Литиевый аккумулятор для автомобиля набирает все большую популярность. Легкие литиевые аккумуляторы разработаны для целого ряда транспортных средств, начиная от мотоциклов и заканчивая военной техникой. Растущий спрос на них заставил поставщиков и ученых сосредоточиться на повышении плотности энергии, рабочей температуры, безопасности, долговечности, времени зарядки и выходной мощности литий-ионных батарей.
Разработка литиевых АКБ началась с 1912 года под руководством Г.Н Льюиса, но появились первые литиевые неперезаряжаемые источники питания только в начале 1970-х годов. В 1980-х годах попытались разработать перезаряжаемый питающий элемент, но разработка не удалась из-за нестабильности в металлическом литии, используемом в качестве основного материала.
Литиевая батарея использует литий в качестве анода. АКБ Lion используют графит в качестве анода и активных материалов в катоде.
В связи с нестабильностью лития во время зарядки ученые стали использовать неметаллический раствор с использованием лития. В 1991 году запатентовала первый ион Li батарею. Продолжая развиваться, она остается популярной и перспективной на мировом рынке.
Свинцово-кислотные источники питания уступают литий-ионным автомобильным аккумуляторам по многим показателям. Вес литиевых АКБ на 80 % легче свинцово-кислотных. В батарее Lion долгое время сохраняется зарядка, срок службы достигает десяти лет.
С другой стороны, цена на автомобильные литиевые аккумуляторы в несколько раз превышает стоимость свинцово-кислотных.
Автомобильный литий-ионный аккумулятор часто используется в электромобилях. Электромобиль приводится в движение, используя энергию источника питания.
Типы батарей электромобиля
В электромобилях используется три типа аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, батареи гидрида металла никеля и литий-ионные источники питания.
Свинцово-кислотные АКБ изобретены в 1859 году и считаются привычной формой источника питания. Они использовались во всех типах автомобильного транспорта. Это вид жидких батарей, которые содержат емкости со слабым раствором серной кислоты.
Свинцовые электроды и кислота используется для производства электроэнергии в АКБ. Источник питания не имеет сложности в обслуживании и отличается небольшой стоимостью. Но содержит опасные газы, которые приводят к взрыву при неправильной эксплуатации.
Никель-металлогидридные аккумуляторы используются с 1980 года. Это маленькая, легкая и вместительная батарея, которая имеет высокую плотность и не содержит никаких токсических металлов.
Литий-ионные аккумуляторы для автомобилей используются с начала 1990 года. Они отличаются очень высокой плотностью энергии.
Из-за облегченных и низких требований к техническому обслуживанию, литий-ион используется в электронных устройствах, часто в портативных компьютерах.
Этот тип питающих элементов считается лучшим для питания электромобилей.
Достоинства литиевых аккумуляторных батарей
Данный источник питания обладает своими неоспоримыми преимуществами:
- имеют значительно меньший вес, что существенно отражается на массе автомобиля;
- более длительное время сохраняют заряд;
- обладают способностью выдерживать многочисленное количество разрядно/зарядных циклов.
Помимо этого, литиево-ионный аккумулятор обладает более высоким соотношением выхода безопасного тока относительно номинальной ёмкости. Поэтому, в сравнении с кислотными АКБ, на выполнение определённого объёма работы потребуется значительно меньше энергии. Исходя из категории, они могут как поглощать, так и сбрасывать огромнейшее количество тока. Однако литиево-ионные аккумуляторы не являются панацеей для автомобилей и обладают достаточным количеством недостатков.
Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются
В настоящее время используются три вида LIB, которые отличаются материалами катода.
Катоды лития, содержащие кобальт (Limo2).
Этот тип особенно эффективен. Кобальтовый ион Со3+ маленький, поэтому катод построен таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещаются. Это важно для высокой плотности энергии и емкости, чтобы выпускать маленькие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях.
Литий-кобальтовый оксид LiCoO2 (LCO) – это тонкое устройство чувствительно к повреждениям, поэтому используется лишь в электроприборах.
Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Обеспечивая хорошую плотность энергии и высокую мощность, эти материалы используются как литиевые аккумуляторы 12 вольт для автомобиля.
Литий-Никель-Марганец-Кобальт-Оксиды (NMC) – прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом существует несколько вариантов, в которых металлы содержат никель, марганец и кобальт в различных соотношениях. Чем больше доля никеля – тем выше содержание энергии.
Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).
Этот вид также прочен, но имеет низшую плотность энергии, чем катоды LiMО2. Китайские производители используют для электромобилей городского цикла. Заряда хватает на короткие расстояния.
Катоды из оксида марганца-лития (LiMn2O4 или LMO).
Этот вид раньше использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.
В этом видео описаны подробные характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровки маркировок.
Почему Литий-ионные аккумуляторы не ставят на машины
Литиевые батареи в автомобилях
Литиевые аккумуляторы – довольно непростая вещь в контексте автомобильной тематики. Их неохотное использование обросло множеством мифов, однако есть и вполне объективные причины, делающие установку таких батарей в данный момент нежелательной. На заре изобретения литиевых батарей в минусе был металлический литий, потом его сменил кокс, а сегодня всё больше распространяется графит. После добавления оксида кобальта аккумуляторы снизили свой нижний температурный порог, а также повысилось количество циклов зарядразряд. Все литиевые батареи оснащены специальной защитной платой, контроллером. Li-ion батареи по материалу катода различают:
- Кобальто литиевые – LiCoO2;
- Литий полимерные – LiPol
Преимущества литиевых аккумуляторов
- Очень высокая плотность энергии. Превосходит в четыре раза свинцово-кислотные источники питания.
- Высокое напряжение клеток. Литий-ионная ячейка заменяет три ячейки NiCd или NiMH, которые обеспечивают только 1,2 вольта. Ученые в настоящее время работают над обеспечением более высокого напряжения в клетках. Чем больше напряжение в клетках, тем меньше клеток требуется. Это дает возможность сделать батарею легче и вместительнее.
- Переносят высокие токи разряда. Это позволяет работать автомобильным приборам, таким как холодный стартер или приводы для гибридных автомобилей с маленькой емкостью АКБ.
- Увеличивают мощность и производительность, в зависимости от требований.
- Имеют возможность быстрой зарядки.
- Отсутствует эффект памяти – полная разрядка не влияет на продолжительность срока службы.
- Низкая скорость саморазряда (от трех до пяти процентов в месяц, сохранят работоспособность до десяти лет).
- При заряде батареи на 100 % способна отдать энергию тока без технических повреждений.
Вариации базового химического состава (например, различные анодные и катодные материалы) позволяют разнообразить характеристики производительности для конкретных применений.
Также доступны батареи маленького размера. Материал электрода и керамические электролиты могут быть разделены на твердые (оксид алюминия/силикагель) или гибкие (акриловые волокна) подложки для производства энергии высокой плотности для тонких и плоских батарей.
Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы
Первые модели литий-ионных автомобильных аккумуляторов состояли из катодного материала на алюминиевой фольге и анодного на медной фольге, помещенных внутрь корпуса и разделенных специальным сепаратором, пропитанным жидким электролитом.
Герметичный корпус АКБ оснащался клапаном сброса внутреннего давления. К клеммам анод и катод подключались токосъемниками.
В литиевых ионных автомобильных аккумуляторах заряд переносится положительно заряженными ионами лития, которые внедряются в кристаллические решетки других материалов — солей и кислот металлов, графита, образуя с ними химическую связь.
Изначально роль отрицательных пластин выполнял металлический литий, который впоследствии сменился на каменноугольный кокс и графит. Использование осксида кобальта позволило увеличить температурный диапазон работы АКБ и повысить количество циклов заряда/разряда.
В комплекте с литиевыми ионными аккумуляторами для авто имеются защитные платы типа BMS.
Недостатки литий-ионных батарей
- Чувствительность к глубокой разрядке, перегрузка и слишком высокая температура. Но на практике это редко является проблемой. Аккумуляторы уже имеют встроенную электронику, которая защищает от негативных влияний. При использовании LIB без встроенной электроники рекомендуется использовать зарядное устройство, которое для нее предназначено.
