РАБОТА ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Миниатюрный щуп-вольтметр
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений
УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции
Драйвер ШИМ с нулевым потреблением тока в режиме ожидания
Программируемый логический элемент
Дистанционный переключатель из модуля радиоуправления игрушками
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона

РАБОТА ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА


Все носят литий-ионные аккумуляторы с собой (в разных устройствах), но мало кто знает как они работают. Давайте раскроем секрет этих батарей. Начнем с интересного факта: знаете ли вы, что первая батарея была создана 160 лет назад? Это была свинцово-кислотная, построенная в 1859 году Гастоном Планте. И хотя мир с тех пор прошел долгий путь, похожим элементам удалось дожить до наших дней. Все благодаря их способности мгновенно выдавать огромную мощность, которая требуется например стартерам автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Немаловажна и цена - свинцово-кислотные аккумуляторы по сей день не имеют конкуренции по дешевизне.

В 1908 году Томас Эдисон представил миру никель-железные (Ni-Fe) батареи. Он проектировал их под электромобили. К сожалению, стоимость производства Ni-Fe оказалась настолько высокой, что нашла покупателей только среди производителей устройств для подземных работ или электропоездов, для которых кислотных было недостаточно. Ni-Fe аккумуляторы до сих пор используются, например, в локомотивах лондонского метрополитена (эксплуатируемых в случае отключения электроэнергии в городе).

В 1909 году были созданы первые никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи. Их карьера быстро набрала обороты, в основном из-за умеренно доступной цены. Изначально использовавшиеся в авиации (для запуска двигателей) и для питания устройств военной связи, никель-кадмиевые батареи стали основным источником энергии даже для знаменитых ракет Фау-2.

После войны наступила эра транзисторов и миниатюризации, а вместе с ней и необходимость делать батареи легче и меньше. Еще в 1960-х годах Volkswagen разработал никель-металлогидридные (NiMh) элементы. Эти батареи через некоторое время смогли хранить более чем в 2 раза больше энергии, чем их кадмиевые собратья с такими же размерами. Кроме того, производство тех аккумуляторов было даже дешевле, поэтому в 1980-х годах они наводнили рынок и практически захватили его. И хотя на горизонте уже была очень многообещающая литиевая технология, NiMh-элементы долгое время оставались основным источником энергии для дешевых электроинструментов, фотоаппаратов, игрушек с дистанционным управлением и даже электромобилей (Toyota Prius, Honda Civic Hybrid или Forde Espace Hybrid). К сожалению, даже такой важный ценовой аспект или хорошие параметры не могли дать шанса против стремительно приближающейся эры лития.

В 2019 году Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино были удостоены Нобелевской премии по химии за разработку и разработку литий-ионных батарей. Именно они заметили потенциал лития еще в 1970-х годах и начали его исследовать. Первая литиевая батарея была разработана Exxon в 1978 году. Фактически, потребовалась еще около 10 лет упорной работы, чтобы наконец в 1991 году Sony выпустила полностью безопасные, эффективные и небольшие литий-ионные батареи, доступные каждому. Их параметры были настолько революционными, что никто не сомневался, что они только начали экспансию, которую нельзя остановить. Сегодня, примерно через 30 лет после их рождения, сложно найти человека, у которого нет хотя бы одной такой батарейки с собой (в телефоне или часах) и хотя бы несколько дома. Так почему был выбран литий и что в нем такого необычного?

Элемент литий был открыт в 1817 году. Это означает, что прошло почти 150 лет, прежде чем он стал считаться компонентом батарей. Почему это заняло так много времени? По простой причине - литий - довольно проблемный элемент, который сложно приручить. Чтобы полностью понять его преимущества и недостатки, нужно начать с основ.

В основном все аккумуляторы (как и обычные батареи) представляют собой емкости, заполненные химическими соединениями, которые вступают в реакцию друг с другом и производят электричество. Именно этот ток является здесь ключевым, потому что он несет электричество, без которого не может работать ни одно электронное устройство.

