Історія відкриття і розвитку хімічних джерел струму

 

Процеси на позитивному електроді Li-ion акумулятора. Якщо в первинних літієвих батареях застосовуються різноманітні активні матеріали для позитивного електрода, то в літієвих акумуляторах вибір матеріалу позитивного електрода обмежений. Позитивні електроди літій-іонних акумуляторів створюються винятково з літійованих оксидів кобальту або нікелю і з літій-марганцевих шпінелей. У даний час як катодні матеріали все частіше застосовуються матеріали на основі змішаних оксидів або фосфатів. 3 практики видно, що з використання катодів зі змішаних оксидів досягаються найкращі характеристики акумулятора. Освоюються і технології покриттів поверхні катодів тонкодисперсними оксидами.

При заряді Li-ion акумулятора відбуваються реакції на позитивних пластинах:

LiCo02 → Li 1-хСоО2 + xLi+ + хе-

на негативних пластинах:

           С + xLi+ + хе- → CLix.

 

При розряді відбуваються зворотні реакції. Процес заряду демонструється малюнком.

Процес заряду літій-іонного (Li-ion) акумулятора

 

Конструктивно Li-ion акумулятори, як і лужні (Ni-Cd, Ni-MH), виробляються в циліндричному і призматичному варіантах. В циліндричних акумуляторах згорнутий у вигляді рулону пакет електродів і сепаратора поміщений в сталевий або алюмінієвий корпус, з яким з'єднаний негативний електрод.

 

2.5.Літій-полімерні (Li-pol) акумулятори

 

Можливість заміни рідкого органічного електроліту на полімерний, при якому повинна знизитися ймовірність його витоків і збільшитися безпеку роботи літій-іонного акумулятора, вивчалася з самого початку комерціалізації цих джерел струму.

В основі ідеї літій-полімерного акумулятора (Li-pol) лежить відкрите явище переходу деяких полімерів в напівпровідниковий стан в результаті впровадження в них іонів електроліту. Провідність полімерів при цьому збільшується більш ніж на порядок. Зусилля дослідників були спрямовані на пошук полімерних електролітів як для літій-іонних акумуляторів, так і для акумуляторів з металевим літієм, теоретично можлива щільність енергії яких в кілька разів більше, ніж у літій-іонних акумуляторів.

Лі́тій-поліме́рний акумуля́тор— один з двох основних типів літієвих електричних акумуляторів з категорії вторинних електричних батарей, який відрізняється від літій-іонного акумулятора лише типом електроліту, що використовується при їх виготовленні. У випадку з Li-ion — це гелеподібний електроліт, у випадку з Li-Pol — спеціальний полімер, насичений розчином літію.

До теперішнього часу розроблені і серійно виготовляються літієві джерела струму з електролітами, які можуть бути поділені на три групи:

- Сухі полімерні електроліти (найчастіше на базі полиетиленоксиду, в який вводяться різні солі Li);

- Гель-полімерні гомогенні  електроліти, які утворюються при  впровадженні в полімер (або суміш  полімерів) з солями Li пластифікатора-розчинника;

- Неводні розчини солей Li, сорбованих в мікропористій полімерній матриці.

На відміну від літій-іонних акумуляторів з гелевим електролітом робота при підвищеній температурі не скорочує термін дії їх використання, оскільки підвищена температура не протидіє внутрішньому опору акумулятора, тому його збільшення не призводить до зносу.

Для літій-полімерних акумуляторів життєво необхідна температура 60-100оС. Такі акумулятори зайняли свою нішу на ринку резервних джерел у місцях з жарким кліматом.

Сучасні літій-полімерні акумулятори забезпечують питомі характеристики, порівнянні з характеристиками літій-іонних акумуляторів. Завдяки відсутності рідкого електроліту вони більш безпечні у використанні, ніж перезаряджаються літієві джерела струму. Li-pol акумулятори компактні і можуть бути виконані в будь-якій конфігурації. Їх контейнер може бути виконаний з металізованого полімеру.

Робочі щільності струму, однак, незначні, і електричні характеристики Li-pol акумуляторів помітно погіршуються при зниженні температури через кристалізації полімеру.

 

Переваги	Недоліки
Низька вартість (у тому числі виробництва); Мала вага; Висока щільність енергії; Стійкіші до фізичних ушкоджень; Екологічно безпечні; Можуть приймати різноманітні гнучкі форми; Низький саморозряд.	Не призначені для роботи у низькому діапазоні температур; Низькі струми віддачі.

 

Яка ж різниця між літій-іонними і літій-полімерними акумуляторними батареями з гелієвим електролітом? Хоча їх характеристики і близькі, в літій-полімерних батареях замість сепараторів використовується твердий електроліт. Доданий в них гелієвий електроліт призначений просто для поліпшення іонообмінних процесів і, таким чином, для зниження внутрішнього опору.

Були проведені порівняльні випробування на безпеку двох типів призматичних літій-іонних акумуляторів: з рідким і гель-полімерним електролітами . При цьому не приймалося особливих заходів забезпечення безпеки акумуляторів. Акумулятори випробовувалися проколом голкою, нагріванням до 200 ° С, коротким замиканням і дуже високим перезарядом (до 600%). Як випливає з таблиці, безпека літій-іонних акумуляторів з полімерним електролітом набагато вище безпеки акумуляторів з рідким електролітом.

