устройство, принцип работы, характеристики автомобильного аккумулятора

Знаете ли вы, что первые автомобили были именно электрическими и использовали свинцово-кислотные аккумуляторы? То, что мы привыкли считать машинами будущего – электромобили – появились до изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС). С тех пор прошло больше 100 лет, но современный АКБ автомобильный изменился только качественно, оставшись принципиально таким же, как и столетие назад.

Сегодня аккумулятор в автомобиле считается расходником, требующим периодической замены. Сколько именно проработает АКБ – вопрос к качеству изготовления, режиму работы, даже к состоянию дорог, но рано или поздно его меняют на «свежий». Какие функции он выполняет, какие характеристики может иметь, как выбирать и как продлить жизнь аккумулятору – читайте в этой статье.

Содержание

1. Что такое аккумулятор (АКБ) и для чего он нужен?
2. Устройство и принцип работы АКБ
3. Виды аккумуляторов
4. Классификация по составу активного вещества
5. Классификация по типу электролита
6. Технические (рабочие) характеристики автомобильных аккумуляторов
7. Номинальная емкость аккумулятора
8. Пусковой ток
9. Полярность
10. Исполнение корпуса
11. Тип и размер клемм
12. Тип крепления
13. Рейтинг ТОП аккумуляторов
14. Советы по эксплуатации и обслуживанию АКБ
15. Заключение

Что такое аккумулятор (АКБ) и для чего он нужен?

Современные автомобили всё больше становятся похожи на сложные электронные гаджеты: умное управление, всевозможные «помощники», автоматическая парковка и даже автопилот – это только небольшая часть той цифровой «начинки», которой богат автомобиль. И всё это счастье постоянно нуждается в электроэнергии, которую нужно постоянно откуда-то добывать. Именно хранилищем энергии, откуда ее можно взять в любой момент, и выступает АКБ. Да, он выполняет свою четкую функцию: накапливает заряд, затем отдает и дальше снова накапливает. Отличный вариант!

Само понятие аккумулятора нам уже настолько привычно, что глупо спрашивать, зачем он нужен. Однако на удивление мало людей могут точно сказать, для чего именно служит аккумуляторная батарея в автомобиле.

Ее назначение можно описать в трех пунктах.

1. Аккумулятор обеспечивает энергию для запуска двигателя на старте.
2. Аккумулятор служит резервным источником энергии, когда она требуется сверх того, что может дать генератор (например, при включении автомобильного кондиционера).
3. Аккумулятор питает электроприборы, когда двигатель выключен и генератор не работает. Например, видеорегистратор, сигнализацию, свет и т.д.

Устройство и принцип работы АКБ

Устройство автомобильного аккумулятора

Тот, кто хоть раз держал в руках аккумулятор автомобиля, знает, как много весит это устройство. Причина в том, что корпус его плотно заполнен элементами, содержащими свинец.

Устройство аккумулятора.

Для легковых автомобилей, требующих 12-вольтных АКБ, используется стандартная схема компоновки.

1. Шесть элементов по 2 вольта (их обычно называют банками) объединены в общий корпус.
2. Каждый из элементов состоит из положительных и отрицательных электродов: свинцовых решеток, в которые «впечатано» активное вещество. Электроды разделены между собой сепараторами, так что не соприкасаются друг с другом.
3. И всё это залито электролитом – смесью воды и серной кислоты.

Активное вещество на решетках отличается по составу: для анода (положительного электрода) используется диоксид свинца, для катода (это отрицательный электрод) – губчатый свинец. В обоих случаях к свинцовым компонентам добавлены вспомогательные вещества (лигатуры), улучшающие работу аккумулятора.

Принцип работы.

Принцип работы АКБ

В том виде, который описан выше, аккумулятор считается «заряженным». При подключении к выводам батареи любого устройства, требующего энергии, начинается реакция свинцовых компонентов с оксидом серы и водой. Сера и свинец вступают в реакцию и преобразуются в сульфат свинца и воду. Кислоты в электролите становится меньше, воды – больше, плотность электролита снижается и через некоторое время концентрации серы не хватает на то, чтобы реагировать со свинцовыми компонентами. Аккумулятор разряжается.

Процессы разряда и заряда АКБ

При подаче электроэнергии для зарядки АКБ происходит обратный процесс — сульфат свинца, осевший на пластинах, разлагается на оксид свинца и серную кислоту, которая выделяется обратно в электролит. Восстанавливается изначальная плотность электролита, а на пластинах остается активное вещество – батарея заряжена. Ниже представлен короткий и понятный видео-урок по устройству и принцип работы аккумуляторной батареи.

Виды аккумуляторов

В попытке улучшить характеристики автомобильных аккумуляторов инженеры перепробовали множество способов. В итоге сегодня мы имеем различные типы АКБ, которые различаются по химическому составу активных компонентов и конструкции.

Классификация по составу активного вещества

В первых аккумуляторах использовались свинцовые пластины, однако такая конструкция довольно быстро перестала устраивать инженеров и потребителей: тяжелая, малоэффективная, недолговечная.