Но как электрический ток передает энергию смартфону? Ток - это устремленный вперед поток электронов. Правда на самом деле электроны медленные. Но тут важна не скорость, а количество, и в этом отношении каждую секунду триллионы этих «маленьких шариков» просачиваются через электронику смартфонов.

Тот кто изучал квантовую физику знает, что думать об электронах как о «маленьких шариках» - это развлечение для дошкольников. Но электроны настолько малы, что мы не можем их увидеть даже в лучшие микроскопы. Кто знает, может они в действительности имеют форму квадратов, треугольников или ромбододэкаэдров (простите за наш французский). Кроме того, форма с точки зрения переноса энергии не имеет никакого значения. Речь идет о самом движении молекул и о последствиях, которые за этим идут.

Поднимая камень и бросая его вперед, вы придаете ему определенную скорость. А если мы также рассмотрим массу камня, то сможем говорить о том, что физики называют импульсом. Чем больше скорость камня и больше его масса, тем больше импульс. Физики называют эту способность ускоренных объектов разрушать переносом энергии.

Механически это выглядит так: бросая камень, вы расходуете энергию своих мышц. Чем больше её используете, тем больше устанете, но камень также будет набирать скорость и иметь больше энергии, чтобы делать то, для чего вы его послали - простой расчет. А теперь самое интересное - когда камень попадает в свою конечную цель (в окно), происходит еще один обмен энергией. В результате удара камень должен замедлиться, он теряет энергию. Сколько он теряет зависит от того, насколько он замедляется. Здесь в игру вступает окно, и оно должно получить весь этот импульс. Если бы не было много энергии (камень был легким и медленно летел), стекло как-то выдержало бы, и камень отскочил. С другой стороны, если этой энергии будет слишком много (тяжелый камень и быстрый), стекло так сильно деформируется, что разобьется, и камень, лишь слегка замедленный, улетит дальше.

Пример прекрасно иллюстрирует, что происходит с электронами. Если удастся разогнать их и направить к смартфону, они начнут тереться и биться о заключенную в нем электронику, передавая ему энергию. Если впустим слишком много этой энергии, та хрупкая электроника развалится на части, как стекло. К счастью, сам телефон беспокоится о нужном количестве энергии, поэтому сейчас не будем разбираться с этим фактом.

Идём дальше, ток, то есть поток ускоренных электронов, может переносить с собой энергию. Не случайно электричество основано на электронах - именно эти частицы, а не протоны или нейтроны, легче всего заставить двигаться. Достаточно собрать их огромное количество в одном месте и закрыть там. Электроны не любят компанию друг друга и предпочитают держаться подальше.

Электроны в сфере стараются уйти друг от друга подальше. Просто у электронов есть так называемый «отрицательный заряд», а физика говорит что частицы с одинаковым зарядом всегда будут отталкивать друг друга.

Электроны хотят убежать друг от друга, но им нечем заняться, когда они заперты в таком аккумуляторе или батарее. Решение появляется, когда вставляем в телефон такую батарею. Тогда электросхемы смартфона станут единственным выходом, хотя тот путь представляет собой настоящую полосу препятствий, полную конденсаторов, резисторов, транзисторов и других чипов. 

Из описания все кажется простым - электроны текут по цепи телефона в одном направлении, а затем, перезарядив аккумулятор, мы переносим их обратно и можем снова запустить цикл. К сожалению, реальное исполнение такого механизма - это совсем другая история. Электроны настолько малы, что мы даже не знаем, как они выглядят. Было бы еще сложнее поймать их в сети и просто закрыть с одной стороны батареи. Тогда приходилось бы рассчитывать на то, что они спокойно переплывут на другую его сторону и позволят себе снова там сблизиться. Нереально. Как же тогда это делается? Батареи и аккумуляторы наполнены химическими веществами которые вступают в реакцию друг с другом и производят электричество.

