Акумулятор Li-ion

Це тип перезаряджуваних акумуляторів, в яких іони літію переміщуються між негативним електродом (анодом) і позитивним електродом (катодом) під час розряду та заряду. Вони стали стандартом у сучасній портативній електроніці завдяки високій енергоємності, тривалому терміну служби та відсутності ефекту пам’яті.

З чого виготовляють Li-ion акумулятори?

Основні компоненти:

• Катод (позитивний електрод): Зазвичай виготовляється з оксидів літію та перехідних металів:
  • LiCoO₂ (літій-кобальтовий оксид) — найпоширеніший у смартфонах та ноутбуках
  • LiMn₂O₄ (літій-марганцевий оксид) — для електроінструментів
  • LiNiMnCoO₂ (NMC) — збалансований варіант для електромобілів
  • LiNiCoAlO₂ (NCA) — високоенергоємний варіант
• Анод (негативний електрод): Найчастіше виготовляється з графіту (вуглецю), який може вміщувати іони літію між своїми шарами
• Електроліт: Розчин солей літію (наприклад, LiPF₆) в органічних розчинниках, який забезпечує рух іонів між електродами
• Сепаратор: Тонка пориста мембрана (зазвичай з поліпропілену або поліетилену), яка розділяє катод і анод, запобігаючи короткому замиканню
• Струмознімачі: Мідна фольга для анода та алюмінієва для катода

Як працюють катод та анод у Li-ion акумуляторах?

Процес розряду (використання енергії):

1. Іони літію (Li⁺) вивільняються з анода (графіту)
2. Вони проходять через електроліт до катода
3. Електрони рухаються через зовнішнє коло від анода до катода, створюючи електричний струм
4. На катоді іони літію інтегруються в кристалічну структуру оксиду металу

Хімічна реакція (приклад для LiCoO₂):

• Анод: C₆Li → C₆ + Li⁺ + e⁻
• Катод: Li⁺ + e⁻ + CoO₂ → LiCoO₂

Процес заряду (накопичення енергії):

Процес відбувається у зворотному напрямку:

ЗОВНІШНЄ ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ
                 ➕ -----------➖
                  |    (заряд)  |
                  v             v
        ┌───────────────────────────────────┐
        │             АКУМУЛЯТОР            │
        │                                   │
АНОД (графіт)                         КАТОД (оксид металу)
        │                                   │
        │  ← ← ←   Li+  (рухаються назад)   │
        │ <---------------------------------│
        │                                   │
        │  [ ЕЛЕКТРОНИ е– рухаються через ] │
        │  [ зовнішнє коло до анода  ---> ] │
        │                                   │
        └───────────────────────────────────┘

Зовнішнє джерело живлення подає напругу ➡️ Іони літію рухаються від катода до анода ➡️ Електрони повертаються до анода через зовнішнє коло➡️ Іони літію знову інтеркалюються (🙂вбудовуються) між шарами графіту

Форм-фактори Li-ion акумуляторів

• Циліндричні елементи
  Виглядають як батарейки або акумулятори AA тільки більшого розміру
• Призматичні елементи
  Виглядають візуальнго як “цеглини”
• Поліmerні (Pouch) елементи
  Виглядають як гнучкий багатошаровий полімерний пакет
• Кнопкові (таблеткові) елементи
  Приклад: всім знайомий CR2032
  

Основні недоліки перед LiFePo4:

• ⚠️ Чутливість до перегріву
• ⚠️ Деградація при глибоких розрядах
• ⚠️ Потреба в системі управління (BMS)
• ⚠️ Відносно висока вартість
• ⚠️ Ризик займання при пошкодженні

Важливі застереження при зарядці Li-ion акумуляторів

• Не перевищуйте рекомендовану напругу (звичайно 4.2 В на елемент) але є різновиди з власними параметрами що можуть відрізнятись. Порівняння в таблиці 1
• Заряджайте тільки «правильними» зарядними пристроями
• Не допускайте перегріву під час зарядки
• Не використовувати «no-name» батареї та зарядники
• Не залишайте батареї без нагляду під час зарядки
• Не доводити до ❗ 0 % і не тримати постійно 100 %
• Стежити за ознаками несправності
• У збірках — обовʼязково BMS

Порівняльна таблиця: Li-ion vs LiFePO₄