Результати випробувань акумуляторів на безпечність

Вид випробувань	Акумулятор з гель-полімерним електролітом	Акумулятор з рідким електролітом
Прокол голкою	Не було змін	Вибух, дим, протечка електроліту, підвищення температури до 250 ° С
Нагрівання до 200 ° С	Не було змін	Вибух, протікання електроліту
Струм короткого замикання	Не було змін	Протікання електроліту, підвищення температури на 100 ° С
Перезаряд (600%)	здуття	Вибух, протікання електроліту, підвищення температури на 100 ° С

 

Заряд літій-полімерних акумуляторів

Процес заряду літій-полімерних акумуляторних батарей подібний заряду літій-іонних акумуляторних батарей. Літій-полімерні батареї з гелевим електролітом найчастіше класифікують як літій-іонні, і їх процеси заряду аналогічні.

В даний час велика частина літій-іонних акумуляторів комерційного призначення насправді являє собою літій-полімерні акумулятори з гелієвим електролітом, і літій-полімерні батареї з сухим електролітом поступово будуть ними витіснені

Застосування

Портативні пристрої: мобільні телефони і смартфони, ноутбуки та планшети, цифрові фотоапарати і відеокамери, електронні сигарети, портативні ігрові консолі і ліхтарики;

Електроінструменти: використовуються в акумуляторних дрилях, шліфувальних машинах, електропилках ..;

 

2.6.Іоністори (конденсатори з подвійним електричним шаром)

 

Вироби застосовувані для електронної техніки прийнято називати - іоністори.

Для іоністорів притаманні унікальні властивості:

• висока питома ємність,
• тривалість і надійність збереження заряду.

Вони можуть безвідмовно функціонувати в колах постійного і пульсуючого струму в широкому діапазоні механічних і кліматичних впливів. 

Іоністор - це енергонакопичувальний конденсатор, заряд в якому накопичується на межі розділу двох середовищ - електрода і електроліту (в подвійному електричному шарі). Енергія в іоністорів міститься у вигляді статичного заряду. Накопичення відбувається, якщо до його обкладкам буде прикладена різниця потенціалів (постійна напруга). Концепція створення іоністорів з'явилася недавно, і в даний час вони зайняли свою нішу застосування. Іоністори успішно можуть заміняти хімічні джерела струму в якості резервного (мікросхеми пам'яті) або основного підзарядження (годинники, калькулятори) джерела живлення.

Якщо звичайний конденсатор являє собою обкладки з фольги, розділені діелектриком, то іоністор - це комбінація конденсатора з електрохімічної батареєю - електрохімічний конденсатор. У ньому застосовуються спеціальні матеріали для обкладок і електроліт. В якості обкладок використовуються матеріали одного з трьох типів: обкладки великої площі на основі активованого вугілля, оксиди металів і провідні полімери.

Використання високопористих вугільних матеріалів дозволяє досягти щільної ємності близько 10 Ф / см3 і більше. Іоністори на базі активованого вугілля найбільш економічні у виготовленні. Їх ще називають двошаровими або DLC - конденсаторами, бо заряд зберігається в подвійному шарі, що утворюється на поверхні обкладання.

Електроліт іоністорів може бути водним або органічним. Іоністори на основі водного електроліту володіють невеликим внутрішнім опором, але напруга заряду для них обмежена 1 В. А іоністори на основі органічних електролітів володіють більш високим внутрішнім опором, але забезпечують напругу заряду 2-3 В.

Іоністор може запасати енергію, приблизно рівну 1/10 енергії нікель-металогідрідного акумулятора. У той час як акумулятор видає відносно постійну робочу напругу, напруга на іоністорах, як у кожного конденсатора, знижується лінійно від робочого значення до нуля і йому не властиві такі плоскі зони характеристики розряду, як у акумуляторів.

Найчастіше іоністори використовують для живлення мікросхем пам'яті, і іноді ними підміняють електрохімічні батареї. Крім того, їх використовують в ланцюгах фільтрації і згладжуючих фільтрах. Іоністори можуть працювати і в буфері з батареями з метою захисту їх від різких стрибків струму навантаження: при низькому струмі навантаження батарея заряджає суперконденсатор, і якщо струм різко зросте, суперконденсатор віддасть запасену енергію, ніж зменшить навантаження на батарею. При такому варіанті використання його розміщують або безпосередньо біля акумуляторної батареї, або всередині її корпусу.

 

 

Переваги іоністорів	Недоліки іоністорів
великий термін служби; малий внутрішній опір; швидкий заряд; робота іоністорів при будь-якій напрузі, що не перевищує номінального; необмежене число циклів заряд / розряд; відсутність необхідності контролю за режимом зарядки; використання простих методів заряду; широкий діапазон робочих температур:	не забезпечують достатнього накопичення енергії; маленька енергетична щільність; низька напруга на деяких типах іоністорів; для отримання необхідної напруги необхідно послідовне підключення декількох елементів; високий саморозряд.

 

Застосування іоністорів:

• буферні джерела живлення :
• таймерах різних електронних пристроїв,
• резервне живлення пам'яті, що з появою флеш пам'яті стало менш   актуально,
• електронні лічильники електричної енергії;
• охоронна сигналізація;
• електронні вимірювальні прилади і т. П.
• для продовження терміну служби батарей цифрових фотоапаратів і камер,
• для заміщення електролітичних танталових конденсаторів,
• для поліпшення характеристик джерел на основі літієвих і NiMH-елементів при температурах нижче 0 ° С,
• при Hot-Swap-заміні джерела мобільного ноутбука і в інших випадках.

 

Характеристики типів іоністорів.