Вместо того чтобы задаваться вопросом где взять отдельные электроны, можем использовать тот факт, что их лучший источник - это атомы - в конце концов электроны летают вокруг своих ядер роями. Да и сами атомы часто сгруппированы в более крупные кластеры называемые молекулами, или образуют серию еще более крупных химических соединений. Мы умеем не только без труда их увидеть, но и закрыть где хотим и в каком надо количестве.

Когда дело доходит до доноров, то можем выбирать среди 118 различных элементов. Стоит знать что у каждого из них есть свой индивидуальный номер, называемый атомным, который напрямую определяет сколько электронов вращается вокруг ядра данного элемента. Все это хорошо видно на таблице Менделеева.

Конечно выбор не совсем произвольный - одни элементы более согласованы, чем другие. Есть и такие, в которых даже нет смысла их убеждать работать согласно нашим целям - выделим этих отстающих белым. Почему это не имеет смысла? Большинство из них просто радиоактивные элементы, и нам не нужны такие дела в домашних батарейках. В свою очередь, белый столбец, видимый с правой стороны начиная с гелия, - это так называемые благородные газы. Они названы так потому, что слишком благородны, чтобы жертвовать свои электроны для питания какой-то вульгарной электроники (смайлик).

Исключая эти «белые пятна», получаем 76 элементов, которые смешиваются и сочетаются друг с другом в природе, потенциально давая начало тысячам различных химических соединений. А нам нужны химические соединения, которые реагируют друг с другом охотно отдавая электроны, и такие, что электроны притягиваются друг к другу пока не перезарядятся.

В 1800 году человек по имени Алессандро Вольта обнаружил первую такую пару реакций. Оказалось, что если растворить цинк (Zn) в правильном растворе, он без проблем даст нам 2 электрона. С другой стороны, медь (Cu) не очень любит такое растворение, и с радостью предоставит убежище двум электронам, благодаря которым сможет выйти из такого раствора. И хотя такой честный односторонний обмен электронами между цинком и медью стал основой первой в истории батареи, к сожалению этот процесс необратим. Во время этого обмена в структуре соединений происходят необратимые изменения, и мы не можем просто подключить такую батарею к зарядному устройству и транспортировать электроны обратно. Это было по крайней мере 200 лет назад, потому что сегодняшние знания в области химии и технологий позволяют создавать аккумуляторы на основе цинка и меди, которые можно перезаряжать.

Первая полностью обратимая пара реакций была открыта Гастоном Планте, получившим крещение свинцово-кислотной батареей. Свинец, застрявший на одной стороне батареи, вступает в реакцию с раствором серной кислоты, высвобождая по пути 2 электрона. С другой стороны, герметизирован оксид свинца. Свинец хочет оторваться от кислорода, а для этого ему нужны два паразитных электрона. Обе реакции полностью обратимы. Это означает, что можем подключить такую батарею к зарядному устройству, и она принудительно оторвет отправленные электроны с другого конца (свинец снова соединится с кислородом) и перенесет их обратно в начало, втолкнув их в атом свинца (который оставил их раньше).

Обратите внимание, что в случае истории цинка и меди, а также свинца и его оксида, говориться только о двух пожертвованных электронах. Но почему два? Медь (Cu) и цинк (Zn) имеют 29 и 30 электронов соответственно, а свинец - 82! Забрать у него всего два электрона, поскольку у него их так много, кажется пустой тратой потенциала. В конце концов чем больше электронов берем, тем больше энергии должны использовать, верно? Конечно, но вытаскивание электрона с орбиты тоже проблема. Помните силу и энергию наших мышц, способных бросить камень? Электрон просто так не полетит вперед, потому что для этого ему нужна энергия. Энергия, возникающая в результате химических реакций. Тут настоящая проблема с этим механизмом, посмотрим на таблицу энергий необходимых для ионизации элементов (ионизация, т.е. удаление или добавление к ним электронов). Это покажет что извлечение каждого последующего электрона из элемента требует в среднем вдвое больше энергии, чем предыдущего. В результате можем легко заставить большинство атомов отдать один электрон. На получение второго уходит вдвое больше энергии. Третий электрон уже в 4 раза больше энергии, чем вначале. Четыре или более электронов - это тема за пределами досягаемости. Конечно если мы не установим в батарею микроскопическую лазерную пушку, которая может выбивать любое количество электронов из атомов. Тогда да, не было бы проблем (снова смайлик).