1. Первым улучшением стало добавление сурьмы к свинцу, что серьезно продлило срок службы батареи.
2. Следующий этап – уменьшение процентного содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход позволил создать малообслуживаемые аккумуляторы: в них уже намного реже требовался долив воды.
3. Затем для покрытия пластин начал использоваться металлический кальций – так появились кальциевые АКБ (они же Са-Са). Кальций серьезно изменил параметры эксплуатации батарей: в прежних моделях потери воды из-за электролиза на 12 В требовали постоянного долива, а кальциевые лигатуры позволили повысить этот порог до 16 В. Благодаря этому появилась возможность делать необслуживаемые аккумуляторы в полностью герметичном, неразборном корпусе.

Но кальциевые батареи имеют и огромный минус: чувствительность к полному разряду. Сульфат кальция, который оседает на электродах, не разлагается полностью при зарядке, а это значит, что один глубокий разряд батареи способен ее «убить».

Самым современным решением стали гибридные аккумуляторы (они же Са+): кальциевые добавки есть только на положительном электроде (поскольку именно на нём происходит разложение воды при электролизе), а отрицательный покрыт малосурьмянистым свинцом.

Классификация по типу электролита

Обычная жидкостная технология, при которой в аккумулятор заливался раствор кислоты и воды, вызывала много нареканий. Например, чувствительность к наклонам и вибрации. Необходимость обслуживать аккумулятор тоже не добавляла удовольствия от его эксплуатации. В общем, этой технологии было, куда расти.

На смену пришла AGM технология. В AGM аккумуляторе электролит «связывается» волокнистыми прослойками-сепараторами. Таким образом аккумулятор получает дополнительные преимущества: сепараторы сжимают активный слой и не дают ему отставать от пластин, имеют большую проводимость, чем жидкость и способствуют выдаче более мощного тока.

Технические (рабочие) характеристики автомобильных аккумуляторов

У АКБ для автомобиля довольно много рабочих параметров, которые важны при выборе батареи. Ошибешься хоть в одном из них – и аккумулятор нельзя будет использовать. Основные характеристики.

• Емкость, Ач (ампер*час).
• Пусковой ток, А (ампер).
• Полярность.
• Исполнение корпуса.
• Тип клемм.
• Тип крепления.

Номинальная емкость аккумулятора

Емкостью батареи называют количество электроэнергии, которую аккумулятор может отдавать в течение определенного времени. Измеряется в Ач (ампер в час). Это один из основных параметров не только автомобильного, а вообще любого аккумулятора. Чем выше этот показатель, тем дольше батарея сможет поддерживать работу электроприборов автомобиля во время стоянки.

Для обычного легкового автомобиля с двигателем до 2 л. обычно нужна батарея 60 Ач, и чем больше оборудования в машине, тем более емким должен быть аккумулятор. При выборе лучше ориентироваться на рекомендации автопроизводителя, и если хочется взять АКБ с большей емкостью, то превышать рекомендуемую не более, чем на 5 Ач.

Пусковой ток

Он же ток холодной прокрутки – показатель того, как аккумулятор справится с самой сложной задачей: запуском двигателя на морозе. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре «-18» градусов. Чем выше этот показатель, тем больше шансов завести свою машину зимним утром.

Например, для запуска бензинового двигателя понадобится минимум 255А, для дизельного – не менее 300А. Именно за увеличение мощности пускового тока сражаются конструкторы аккумуляторов, и именно за более высокую пусковую мощность автолюбители ценят AGM аккумуляторы. Можно даже сказать, что чем выше пусковой ток батареи – тем выше ее качество вообще.

Полярность

Полярность называют расположение клемм на корпусе аккумулятора. Это важная характеристика, поскольку неправильно выбранный АКБ просто невозможно будет подключить.

Чтобы определить полярность, нужно поставить аккумулятор так, чтобы нормально читались надписи на крышке («лицом» к себе), и посмотреть, с какой стороны находится плюсовая клемма.

• Плюсовая клемма справа – полярность обратная, она же европейская, она же маркируется как «R» или «0».
• Плюсовая клемма слева – полярность прямая, она же российская, она же «L» или «1».

Есть аккумуляторы с универсальной полярностью, то есть клеммы располагаются посредине коротких сторон корпуса или по диагонали. Однако такие модели встречаются редко. Чаще всего на автомобили российского производства нужны аккумуляторы с прямой полярностью, а на европейского и азиатского – с обратной.

Исполнение корпуса

Конструкторы, создавая автомобили, разрабатывали и все комплектующие к ним. В итоге традиционно появились два типа корпусов аккумуляторов: европейский и азиатский.

1. У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, так что их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы даже прикрыты специальными крышечками, так что дополнительно защищены от внешних факторов.
2. Азиатский тип корпуса – это коробка, у которой клеммы «растут» из верхней крышки. То есть, именно верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора.

Важен ли этот фактор? Конечно, удобней использовать такой АКБ, который предусмотрен производителем. Но в крайнем случае исполнением корпуса можно пренебречь, если остальные характеристики совпадают.

Нужно только помнить, что европейские производители указывают габаритные размеры аккумулятора по корпусу, а вот азиатские могут указывать высоту батареи с учетом клемм или без них.

Тип и размер клемм

Еще одна характеристика, с которой нужно свериться при выборе аккумулятора – толщина клемм для подключения. Они бывают двух типов: стандартные и тонкие.

1. Стандартные клеммы, они же европейские, более толстые: плюсовая 19,5 мм, минусовая 17,9 мм в диаметре;
2. Тонкие клеммы, они же азиатские: плюсовая 12,7 мм, минусовая 11,1 мм в диаметре.

