до 25°С градусов. Никогда не заряжайте теплый или холодный аккумулятор. Сделайте выдержку времени для достижения аккумулятором комнатной температуры.
Старайтесь приобретать фирменные зарядные устройства, рассчитанные на заряд фирменных аккумуляторов. Дело в том, что дешевые универсальные настольные и автомобильные зарядные устройства сторонних производителей могут не обеспечивать требуемого алгоритма заряда фирменных аккумуляторов. Заряжайте Li-Ion аккумуляторы только в специально предназначенных для них устройствах.
Для надежной работы контакты аккумулятора и соответствующие контакты в телефоне должны быть чистыми и не иметь следов окисления.
При необходимости удалите следы окисления резиновым ластиком.
Не допускайте соприкосновения и замыкания электрических контактов аккумулятора с металлическими предметами. Это огнеопасно и приведет к его повреждению. Храните аккумулятор в защитной упаковке.
Зарядные устройства можно классифицировать по типу заряжаемых аккумуляторов, по методу заряда и по конструктивному исполнению. В соответствии с тремя основными методами заряда существует и три основных типа зарядных устройств:
- Стандартное (ночное) зарядное устройство – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.
- Быстрый зарядное устройство — заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов. Такие зарядные устройства снабжаются устройством разряда аккумулятора.
- Ускоренный или дельта V (D V) заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час. Прекращение заряда основано на регистрации отрицательного перепада (спада) напряжения (Negative Delta V — NDV), появляющегося в герметичных NiCd и NiMH батареях при достижении ими состояния полного заряда. В NiMH этот спад меньше по величине, чем в NiCd, и потому используется в совокупности с другими методами для прекращения режима быстрого заряда NiMH батареи.
Время заряда примерно 1 час. Прекращение заряда основано на регистрации отрицательного перепада (спада) напряжения (Negative Delta V — NDV), появляющегося в герметичных NiCd и NiMH батареях при достижении ими состояния полного заряда. В NiMH этот спад меньше по величине, чем в NiCd, и потому используется в совокупности с другими методами для прекращения режима быстрого заряда NiMH батареи.Анализаторы аккумуляторов. В отличие от зарядного устройства анализатор аккумуляторов — это прибор, специально разработанный для проведения технического обслуживания различных типов аккумуляторов и обеспечивающий:
Оптимальный разряд и заряд аккумуляторов в соответствии с рекомендациями их изготовителей.- Количественную оценку емкости и других параметров аккумуляторов.
Восстановление потерянной в результате эксплуатации номинальной емкости NiCd и NiMH аккумуляторов.
Одновременное независимое обслуживание аккумуляторов различных типов.
Конструкция аккумулятора для сотового телефона представляет собой пластмассовый корпус, в который помещены один или несколько элементов, соединенных последовательно, как правило со схемой управления. Непосредственно в элементах запасается электрическая энергия при заряде. От их качества зависит и качество аккумулятора. Мы используем в наших аккумуляторах элементы ведущих мировых производителей: Panasonic, Maxell, GS-Melcotec, Samsung, B&K. Схема управления обеспечивает управление процессом заряда и разряда, а в некоторых случаях дополнительно идентификацию аккумулятора. В NiMH аккумуляторах схема управления содержит минимум пассивных электро и радиоэлементов, в Li-ion и Li-polymer – она может содержать и микроконтроллер.
Покупка аккумулятора. При покупке нового телефона в комплекте, как правило, никаких проблем с аккумулятором на протяжении примерно года и даже более не возникает. Если Вы, конечно, не нарушаете общих правил эксплуатации аккумулятора, а также правил, характерных для данного типа аккумуляторов.
Дело в том, что производители комплектуют свои телефоны оригинальными (фирменными) аккумуляторами, произведенными с полным соблюдением технологического процесса изготовления и контроля качества. Единственно, что требуется от потребителя, — это проконтролировать наличие в комплекте фирменного нового аккумулятора и правильно ввести его в эксплуатацию. Последовательность действий, совершаемых при этом, всегда приводится в инструкции по эксплуатации телефона, которая, безусловно, должна быть на русском языке. Но беда в том, что потребители инструкцию часто не читают.
Старайтесь покупать тот аккумулятор, который уже был в вашем телефоне. Или по крайней мере аналогичный.
Если вы приобретаете аккумулятор стороннего производителя (на них, как правило, вместо фирменного обозначения типа пишется что-нибудь вроде «For Motorola», «For Nokia» или вообще название какой-либо другой фирмы), то попытайтесь найти тех, кто их недавно покупал, покупал именно в этом месте, и узнайте их мнение.
В любом случае заручитесь возможностью вернуть аккумулятор обратно, если он вас не устроит, или продумайте, как вы будете отстаивать свои права в случае возврата аккумулятора с точки зрения закона о защите прав потребителя.
Сразу после покупки и проведения подготовки к эксплуатации несколько раз проконтролируйте время работы телефона с новым аккумулятором и сравните его с указанным в инструкции по эксплуатации для данного значения емкости. Хотя и приблизительно, но это позволит оценить его емкость. Сравните полученную продолжительность времени работы со временем работы на прежнем аккумуляторе (учтите разницу в емкости).
При покупке обратите внимание на то, что литий-ионный аккумулятор обязательно должен быть заряжен не менее чем на 60 — 80 %. Этот тип аккумуляторов не допускается хранить в разряженном состоянии. Никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы могут быть в разряженном состоянии.
Следует отметить и наличие небольшой вероятности приобретения новых, не соответствующих норме фирменных аккумуляторов, не говоря уже об аккумуляторах сторонних производителей.
Это своего рода брак, вызванный или поставкой недоброкачественных аккумуляторов (а такие случаи бывают) по более низкой цене и выдаваемых продавцом за нормальные, или неправильными условиями их хранения на складах продавца.
Оптимальный вариант — это покупка аккумулятора, прошедшего проверку на специальном приборе (например, анализаторе аккумуляторов типа Cadex 7000) и процедуру подготовки к эксплуатации.
Как работают литий-ионные аккумуляторы? | Аккумулятор SCiB™
Эта страница частично использует JavaScript. Эта страница может работать неправильно, если эти функции не поддерживаются вашим браузером или параметр отключен.
Top Page
Что составляет
SCIB ™
Приложения
Продукты
Тематическое исследование
Следующее поколение
Знание
Устойчивости
из SCIB ™
Свяжитесь с US
0003 1-й период
Как работают литий-ионные батареи?
Что такое литий-ионный аккумулятор? Какие особенности у него есть?
Литий-ионная батарея — это тип перезаряжаемой батареи, которая заряжается и разряжается ионами лития, перемещающимися между отрицательным (анодным) и положительным (катодным) электродами.
(Как правило, батареи, которые можно многократно заряжать и разряжать, называются вторичными батареями, тогда как одноразовые батареи называются первичными батареями.)
Поскольку литий-ионные аккумуляторы подходят для хранения энергии большой емкости, они используются в широком спектре приложений, включая бытовую электронику, такую как смартфоны и ПК, промышленных роботов, производственное оборудование и автомобили.
О, правда? Аккумуляторы для смартфона! Литий-ионные аккумуляторы
используются в знакомых продуктах, не так ли? Кстати, что такое литий?
Литий — это металл, встречающийся в естественной среде
. Вы помните периодическую таблицу элементов
как мантру?
Все ли литий-ионные аккумуляторы имеют одинаковую производительность?
Литий-ионные аккумуляторы делятся на различные виды в зависимости от размера, формы, материала, используемого для положительных и отрицательных электродов, и так далее.
Промышленная литий-ионная батарея Toshiba SCiB™ использует оксид лития-титана на отрицательном электроде и обеспечивает длительный срок службы, быструю зарядку, высокую входную/выходную мощность, отличную работу при низких температурах и широкий эффективный диапазон SOC.
Все литий-ионные аккумуляторы разные!
Убедитесь, что вы выбрали именно то, что вам нужно.
Как литий-ионные аккумуляторы накапливают энергию?
литий-ионный аккумулятор состоит из 1) анода и катода; 2) разделитель между двумя электродами; и 3) электролит, который заполняет оставшееся пространство батареи. Анод и катод способны накапливать ионы лития. Энергия накапливается и высвобождается, когда ионы лития перемещаются между этими электродами через электролит.
При накоплении энергии (т. е. во время зарядки)
- Зарядное устройство подает ток на аккумулятор.
- Ионы лития перемещаются от катода к аноду через электролит.
- Аккумулятор заряжается за счет разности потенциалов между двумя электродами.
При использовании энергии (т.е. при разрядке)
- Между анодом и катодом образуется разрядный контур.
- Ионы лития, хранящиеся в аноде, перемещаются к катоду.
- Энергия используется.
Аккумулятор можно многократно заряжать и разряжать
благодаря движению ионов лития.
Мистер Литиум — большой труженик, постоянно курсирующий туда-сюда!
Ему нужны инновации в рабочем стиле!
Чем отличаются литий-ионные аккумуляторы от свинцово-кислотных?
Как правило, литий-ионные аккумуляторы легче и заряжаются быстрее, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.
А литий-ионные аккумуляторы более экологичны, так как не содержат веществ с высокой экологической нагрузкой.
Мой свинцово-кислотный аккумулятор тоже удобен…
Кроме того, свинцово-кислотные аккумуляторы дешевле. Я использую их на протяжении десятилетий.
Правильно. Трудно сказать, какой из них лучше. Все зависит от вашего приложения
, окружающей среды, материала и так далее.
Вот почему вам нужно изучить и выбрать правильный аккумулятор для вас.
Подходящая батарея для меня… Как романтично!
Теперь я хочу узнать больше о литий-ионных батареях.
Хорошо! Во 2-м периоде я научу вас
выберите правильный для вас. Следите за обновлениями!
О литий-ионных аккумуляторах
Особенность AGV с промышленным литий-ионным аккумулятором Toshiba SCiB™
Особые навыки Работать быстро с быстрой зарядкой
Сообщить всем о преимуществах литий-иона Цель батарейки!
AGV: Автоматизированное управляемое транспортное средство, предназначенное для работы в заводских условиях
Особенность AGV со свинцово-кислотным аккумулятором
Особый навык Глубокий сон
Цель Жить мирно, ценя баланс между работой и личной жизнью!
Учебный план
По вопросам о серии SCiB™ Industrial Pack нажмите здесь.
Часть 4: Что такое твердотельные батареи? Эксперт объясняет основы, чем они отличаются от обычных батарей, и возможности практического применения.
Эта серия из пяти частей знакомит с характеристиками, историей и будущими возможностями литий-ионных аккумуляторов под руководством Рёдзи Канно, профессора Токийского технологического института.
Часть 4 посвящена твердотельным батареям, которые имеют характеристики, аналогичные литий-ионным батареям, и считаются «батареями следующего поколения». В нем объясняются их отличия от современных литий-ионных аккумуляторов, рассматриваются ожидаемые области их применения и проблемы практического применения.
- Читайте также:Часть 3: Даже Нобелевскую премию! История распространения литий-ионных аккумуляторов
Супервайзер: Рёдзи Канно
Профессор института (почетный профессор), Институт инновационных исследований, Токийский технологический институт
В 1980 году он получил степень магистра неорганической и физической химии в Высшей школе наук Осакского университета. В 1985 году он стал доктором наук. После работы адъюнкт-профессором на факультете естественных наук Университета Кобе в 2001 году он стал профессором Междисциплинарной высшей школы науки и техники Токийского технологического института. В 2016 году он стал профессором Школы Токийского технологического института.
Материалы и химическая технология. В 2018 году он стал профессором Института инновационных исследований Токийского технологического института и руководителем подразделения полностью твердотельных аккумуляторов. В 2021 году он стал профессором Института инновационных исследований Токийского технологического института и директором Исследовательского центра твердотельных аккумуляторов.
ИНДЕКС
1. Что такое твердотельные батареи?
2. Как работают твердотельные батареи?
3. Какие существуют типы твердотельных аккумуляторов?
4. Чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов? Описание преимуществ твердотельных аккумуляторов
5. Каковы области применения твердотельных батарей?
6. Насколько безопасны твердотельные батареи?
7. Каковы проблемы практического применения твердотельных аккумуляторов?
1. Что такое твердотельные батареи?
Как следует из названия, твердотельная батарея — это батарея, в которой все компоненты, из которых состоит батарея, являются твердотельными.
Вторичные батареи (аккумуляторы, которые можно перезаряжать и использовать многократно), такие как литий-ионные батареи, в основном состоят из двух электродов (катода и анода), сделанных из металла, и электролита, заполняющего пространство между ними. В обычных вторичных батареях в качестве электролита используется жидкость, но в твердотельных батареях в качестве электролита используется твердое вещество.
Ожидается, что твердый электролит позволит создавать батареи большей емкости и более высокой мощности, чем литий-ионные батареи. Более того, твердый электролит имеет преимущества с точки зрения безопасности по сравнению с литий-ионными батареями. Поэтому они привлекают внимание к установке в электромобилях и других продуктах.
Таким образом, говорят, что твердотельные батареи будут иметь различные преимущества, если их можно будет использовать на практике. В настоящее время различные компании соревнуются в разработке продуктов и реализации серийного производства для больших объемов поставок.
2. Как работают твердотельные батареи?
Как работают литий-ионные и твердотельные батареиТвердотельные батареи имеют почти такой же механизм, как и литий-ионные батареи для извлечения электроэнергии из батарей. В качестве материала для электродов используется металл, а электрический поток генерируется ионами, движущимися через электролит между катодом и анодом. Большая разница в том, что электролит твердый. Кроме того, когда электролит представляет собой жидкость, имеется сепаратор, который отделяет катод от анода, предотвращая внезапное смешивание жидкости на стороне катода с жидкостью на стороне анода. Но в случае твердого электролита сепаратор не нужен.
Ключом к исследованию твердотельных батарей является открытие и/или разработка твердотельных материалов. В прошлом не было обнаружено твердотельного материала, который позволял бы ионам перемещаться внутри и создавать достаточный поток электричества к электродам. Но открытие таких материалов дало импульс развитию твердотельных батарей.
При переходе от жидкого к твердому электролиту ионы будут хорошо перемещаться в батареях, что позволит создавать батареи большей емкости и большей мощности, чем литий-ионные батареи.
3. Какие существуют типы твердотельных аккумуляторов?
Твердотельные батареи в целом подразделяются на «объемные» и «тонкопленочные» в зависимости от метода производства, при этом количество энергии, которое они могут хранить, различается.
| Тип | Характеристики | Предполагаемое использование |
|---|---|---|
| Навалом | Может хранить много энергии | Аккумуляторы для электромобилей и т. д. |
| Тонкопленочный | Может хранить лишь небольшое количество энергии, но длится долго | IoT-устройства и т. д. |
Характеристики объемных твердотельных батарей
Порошки (вещества, состоящие из порошка, зернистого материала и др.
) применяют в качестве материалов электродов и электролита. Можно сделать батареи большой емкости, которые могут хранить много энергии. Ожидается, что они в основном будут использоваться для крупных вещей, таких как электромобили.
Характеристики тонкопленочных твердотельных аккумуляторов
Это аккумуляторы, изготовленные путем укладки тонкопленочного электролита на электроды в вакуумном состоянии. Количество хранимой энергии невелико, и они не могут производить большую мощность. Однако есть и преимущества, такие как длительный срок службы и простота изготовления. Поскольку они маленькие, они подходят для использования в небольших устройствах, таких как датчики.
4. Чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов? Описание преимуществ твердотельных аккумуляторов
Считается, что твердотельные батареи, которые, как ожидается, станут следующим поколением вторичных батарей, обладают следующими преимуществами.
Характеристики твердотельных батарейВыдерживают низкие и высокие температуры
Поскольку электролиты в литий-ионных батареях изготовлены из легковоспламеняющихся органических растворителей (жидкостей, растворяющих вещества, не растворяющиеся в воде), их использование в условиях высоких температур вызывает опасения.
С другой стороны, поскольку электролиты в твердотельных батареях не сделаны из горючих материалов, их можно использовать при более высоких температурах.
Кроме того, в случае жидкостей движение ионов замедляется при низких температурах, что приводит к снижению производительности батареи и снижению напряжения. В случае с твердыми телами внутреннее сопротивление увеличивается не так сильно, и производительность батареи не сильно падает, потому что твердое тело не замерзает, как жидкость, даже при низких температурах.
Возможна быстрая зарядка
Преимущество устойчивости к высоким температурам также полезно для быстрой зарядки. Чем быстрее заряжаются аккумуляторы, тем больше они нагреваются. Из-за этого считается, что устойчивые к высоким температурам твердотельные батареи можно будет заряжать даже быстрее, чем современные литий-ионные батареи.
Долгий срок службы
Срок службы батареи зависит от свойств электролита. Поскольку в литий-ионных батареях не используется реакция батареи, как в других вторичных батареях, электрод изнашивается мало и служит долго, но при длительном использовании можно увидеть ухудшение состояния электролита.
В этом отношении, поскольку электролиты в твердотельных батареях портятся меньше, чем жидкости, можно будет еще больше продлить срок службы батареи.
Высокая степень свободы формы
Жидкие электролиты имеют конструктивные ограничения для предотвращения утечки жидкости. Но в случае с твердотельными батареями такого ограничения нет. Таким образом, их можно использовать в различных формах, потому что их легко сделать меньше и тоньше, а также потому, что их можно использовать внахлест или изгиб.
5. Каковы области применения твердотельных батарей?
Ожидаемые области применения твердотельных аккумуляторов Одно из предполагаемых применений твердотельных батарей — электромобили. В настоящее время в электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы. Но если бы они использовали твердотельные батареи, риск воспламенения в результате аварий, как ожидается, снизится, поскольку они не содержат легковоспламеняющихся органических растворителей.
Кроме того, в то время как современные электромобили заряжаются дольше, чем заправка бензином, твердотельные батареи можно будет заряжать быстрее.
Кроме того, одной из причин, по которой активно ведется практическое применение твердотельных аккумуляторов, является то, что они могут компенсировать слабое место литий-ионных аккумуляторов, заключающееся в уязвимости к высоким температурам. Поскольку они могут быть припаяны непосредственно к электронной подложке, используя преимущества их термостойких характеристик, также ожидается, что их использование будет включать резервные источники питания электронных устройств и датчики IoT. При использовании на ПК или смартфонах они должны обеспечивать мощную работу в течение более длительного времени.
Кроме того, поскольку твердотельные батареи могут достигать большей емкости и большей производительности, чем литий-ионные батареи, можно ожидать, что они будут использоваться в самолетах и кораблях. А поскольку они устойчивы к температурным изменениям в диапазоне от высоких до низких температур, можно ожидать, что их области применения будут расширяться, включая устройства, используемые в космосе.
6. Насколько безопасны твердотельные батареи?
В литий-ионных батареяхв качестве электролитов используются легко испаряющиеся органические растворители, поэтому их использование в условиях высоких температур вызывает опасения. Кроме того, чтобы использовать жидкие электролиты, необходимо было разработать способы предотвращения прямого контакта катода и анода (короткого замыкания) при ударе, например, с помощью разделителей между ними.
Твердотельные батареи трудно замкнуть накоротко, поскольку электроды разделены твердым телом, и их можно использовать при более высоких температурах, поскольку в них используются высокотермостойкие электролиты. Однако, поскольку все батареи представляют собой «консервированную энергию», твердотельные батареи небезопасны. При обращении с ними необходимо соблюдать осторожность, так как по какой-либо причине электроды могут замкнуться накоротко.
7. Каковы проблемы практического применения твердотельных аккумуляторов?
Ведутся исследования и разработки высокоэффективных твердых электролитных материалов с целью практического применения твердотельных аккумуляторов в начале 2020-х годов.
Для этого также необходимо решить следующие задачи.
Вызов твердого электролита
Чтобы аккумуляторы работали хорошо, электроды и электролит всегда должны находиться в тесном контакте. Жидкие электролиты всегда меняют форму, поэтому они могут поддерживать тесный контакт, даже если электрод немного изменится. С другой стороны, с твердым на твердом существует проблема, заключающаяся в том, что трудно всегда поддерживать тесный контакт.
Проблема электродных материалов
Для того, чтобы твердотельные батареи значительно увеличили плотность энергии по сравнению с существующими литий-ионными батареями, необходимо разработать электроды, которые могут хранить больше энергии при том же весе и размере.
Проблема производственного процесса
Поскольку электролит будет заменен с жидкого на твердый, необходим производственный процесс, отличный от литий-ионных аккумуляторов. Например, твердотельные батареи могут быть основаны на оксидах, сульфидах, нитридах и т.