Такое электронное ограничение полностью меняет правила игры. На этом этапе мы не хотим использовать элементы с большим количеством электронов, потому что все равно получим два или три из них. Это важно, потому что чем больше электронов имеет элемент, тем больше протонов и нейтронов автоматически оказывается в его ядре, и, таким образом, весь атом становится тяжелее. Имеет ли тогда смысл упаковывать большие и тяжелые атомы свинца (82 электрона) в аккумулятор, поскольку могли бы также извлечь 2 электрона из гораздо более легких элементов? Среди прочего, именно этот фактор позволяет батареям на основе никеля (Ni-Fe, Ni-Cd, NiMh) вырабатывать в 2-4 раза больше энергии из каждого килограмма батареи, чем их тяжелые свинцовые собратья. И хотя никель не намного меньше атома свинца, химические соединения, которые он использует в своих реакциях, можно легко сжать, свернуть и закрыть в небольшом цилиндрическом корпусе. Кислотные батареи и их реакции требуют значительно больше места.

Если свинец настолько громоздок, почему батареи на его основе до сих пор питают стартеры в автомобилях? Из-за того, что в автомобилях много места, а с двумя тоннами стали на колесах, аккумулятор весом в несколько килограммов не имеет никакого значения, в пользу кислотных АКБ идут три вещи:

  1. Во-первых, они и по сей день остаются самым дешевым типом аккумуляторов. Свинец не так распространен в земной коре, как никель, но его получение довольно дешево, как и серная кислота, необходимая для реакции. Кроме того, вся батарея настолько проста в сборке, что теоретически можете сделать ее самостоятельно дома.
  2. Второе - неплохое напряжение, которое вырабатывает такая батарея. Поскольку в химии аккумуляторов, помимо количества отданных электронов важно насколько соединение хочет от них избавиться или принять их. Тем более что электроны выбрасываются с одной стороны и засасываются с другой стороны банки. Большая скорость, как в случае с камнем, означает больше энергии которую электроны оставят, когда попадают в электронику наших устройств. Химический состав свинцово-кислотных аккумуляторов генерирует напряжение 2 В, что не такой уж плохой результат по сравнению с 1,2 В в Ni-Cd и NiMh. Конечно батареи в автомобилях имеют напряжение до 12 вольт, но это только благодаря подключению 6 небольших свинцово-кислотных аккумуляторов внутри.
  3. Третий момент - это мощность. Каждая химическая реакция протекает с определенной скоростью, а реакция свинца и серной кислоты - чрезвычайно быстро. В сочетании с относительно высоким напряжением элемента он позволяет за доли секунды генерировать огромную мощность, необходимую для запуска стартеров автомобиля (ток от аккумулятора достигает значения в несколько сотен ампер). Компоненты Ni-Cd и NiMh не могут проводить такой большой ток, а их компактная конструкция делает их гораздо более чувствительными к повышению температуры при таком токе. Их преимущество перед свинцом заключается в гораздо большем количестве накопленной энергии, которая, если не нужно ее быстро извлекать, может служить намного дольше.

Мобильные телефоны и другая портативная электроника - это совсем другая тема, чем стартер автомобиля. В этом случае малые габариты и вес - залог успеха. Все хотят чтобы у телефона был большой экран и он был быстрым, и он должен быть в маленьком и тонком корпусе. Исследователи понимали в каком направлении движется индустрия мобильных устройств, поэтому решили создать самые легкие и мощные батареи в истории. Вот для этого и пришлось попытаться приручить один из самых легких доступных элементов.