В обоих стандартах плюсовая клемма всегда толще, чтобы не перепутать полярность подключения.

Тип крепления

И, наконец, днищевое крепление, оно же «юбка» аккумулятора – это планки с отверстиями под крепеж, расположенные в нижней части корпуса.

Каким бы тяжелым ни был аккумулятор, крепить его надо. Поэтому тип крепления важен при выборе, ведь он влияет на общие габариты корпуса. Существует 3 типа крепления.

1. Верхнее крепление специальной прижимной скобой, без фиксации за днище, маркируется В00.
2. Крепление по двум сторонам, когда ланки есть только на широких сторонах корпуса, а на торцевых отсутствует, маркируется В01.
3. Крепление по периметру, когда «юбка» идет по всем четырем сторонам, маркируется В13.

В принципе, если в автомобиле предусмотрено только верхнее крепление, поставить ему можно любую батарею, лишь бы вошла по размеру, если нет другого выхода. А вот в обратную сторону эта лазейка не работает, придется подбирать подходящее днищевое крепление.

Рейтинг ТОП аккумуляторов

Много брендов, много советов, трудный выбор – с такими проблемами сталкиваются покупатели. Предлагаем небольшой, наш, субъективный рейтинг торговых марок АКБ.

1. Первое место по уровню качества и долговечности по праву занимают ОЕМ аккумуляторы. ОЕМ – это аналог детали, которая была установлена с завода. Конечно, за аккумулятор, на котором гордо красуется логотип Mercedes или Honda, придется выложить намного больше, чем за любой другой бренд, но результат того стоит. Самые популярные на рынке бренды аккумуляторов – Varta и Bosch. Они заслужили репутацию надежных безотказных батарей, добросовестно отрабатывающих каждую вложенную копейку.
2. Среди любителей заплатить поменьше, а получить побольше особо ценится бренд Topla. Это, конечно, не Бош, но вполне может порадовать долгой службой.
3. А замыкают наш хит-парад бюджетные бренды Sada, Styer, Bi-Power и Ista. Они хоть и не дорогие, но вполне способны порадовать стабильной работой. Можно вспомнить о них, когда аккумулятор нужен срочно, а денег мало.

Советы по эксплуатации и обслуживанию АКБ

Чтобы аккумулятор проработал как можно дольше, нужно уделять ему совсем немного внимания. Вот несколько советов по эксплуатации автомобильного АКБ.

1. Глубокий разряд – враг батареи. Каждый раз, когда аккумулятор разряжается «в ноль», происходит необратимая сульфатация электродов, особенно от этого страдают кальциевые батареи. Периодически желательно полностью заряжать бат специальным зарядным устройством и ни в коем случае не допускать полной разрядки.
2. Второй враг – вибрация. От сильной тряски и регулярных ударов с пластин осыпается активный слой. AGM аккумуляторы меньше от этого страдают, жидкостные – больше.
3. Клеммы аккумулятора склонны к окислению, что ухудшает контакт. Периодически нужно обращать внимание на состояние клемм и при необходимости очищать их от окислов.
4. Обращайте внимание на корпус батареи. Грязь, масло, влага способствуют утечке тока и саморазряду.
5. Неполадки в электросети могут вывести из строя и батарею. Особенно проблемы со стартером и генератором – смежными элементами.
6. Вздутый корпус со следами электролита говорит о том, что пора покупать новый АКБ. Поврежденным аккумулятором пользоваться нельзя!

Заключение

Нормально работающий автомобильный аккумулятор избавляет от множества проблем и нервотрёпки. Работоспособность батареи особенно важна зимой, когда нагрузки возрастают в несколько раз. Именно поэтому автовладельцы стараются менять «уставший» АКБ во время осеннего ТО: и спокойней, и дешевле, не придется лишний раз этим заниматься. А вы давно проверяли свой аккумулятор?

Устройство и принцип работы аккумулятора автомобиля

Аккумулятор — это важнейшая деталь машины, поэтому поддержание батареи в исправном состоянии будет являться залогом эффективного запуска двигателя, а также бесперебойной работы бортовых потребителей электричества. Чтобы правильно эксплуатировать АКБ необходимо ознакомиться с основными принципами работы этого устройства. В этой статье будут подробно рассказано, как устроен автомобильный аккумулятор.

Содрежание

Из чего состоит аккумулятор

Автомобильный элемент питания собирается на заводе из многих элементов, поэтому для понимания принципа работы источника электрического тока необходимо знать назначение каждого компонента. Аккумуляторная батарея состоит из следующих частей.

Корпус. Современная АКБ изготавливается из ударопрочного полипропилена. Этот материал хорошо переносит не только повышенные механические нагрузки и вибрации, но и устойчив к воздействую кислоты, которая в виде раствора заполняет внутренние полости батареи. Кроме этого полипропилен устойчив к большим перепадам температуры. Корпус АКБ разделён на 6 герметически отделённых между собой секций, в которые, в процессе изготовления батареи, устанавливаются свинцовые электроды и сепараторы.

Сепараторы. Сепараторы устанавливаются между электродами и служат диэлектриками, которые надёжно предохраняет элементы батареи от короткого замыкания. Эти элементы также изготавливаются из кислотоустойчивого полимера, который не разрушается при воздействии агрессивной среды в течение всего времени эксплуатации АКБ.