- Повышенная чувствительность к высоким и низким температурам. Оптимальная рабочая температура в пределах 10–35 градусов. При низких температурах мощность батареи падает. Также существуют специально предназначенные ионные источники питания для низких температур, которые поддерживают заряд при температуре -40 градусов, только с ограниченными разрядными потоками.
Зарядка LiFePo4 аккумулятора
Способность таких батарей быстро принимать необходимый заряд является преимуществом только на первый взгляд. Скорость внутренних химических реакций далека от мгновенной, вследствие чего состояние электролита при быстром заряде не будет одинаковым. Слои, расположенные в непосредственной близости от электродов, будут заряжены «под завязку», а периферические почти не получат заряда. Чем мощнее АКБ, тем заметнее будет эта разница.
На практике это означает, что вы сможете быстро получить номинальное напряжение на клеммах батареи, но на насыщение электролита потребуется больше времени.
Обычно ток заряда измеряют процентами от ёмкости батареи. Но если для обычных аккумуляторов это 9–10%, то для литиевых – от 50 до 100%. Это много, ведь номинал ёмкости таких батарей может составлять до 100 А*час, так что для их зарядки нужны мощные ЗУ с соответствующими значениями по амперажу.
Скажем, заряжать литиевый автомобильный аккумулятор ёмкостью 75–100 А*час необходимо током 50–100 А. Если в процессе зарядки начнёт подниматься температура электролита, BMS отключит ЗУ, но это будет свидетельством неполадок в батарее или неправильного выбора алгоритма.
Безопасность литиевых батарей
При перегреве или перезарядке LIB могут подвергаться разрушению. Это приведет к утечке ядовитых газов, взрыву и пожару. Чтобы этого избежать, батарея лития содержит отказоустойчивую схему, которая отключает источник питания, когда напряжение находится в опасном диапазоне.
Короткое замыкание приведет к перегреву, возгоранию и взрыву. Литий-ионные аккумуляторы, в отличие от свинцово-кислотных, изготавливаются под высоким давлением, они имеют легковоспламеняющийся жидкий электролит. Их качество строго контролируется при изготовлении.
Литий-ионный аккумулятор для автомобиля имеет множество положительных характеристик, но использование его в бензиновых и дизельных двигателях не эффективно и в данное время не применяется. Генератор, который вырабатывает переменный ток в автомобиле, не приспособлен заряжать данный вид аккумуляторов.
Это видео расскажет об использовании литий-ионных аккумуляторов для бензиновых и дизельных двигателей.
Преимущества и минусы стартовых литиевых АКБ для авто
Что для автомобилиста лучше, поставить на автомобиль аккумулятор нового поколения, стоящий около 120 000 рублей или купить дорогой (120$), но привычный кислотный АКБ?
К преимуществам литиевого аккумулятора относят его малый вес. Но так ли важно десять лишних килограмм для многосильного мотора? Да, зарядная емкость у литиевого аккумулятора выше раза в 2, циклов перезарядки он выдержит раза в 3 больше. Пусковой импульс стартер будет получать безотказно и стабильно, если выполнить условия эксплуатации.
- В первую очередь, новый аккумулятор нельзя заряжать напрямую от генератора. Вспомните, он не терпит перезаряд и очень быстро выйдет из строя. Значит, потребуется конвертор, который будет преобразовывать ток от генератора для питания аккумулятора.
- Характеристики любых литиевых аккумуляторов резко падают при понижении температуры и в этом они уступают свинцовым АКБ.
- Еще более опасна для батареи температура выше +60 0 С. Перегрев может привести к пожару и взрыву.
- В бортовой системе не должно быть высоких токовых нагрузок. И стартер, и лебедка и другие инструменты должны принять условия работоспособности аккумулятора. А это выльется в дорогостоящую модернизацию электрической схемы.
- Моторесурс аккумулятора зависит от равномерности заряда банок, постоянной вибрации, разрушающей контакты и способствующие коррозии корпуса. Емкость банок в таких условиях резко уменьшается.
Адаптация автомобиля под литиевый-литиевый аккумулятор выльется в сумму, больше стоимости самого источника энергии. Однако рассчитывать на длительную работу АКБ не приходится – максимум 3 года.