Здесь на сцену выходит литий (Li). В таблице Менделеева он отмечен цифрой 3, что делает его одним из самых легких известных нам элементов - в этом отношении он проигрывает только водороду и гелию. В литии также интересно то, что, будучи элементом легче чем кислород или азот, в отличие от них он является твердым телом. Благодаря этому его атомы плотно упакованы, и такой компактный материал намного проще обработать и поместить в небольшую батарею. Конечно газы можно обрабатывать высоким давлением и сжимать, но если у нас есть сверхлегкий литий, зачем париться?

Литий весит примерно столько же, сколько сосновая древесина. Его плотность составляет около 0,51 г / см3, он почти в два раза легче воды, примерно в 16 раз легче никеля и в 20 раз свинца. Идеальный рецепт сверхлегких батарей.

Весь секрет литий-ионных аккумуляторов на самом деле в термине «ионный». Ионизация - это термин удаления или добавления электронов к атомам. Когда элемент отдает электрон или получает электрон, мы называем его ионом. Стандартный литий имеет 3 электрона. Двое из них находятся так близко к ядру атома и настолько ими увлечены, что мы можем забыть о них. Зато литий настолько хочет избавиться от этого третьего электрона, что вступает в реакцию практически со всем, что встречается на его пути - даже с водой или воздухом. И пусть вас не смущает внешний вид - литий настолько хочет стать ионом, что отдав один этот электрон, он генерирует напряжение 3,2 - 3,8 В! Это означает, что каждый электрон выпущенный литием, переносит в 3 раза больше энергии, чем от никелевых батарей, и в два раза больше, чем от кислотных. Тогда если свинец отдает два электрона, в чем же преимущество лития?

Каждая батарея использует химические реакции для передачи и получения электронов - они являются единственным возможным источником энергии, необходимой для этого. Ученые, получившие Нобелевскую премию за разработку литиевых батарей, фактически получили ее за некоторый обман с литием. Они знали, что заставлять этот элемент отдавать электрон - не вопрос - одноразовые литиевые батареи существуют уже много лет. Проблема заключалась чтобы найти реакцию, при которой литий на другой стороне батареи с радостью принял бы отданный электрон обратно. Конечно было несколько таких реакций, но все они имели свои ограничения и существенные недостатки, которые полностью подрывали потенциал лития. Затем в 70-х кто-то подумал, что на самом деле никакой реакции не должно происходить, пока литий не узнает об этом.

Атом лития с тремя электронами на борту довольно большой. Но когда он отдает свой электрон и становится ионом, его диаметр практически удваивается. Тогда он более чем на 20% меньше свинца, который уже отдал два электрона! Согласитесь, это большая разница. Кроме того, ученые обнаружили структуру под названием оксид кобальта. Оказалось что ион лития имеет как раз такой размер, что отлично помещается в узкие промежутки между слоями этого соединения. Кроме того кобальт не очень разборчивый элемент и может позаботиться о дополнительном электроне, который также дает ему литий. В конце концов, такой оксид кобальта с застрявшим там литием называется оксидом кобальта лития (LiCoO 2), и это основное соединение, используемое в литий-ионных батареях. А процесс внедрения атомов в структуру соединения называется интеркаляцией (смайлик умного вида).

В такой системе литий ощущается как часть взаимоотношений, хотя и не образует с ними полноценной связи. Для этого подключаем оксид лития-кобальта к зарядному устройству и начинаем откачивать электроны. 

Это действие на кобальт не производит никакого впечатления - это металл, похожий на медь и железо, то есть проводник которому все равно, складываем ли мы в него электрон. И уж точно не пожалеет о том, который только что получил из лития. К сожалению, такая ситуация ставит ион лития в трудное положение. Раньше он отдавал отрицательно заряженный электрон, что делало его слегка положительно заряженным. Теперь мы выкачали этот электрон сделав всю структуру оксида кобальта слегка положительной. Физика в этом вопросе неумолима - положительный оксид кобальта начнет отталкивать положительный ион лития. Одни и те же заряды, положительные или отрицательные, всегда отталкивают друг друга.