Электроды. В большинстве выпускаемых аккумуляторных батарей используются свинцовые пластины с различными примесями, в ячейках которых находится масса, состоящая из свинцового порошка и серной кислоты. Пластины современных аккумуляторов могут быть изготовлены из свинца легированного кальцием, что позволяет значительно увеличить ресурс батареи.

Электролит. Электролит представляет собой раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Эта жидкость необходима для того, чтобы электрический ток свободно протекал от отрицательных электродов к положительным. В дорогих батареях вместо жидкого электролита он может быть запечатанным использован гель. Благодаря этим качествам гелевые аккумуляторы выпускаются в виде полностью необслуживаемых изделий.

Клеммы. У всех батарей имеются клеммы, они могут быть разных типов стандартные (европейские), ASIA (тонкие конусы для азиатских автомобилей) и винтовые (для американских автомобилей). Изредка можно встреть батареи с четырьмя клеммами на корпусе.

Дополнительный функционал:

• У необслуживаемых батарей вместо стандартных шести пробок по бокам имеются 2 клапана сброса давления (в случае закипания электролита через них будет сбрасываться газ).
• Некоторые аккумуляторы оснащены «глазком», с помощью которого можно легко определить степень заряженности и уровень электролита.

Как устроен аккумулятор

Аккумуляторная батарея устроена таким образом, чтобы в результате подачи на её клеммы постоянного тока происходило эффективное накапливание электрической энергии. Автомобильная АКБ состоит из 6 изолированных друг от друга ёмкостей, в которых находятся отрицательные и положительные пластины, отделённые между собой сепараторами.

Каждая такая банка позволяет аккумулировать электрический ток напряжением до 2,1 В. Для получения стандартного напряжения бортовой сети автомобиля, применяется схема последовательного подключения таких электрических элементов. Немаловажной особенностью современных кислотных аккумуляторов является полная герметизация корпуса изделия. Несмотря на невозможность обслуживания устройств накопления электроэнергии этого типа, их функциональность и безопасность использования находится на более высоком уровне по сравнению с изделиями с пробками.

Принцип работы аккумулятора

Автомобильный свинцовый аккумулятор представляет собой восстанавливаемый химический элемент питания, в котором образование электричества происходит в результате реакции между двуокисью свинца, губчатым свинцом и раствором серной кислоты.

При подаче постоянного тока на клеммы аккумулятора на отрицательных пластинах образуется чистый свинец, а на положительных – диоксид свинца. При подключении батареи к различным устройствам и агрегатам, потребляющим электроэнергию, происходит обратный процесс, при котором на отрицательных электродах образуется сульфат свинца, а из электролита высвобождается чистая вода.

В зависимости от типа аккумуляторной батареи такая последовательность может повторяться тысячи раз, прежде чем произойдёт сульфатация или разрушение пластин.

Особенности конструкций

Аккумуляторные батареи могут существенно отличаться друг от друга. К особенностям конструкции АКБ можно отнести:

1. Размер аккумулятора.
2. Состав металлического сплава пластин.
3. Вид электролита.
4. Расположение электрических выводов на корпусе.

От размера пластин и количества электролита в каждой банке будет зависеть ёмкость АКБ, поэтому изделия, устанавливаемые для запуска дизельных установок грузовых автомобилей, могут в несколько раз превышать по массе и объёму батареи для легковых авто.

От вида свинцового сплава будет зависеть внутреннее электрическое сопротивление батареи и устойчивость элемента к воздействию агрессивной среды. Также состав металла будет влиять на интенсивность испарения влаги, поэтому для необслуживаемых моделей пластины изготавливаются из легированного кальцием свинца.

От вида электролита, применяемого в банках аккумулятора, также зависит большое количество параметров батареи. Жидкий раствор замерзает при низких температурах воздуха, а при кипении приводит к испарению воды, поэтому замена его на гель позволяет существенно увеличить ресурс изделий. Гелевые аккумуляторы значительно лучше переносят глубокий разряд, что позволяет использовать их не только в качестве пусковых устройств, но и для питания силовых электрических установок.

Аккумуляторы могут отличаться и по расположению клемм на корпусе. Этот параметр следует обязательно учитывать при подборе новой АКБ, иначе потребуется удлинять плюсовой провод автомобиля, подключаемый к источнику питания.

Литий-ионный аккумулятор

: структура, принцип работы и упаковка

Всем привет, я Роуз. Добро пожаловать в новый пост сегодня. Литиевая батарея представляет собой тип батареи с металлическим литием или литиевым сплавом в качестве положительного/отрицательного материала и неводным раствором электролита.

Ⅰ. Что такое литий-ионный аккумулятор?

Литиевые батареи делятся на литиевые батареи и литий-ионные батареи. И в мобильных телефонах, и в ноутбуках используются литий-ионные батареи, широко известные как литиевые батареи. Настоящие литиевые батареи редко используются в бытовой электронике из-за их большой опасности.

Рис. 1

Литий-ионные аккумуляторы — это перезаряжаемые аккумуляторы, в работе которых в основном используются ионы лития, перемещающиеся между положительным и отрицательным электродами. В процессе зарядки и разрядки Li+ внедряется и извлекается туда и обратно между двумя электродами: при зарядке аккумулятора Li+ извлекается из положительного электрода и внедряется в отрицательный электрод через электролит, который находится в состояние, богатое литием; при разрядке все наоборот. Как правило, литийсодержащие материалы используются в качестве электродов для аккумуляторов, которые являются типичными представителями современных высокоэффективных аккумуляторов.

 

Ⅱ. Как работают литий-ионные батареи？

Литий-ионные батареи используют углеродные материалы в качестве отрицательного электрода и литийсодержащие соединения в качестве положительного электрода. Нет металлического лития, только литий-ионный, который представляет собой литий-ионную батарею . Литий-ионные батареи относятся к батареям со встроенными литий-ионными соединениями в качестве катодных материалов. Процесс зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов представляет собой процесс внедрения и извлечения ионов лития. При внедрении и извлечении ионов лития оно сопровождается внедрением и извлечением электронов, эквивалентных ионам лития (обычно положительные электроды представлены встраиванием или извлечением, а отрицательные электроды представлены встраиванием). или удаление). Во время зарядки и разрядки ионы лития встраиваются/считаются и вставляются/отсоединяются туда и обратно между положительным и отрицательным электродами, что ярко называется «аккумуляторами кресла-качалки».

Рис. 2

Когда аккумулятор заряжается, ионы лития генерируются на положительном электроде аккумулятора, а образовавшиеся ионы лития перемещаются к отрицательному электроду через электролит. В качестве анода углерод слоистый. В нем много микропор. Ионы лития, которые достигают отрицательного электрода, внедряются в микропоры углеродного слоя. Чем больше встроенных ионов лития, тем выше зарядная способность. Точно так же, когда батарея разряжается (то есть процесс, в котором мы используем батарею), ионы лития, внедренные в отрицательный углеродный слой, высвобождаются и возвращаются к положительному полюсу. Чем больше ионов лития возвращается к положительному электроду, тем выше разрядная емкость.

Обычно зарядный ток литиевых батарей устанавливается в пределах от 0,2C до 1C. Чем больше ток, тем быстрее зарядка и тем сильнее нагрев аккумулятора. Более того, если ток слишком велик для зарядки, емкости не хватит, потому что электрохимическая реакция внутри аккумулятора требует времени. Точно так же, как наливая пиво, если вы нальете его слишком быстро, это вызовет пузыри и неудовлетворенность.

Для аккумуляторов нормальным использованием является процесс разрядки.

При разрядке литиевой батареи необходимо обратить внимание на несколько моментов:

Во-первых, ток разряда не должен быть слишком большим. Чрезмерный ток вызовет нагрев внутри батареи, что может привести к ее необратимому повреждению. На мобильном телефоне с этим проблем нет. Можешь не считать.

Во-вторых, никогда не перезаряжайте! Литиевые аккумуляторы больше всего боятся переразряда. Если напряжение разряда ниже 2,7 В, аккумулятор может быть утилизирован. К счастью, внутри аккумулятора мобильного телефона установлена ​​схема защиты. Напряжение недостаточно низкое, чтобы повредить батарею, и схема защиты сработает и перестанет разряжаться. Как видно из рисунка, чем больше разрядный ток аккумулятора, тем меньше разрядная емкость и тем быстрее падает напряжение.

 

Ⅲ. Структура литий-ионной батареи

Рис. 3

Положительный электрод: активное вещество, проводящий, растворитель, клей, матрица.

Рис. 4

Когда батарея разряжается, электронный электрод получается из внешней цепи, а электрод в это время уменьшается. Обычно это высокопотенциальный электрод. Кобальтат лития, электроды из манганата лития и т. д. в литий-ионных батареях.

Отрицательный электрод: активные вещества (графит, MCMB, CMS), клеи, растворители, матрица.

Рис. 5

Когда батарея разряжается, электрод передает электроны во внешнюю цепь, при этом на электроде происходит реакция окисления. Обычно низкопотенциальные электроды, графитовые электроды в литий-ионных батареях.

Отчуждение

Фигура. 6

Мембрана представляет собой устройство, помещаемое между полюсами в качестве изолирующего электрода для предотвращения короткого замыкания внутри батареи, вызванного прямым контактом с активными веществами на полюсах. Тем не менее, диафрагма по-прежнему должна пропускать заряженные ионы, чтобы сформировать путь.

Требования к диафрагме:

1. Большой коэффициент пропускания ионов

2. Соответствующая механическая прочность

3. Это  изолятор  

4. Не вступает в реакцию с электролитами и электродами

Материал: однослойный ПЭ (полиэтилен) или трехслойный композитный ПП (полипропилен) + ПЭ+ПП

Толщина: один слой обычно составляет 0,016–0,020 мм, третий слой обычно 0,020-0,025 мм.

Электролит

Фурнитура корпуса (стальной корпус, алюминиевый корпус, накладка, полюсное ухо, изолятор , изоляционная лента)

Сырье для элементов литий-ионных аккумуляторов

Катодный материал

Катодные материалы имеют наибольшую рыночную емкость и высокую добавленную стоимость в литиевых батареях, составляя около 30% стоимости литиевых батарей, а валовая прибыль составляет от 15% до более чем 70%.

В настоящее время катодные материалы, которые применяются в литиевых батареях партиями, в основном включают кобальтат лития, манганат лития, никель лития, манганат кобальт-никеля лития и фосфат лития-железа.

Батареи из никелата лития наименее безопасны (при чрезмерной зарядке легко загореться), имеют наименьшую устойчивость к высоким температурам (высокотемпературное разложение) и являются наиболее сложными для синтеза.

Кобальтат лития был впервые применен в промышленных масштабах. На данный момент технология созрела и широко используется в небольших и маломощных портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и цифровые электронные продукты.

Фосфат лития-железа в качестве катодного материала для литий-ионных аккумуляторов обладает хорошими электрохимическими свойствами. Платформа для зарядки и разгрузки очень стабильна, а конструкция устойчива во время процесса зарядки и разгрузки. В то же время материал не токсичен, не загрязняет окружающую среду, обладает хорошими показателями безопасности, может использоваться в высокотемпературной среде и имеет широкий спектр сырья. В настоящее время это горячая тема в аккумуляторной промышленности.

Материал отрицательного электрода

Анодные материалы составляют небольшую часть стоимости литиевой электроэнергии, в основном углеродные анодные материалы и неуглеродные анодные материалы.

Материал углеродного анода: в настоящее время широко используется в коммерческих литий-ионных батареях.

Преимущества: безопасность, длительный срок службы, низкая цена, нетоксичность.

Недостатки: Масса ниже энергии.

Неуглеродные анодные материалы: по своему составу они делятся на нитриды литиевых переходных металлов, оксиды переходных металлов и наносплавные материалы.

Преимущества: Обладает высокой объемной плотностью энергии.

Недостатки: плохая циклическая стабильность, большая необратимая емкость, высокая стоимость подготовки и еще не промышленное производство.

В будущем целью анодных материалов является улучшение емкости и циклической стабильности. Углеродные материалы комбинируются с различными неуглеродными анодными материалами высокой емкости для разработки неуглеродных композитных анодных материалов большой емкости.

Материал диафрагмы

Материалы диафрагмы, ориентированные на рынок, в основном представляют собой полиолефиновые диафрагмы, в которых преобладают полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). Среди них изделия из полиэтилена в основном изготавливаются мокрым способом, а изделия из полипропилена в основном изготавливаются сухим способом.

Рис. 7

Сравнение характеристик продуктов из ПЭ и ПП :

1. ПП относительно устойчив к высоким температурам, а ПЭ относительно устойчив к низким температурам;

2. Плотность ПП меньше, чем у ПЭ;

3. Температура плавления и температура закрытого отверстия полипропилена выше, чем полиэтилена;

4. Изделия из полипропилена более четкие, чем изделия из полиэтилена;

5. ПЭ более чувствителен к воздействию окружающей среды.

Основные материалы диафрагмы: однослойный полипропилен, однослойный полиэтилен, полипропилен + керамическое покрытие, полиэтилен + керамическое покрытие, двухслойный полипропилен/полиэтилен, двухслойный полипропилен/полипропилен и трехслойный полипропилен/полипропилен/полипропилен, и т. д. Среди них первые два типа продуктов в основном используются в области небольших батарей 3C, а последние типы продуктов в основном используются для питания литиевых батарей. Поле.

Среди материалов диафрагмы для силовых литиевых батарей материалы диафрагмы из двухслойного полипропилена/полипропилена в основном производятся китайскими предприятиями и используются в материковом Китае, в основном из-за отсутствия технологий и возможностей китайских предприятий для превращения ПП и ПЭ в двухслойные композитные пленки на данном этапе. Мембрана, используемая литиевыми автомобильными аккумуляторами по всему миру, в основном состоит из трехслойного полипропилена/полиэтилена/полипропилена, двухслойного полипропилена/полиэтилена, керамического покрытия ПП+, керамического покрытия ПЭ+ и других материалов диафрагмы. В то же время появляются и начинают применяться некоторые другие новые материалы для мембран. Однако из-за небольшого количества и высокой цены они в основном используются в области производства литиевых батарей. Эти продукты в основном включают: полиэфирную пленку с покрытием (ПЭТ, полиэтилентерефталат), целлюлозную пленку, полиимидную пленку (PI), полиамидную пленку (PA), спандекс или арамидную пленку и т. д. Эти диафрагмы обладают такими преимуществами, как устойчивость к высоким температурам, низкая выходная температура, длительный цикл зарядки и умеренная механическая прочность. Вообще говоря, продукты из материала диафрагмы литиевых батарей демонстрируют очевидную диверсифицированную тенденцию развития.

Электролит

Электролитные материалы для литий-ионных аккумуляторов обеспечивают высокую безопасность и высокую адаптируемость к окружающей среде. Основные разработки будут сосредоточены на: новых растворителях (расширение диапазона рабочих температур), ионных жидкостях, новых солях лития (улучшение адаптации к окружающей среде), добавках (антипирен, окислительно-восстановительный челнок, защита образования пленки положительного и отрицательного электрода и т. д.) , и новые положительные анодные материалы подобраны для повышения безопасности, мощности и емкости и, в конечном итоге, могут быть безопасно и удобно применены в электромобилях, накопителях энергии, аэрокосмической отрасли и в более широком диапазоне областей.

Процесс производства литий-ионных аккумуляторов

Рис. 8

 

Ⅳ. Технология упаковки литий-ионных аккумуляторов

Помимо сырья, технология упаковки также оказывает значительное влияние на конечные характеристики литиевых аккумуляторов. Даже если состав материала одинаков, разные процессы обработки могут производить разные готовые изделия с точки зрения безопасности, плотности энергии и срока службы.

В настоящее время упаковочные технологии можно разделить на три категории:

Квадратная батарея представляет собой одиночную квадратную батарею. Зазор в сердечнике этого типа батареи меньше, внутренний материал ближе, батарею нелегко расширить в условиях высокой твердости, а безопасность относительно высока. В то же время в корпусе используется алюминиево-магниевый сплав с меньшей плотностью, меньшим весом и более высокой прочностью для дальнейшего усиления внутренней защиты, но соответствующий производственный процесс не сложен. Но консистенция квадратной батареи плохая, и, поскольку ее можно настроить в соответствии с потребностями производства, на рынке много моделей, процесс не унифицирован.

Согласованность означает, что начальные характеристики каждой группы батарей одинаковы, например емкость, температура и циркуляция. Если производительность одной батареи слишком различна, это серьезно повлияет на срок службы группы батарей.

Несмотря на то, что круглая батарея и квадратная батарея относятся к одному и тому же маршруту упаковки с твердой оболочкой, размер меньше, консистенция элементов хорошая, плотность энергии одного элемента относительно высока, группа более гибкая, производственный процесс является зрелым и стоимость низкая. Недостаток заключается в том, что общая производительность в целом, количество элементов в аккумуляторной батарее велико, вес велик, а цилиндрическая форма не подходит для использования пространства, что приводит к низкой плотности энергии.

Аккумулятор с мягким корпусом обладает лучшими характеристиками из трех вариантов благодаря гибкому размеру, высокой плотности энергии и легкому весу. Но механическая прочность невелика, производственный процесс более сложен, себестоимость продукции высока, показатели затрат общие.

В дополнение к трем зрелым технологиям упаковки в настоящее время существуют новые технологии CTP для литиевых батарей, основанные на двух новых продуктах «blade battery» и «CTP battery», оба из которых представляют собой модернизированную форму квадратных батарей.

Технология Cell To Pack (CTP) позволяет группировать элементы напрямую, минуя промежуточный этап батарейных модулей. С одной стороны, эта технология улучшает коэффициент использования пространства в аккумуляторной батарее и увеличивает мощность; С другой стороны, вес уменьшается, а плотность энергии аккумуляторной батареи резко возрастает.

В настоящее время блейд-аккумулятор, представленный BYD, полностью отказывается от модуля; С другой стороны, батареи CTP девятой эры пошли по пути интеграции небольших модулей в большие.

Эти два пути имеют свои преимущества и недостатки, но оба находятся на ранней стадии коммерциализации, а технология производства и крупномасштабное производство все еще нуждаются в совершенствовании, поэтому они не могут заменить традиционную технологию в больших масштабах в короткое время.

 

Ⅴ. Основное оборудование для литий-ионный аккумулятор производство

Вакуумный планетарный миксер

Рисунок. 9

Назначение: Равномерно смешать все виды аккумуляторных материалов в пасту.

 

Машина для нанесения покрытий на электроды

Рис. 10

Применение: Перемешанная суспензия равномерно наносится на металлическую фольгу. Толщина покрытия суспензии составляет менее 3 микрон.

 

Валковый пресс

Рис. 11

Назначение: Электрод с покрытием дополнительно уплотняется для повышения плотности энергии батареи.

 

Оборудование для нарезки Polar

Рис. 12

Оборудование для токопроводящей рукоятки ультразвуковой сварки

Рис. 13

Назначение: Намотка изготовленных столбов в батареи

Намоточная машина

Рис. 14

Назначение: Намотать изготовленные столбы на батареи

Бардачок

 

Рис. 15

Цель: Убедитесь, что электролит упакован вместе с сердечником катушки в среде с низкой влажностью.

Машина для впрыска жидкости

 

Рис. 16

Назначение: Обеспечение высокоточной псевдоожижения и вакуумного впрыска электролита в упаковочные материалы аккумуляторов

Превратить в испытательное оборудование

Рис. 17

Назначение: активировать зарядку исправной батареи, одновременно генерировать напряжение и проверить емкость батареи.

Литий-ионная батарея Принцип работы и применение — StudiousGuy

Литий-ионная батарея — это тип перезаряжаемой батареи, в которой используются заряженные частицы лития для преобразования химической энергии в электрическую. М. Стэнли Уиттингем, британо-американский химик, известен как отец-основатель литий-ионных аккумуляторов. Он разработал концепцию перезаряжаемых батарей в конце 19 века.70-е годы. В 2019 году М. Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Йошино были удостоены Нобелевской премии по химии за свою работу. По способности к перезарядке литий-ионные аккумуляторы можно разделить на две большие категории, а именно первичные и вторичные. Первичные литий-ионные аккумуляторы не подлежат перезарядке, а вторичные литий-ионные аккумуляторы можно перезаряжать.

Указатель статей (Щелкните, чтобы перейти)

Принцип работы литий-ионной батареи

Литий-ионные батареи работают по принципу кресла-качалки. Здесь преобразование химической энергии в электрическую происходит с помощью окислительно-восстановительных реакций. Обычно литий-ионный аккумулятор состоит из двух или более электрически соединенных гальванических элементов. Когда батарея заряжена, ионы стремятся двигаться к отрицательному электроду или аноду. Когда аккумулятор полностью разряжается, ионы лития возвращаются обратно к положительному электроду, то есть к катоду. Это означает, что во время процесса зарядки и разрядки ионы лития перемещаются между двумя электродами батареи, поэтому принцип работы литий-ионной батареи называется принципом кресла-качалки.

Работа литий-ионной батареи

Батарея обычно состоит из двух электродов, а именно анода и катода. Катод образует положительную клемму батареи, а анод предназначен для отрицательной клеммы. Катод литий-ионной батареи в основном состоит из соединения лития, а основным элементом анода является графит. Когда батарея подключена к источнику питания, ионы лития имеют тенденцию перемещаться от катода к аноду, то есть от положительного электрода к отрицательному электроду. Это называется зарядкой аккумулятора. Во время фазы разрядки батареи движение ионов лития меняется на противоположное от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода к положительному, и электрическая энергия передается на подключенную нагрузку.

Использование литий-ионных аккумуляторов

Сотовые устройства

Почти все сотовые устройства, такие как мобильные телефоны, ноутбуки, беспроводные телефоны и т. д., используют литий-ионные аккумуляторы. Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы компактны, легки и пригодны для повторного использования. Следовательно, они идеально подходят для портативных устройств. Кроме того, такие типы батарей обеспечивают быструю скорость зарядки, что позволяет пользователю часто получать доступ к устройствам без помех.

Power Banks

Power Bank — это портативный гаджет, который помогает пользователю удобно заряжать электронные устройства, такие как мобильные телефоны, смарт-часы и т. д. , в любом месте и в любое время. Для этой цели в Power Bank обычно используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы.

Электромобили

Ряд электромобилей, таких как электромобили, электрические велосипеды, электрические скутеры, электрические велосипеды и т. д., используют для своей работы литий-ионные батареи. Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы имеют высокое отношение мощности к весу, большую устойчивость к колебаниям температуры и давления и более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные аккумуляторы. Кроме того, они легкие, портативные, эффективные и более безопасные, чем традиционные батареи.

Медицинские устройства

Медицинские устройства, такие как слуховые аппараты, хирургические инструменты, диагностические аппараты, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, роботы-помощники, инфузионные насосы, мониторы частоты сердечных сокращений и пульса и т. д., используют литий-ионные батареи для различных диагностических и цели лечения. К преимуществам использования литий-ионных аккумуляторов в медицинских гаджетах можно отнести высокое быстродействие, быструю скорость зарядки, малый вес, безопасность и др.

Камеры

Литий-ионные аккумуляторы широко используются в цифровых зеркальных фотокамерах, поскольку они способны обеспечивать большую мощность в течение сравнительно более длительного времени, чем традиционные аккумуляторы. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее, потому что они легкие, а значит, не делают гаджет громоздким. В некоторых камерах также используются перезаряжаемые литий-ионные батареи, что позволяет пользователю повторно использовать их и повышает надежность.

ИБП

ИБП (система бесперебойного питания) — это устройство, которое обеспечивает резервное питание в течение определенного периода времени в случае отключения или сбоя питания. В таких устройствах обычно используется комбинация литий-ионных аккумуляторов. Это связано с тем, что использование литий-ионных аккумуляторов в устройствах ИБП уменьшает занимаемую площадь на 50-80%. Кроме того, система ИБП на основе литий-ионных аккумуляторов весит на 60–80 % меньше, чем обычное устройство ИБП на основе свинцово-кислотных батарей.

Роботы

Литий-ионные аккумуляторы пользуются большим спросом в области робототехники и автоматизации. Они используются для питания роботов-гуманоидов, а также промышленных роботов.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

1. Литий-ионные аккумуляторы имеют значительно более низкую скорость саморазряда по сравнению с другими типами аккумуляторов.

2. Обладают высокой плотностью энергии.

3. В литий-ионных батареях отсутствует эффект памяти.

4. Средний срок службы литий-ионных аккумуляторов в десять раз больше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов.

5. Высокая скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов.

6. Литий-ионные аккумуляторы эффективно работают в экстремальных условиях, таких как высокое давление и колебания температуры.

7. Литий-ионные аккумуляторы легкие и компактные. Как правило, вес литий-ионных аккумуляторов примерно на 50-60% меньше, чем у стандартных свинцово-кислотных аккумуляторов.

8. Установка литий-ионных аккумуляторов сравнительно проста.

9. Аккумуляторы этого типа гибкие, менее громоздкие и безопасные в использовании.

10. Литий-ионные аккумуляторы доступны в различных формах и размерах.

11. Уровень напряжения литий-ионного аккумулятора не падает и поддерживается постоянно на протяжении всего использования.

12. Емкость литий-ионного аккумулятора примерно на 25-50% больше, чем у свинцово-кислотного аккумулятора.

13. Требуют минимального обслуживания.

14. Литий-ионные аккумуляторы неопасны, так как не выделяют ядовитых газов.

Недостатки литий-ионной батареи

1. Зарядная емкость литий-ионной батареи со временем снижается из-за потери ионов лития на границе твердого электролита и на границе катод-электролит.