Кислород и кобальт плотно слипаются - это довольно компактная структура которая действует как своего рода строительные леса. А ионы лития, которые сжимаются там где могут, но на самом деле ни к чему не прилипают, выталкиваются из конструкции.

Литию некуда деваться - с электроном было плохо, но без него и без каких-либо других атомов, к которым он может прилипать, еще хуже. Не зная что делать, он поворачивается и видит свет в конце туннеля. Там, с другой стороны батареи, идёт притягиваемое какой-то таинственной силой.

Литий проходит через внутреннюю часть батареи, проталкиваясь через сепаратор пропитанный электролитом, который разделяет батарею на две части.

Подключив батарею к телефону, электроны получают путь к бегству - графит не так гостеприимен для них, как кобальт, поэтому они ощущаются в его структуре как сардины, запертые в консервной банке. Услышав зов кобальта, электроны решают воспользоваться возможностью. Эти легкие и подвижные частицы легко выходят из графитовой ловушки. По пути они оставляют на телефоне стандартный энергетический «заряд» и возвращаются к структуре оксида кобальта.

Из-за того что электроны медленно исчезают, сила, удерживающая их между слоями графита, также уменьшается. С другой стороны, кобальт с электронным питанием также перестает быть положительно заряженным и отталкивать литий. Лучшей возможности не будет - ионы лития покидают графит и прорываются обратно через сепаратор, наконец достигая слоев кобальта, покрытых мягким слоем кислорода. Так закончился цикл зарядки и разрядки аккумулятора, во время которого ионы лития путешествовали по его внутренней части в одну и другую сторону. Этот механизм получил название «кресло-качалка». Гениальность и простота этой идеи внесли свой вклад в величайшую революцию 21 века - создание литий-ионной батареи.

Литий-ионные элементы - самые эффективные и мощные аккумуляторы появившиеся на рынке на сегодняшний день. К сожалению качество, как всегда дорого обходится. Начнем с того, что готовность лития реагировать повсюду и со всем делает его хранение и переработку довольно проблематичной. По той же причине мы не найдем чистого лития на планете. Чаще всего его получают из таких химических веществ, как хлорид лития (LiCl), гидроксид лития (LiOH) и карбонат лития (Li 2 CO 3). Это непростой процесс. Для получения одного килограмма чистого лития требуется 5,3 кг карбоната лития. Самые большие месторождения этого сырья находятся в Боливии (около 32% мировых ресурсов), а крупнейшими производителями чистого лития являются Чили, Китай и Аргентина, производящие около килограмма лития в секунду.

Кроме того, производство батареи из элемента обладающего такой огромной энергией и только ожидающего возможности среагировать чем-либо, требует применения целого набора мер безопасности. Литий-ионные аккумуляторы не любят перегрев и перезаряд. Следовательно они оснащены электроникой, контролирующей параметры батареи. А любая электроника может дать сбой, после которой мы смотрим на Ютубе видео от Креосана про взрывы Li-Ion аккумуляторов и сгоревшие Теслы. Но будем надеяться что это временные неудобства и лет через 10 изобретут что-то такое крутое, что смартфоны станут продавать вообще без зарядных устройств, ибо телефон устареет быстрее, чем разрядится его аккумулятор!

   Форум по АКБ




   Форум по обсуждению материала РАБОТА ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА


ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА USB ПОРТА

Варианты выполнения гальванической развязки USB порта. Современные микросхемы для емкостной, оптической и электромагнитной развязки.


ТОНКОМПЕНСИРОВАННЫЙ РЕГУЛЯТОР ГРОМКОСТИ

Тонкомпенсированный регулятор громкости с адаптацией к регулятору тембра - теория и практика.


ПЕРЕХОДНИК ДЛЯ TQFP С САМОЦЕНТРИРОВАНИЕМ

Простой переходник для корпусов TQFP с самоцентрированием микросхемы, собранный своими руками.



Радиосхемы » Теория электроники



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук