Что такое литий-ионные аккумуляторы?

КДжейк Моррисон, автор аппаратного обеспечения|Сара Чен|Майк Паттерсон
Опубликовано:8 февраля 2025 г.

Практически все аккумуляторные батареи в наши дни работают на литий-ионных батареях. Ваш телефон, очевидно. Ноутбук. Те беспроводные наушники, которые вы, вероятно, сейчас носите. Эта технология получила распространение в 1991 году, когда Sony выпустила на рынок первые литий-ионные элементы для видеокамер, и с тех пор она проникла во все категории продуктов.

Люди спрашивают: «Что такое литий-ионные аккумуляторы?», ожидая простого списка, но реальный ответ таков: осмотрите свой дом. Посчитайте перезаряжаемые устройства. Это ваш ответ.

Эти батареи накапливают энергию, перемещая ионы лития вперед и назад между двумя электродами-от анода к катоду при разрядке и в обратном направлении при подключении. Химический состав кажется сложным, но практический результат очевиден: больше энергии в меньшем пространстве, чем когда-либо могли обеспечить старые типы батарей.

What Has Lithium Ion Batteries

Три причины. Плотность энергии превосходит все остальное. Литий-ионный элемент обеспечивает мощность 150-250 Вт-часов на килограмм. Сравните это с никель-кадмиевым, примерно 40-60 Втч/кг. Даже близко.

Во-вторых, отсутствие эффекта памяти. Помните старые беспроводные телефоны, в которых приходилось полностью разряжать аккумулятор, иначе он «забывал» свою полную емкость? Литий-ионный аккумулятор этого не делает. Заряжайте его в любое время. В-третьих, низкий саморазряд--. Они держат заряд, пока лежат на полке, теряя примерно 2–3 % в месяц против 20 % у NiMH аккумуляторов.

Стоимость тоже снизилась. Еще в 90-х годах эти батареи были достаточно дорогими, и их использовала только электроника премиум-класса. Теперь они достаточно дешевы для зарядных устройств USB в долларовом магазине. Ну, дешеводостаточно-все еще дороже, чем щелочные аккумуляторы, но возможность перезарядки быстро окупается.

Смартфоны лидируют. В iPhone 15 Pro установлен аккумулятор емкостью 3274 мАч. Samsung Galaxy S24 Ultra стал больше — 5000 мАч. В каждом телефоне, от моделей с предоплатой за 50 долларов до флагманов за 1500 долларов, используется литий-ионный-обычно литий-кобальтовый оксид (LCO), поскольку он обеспечивает максимальную емкость в ограниченном пространстве.

Ноутбуки работают от аккумуляторов большей емкости, обычно 50–80 Втч для ультрабуков и до 100 Втч для рабочих станций. На самом деле, 100 Втч — это законный предел для перевозки аккумуляторов в самолетах без специального разрешения, поэтому производители ноутбуков ориентируются на это число. ФАУ установило это правило после возгорания литиевых батарей в самолетах в 2000-х годах.

Планшеты занимают промежуточное положение.-У iPad Pro около 40 Втч. Киндл Пейпервайт? Крошечная батарея емкостью 6 Втч, которой хватает на несколько недель, поскольку электронные чернила отображают глоток энергии.

Потом все остальное. Беспроводные мыши и клавиатуры (обычно с литий-ионными элементами размера AAA-). Динамики Bluetooth-JBL, Ultimate Ears, Bose, литий-ионные. Игровые контроллеры. Умные часы. Фитнес-трекеры. Беспроводные камеры видеонаблюдения. Видеодомофоны. Электрические зубные щетки. В серии Oral-B iO используется литиевая батарея, которой хватает на две недели без подзарядки.

AirPods Pro имеют аккумулятор емкостью 1,98 Втч, объединенный между наушниками и чехлом. Это звучит не так уж и много, пока вы не поймете, что они обеспечивают активное шумоподавление, пространственную обработку звука и беспроводное соединение в течение нескольких часов.

What Has Lithium Ion Batteries

Электромобили полностью изменили масштаб. Tesla Model 3 Long Range оснащена аккумулятором емкостью 75 кВтч,-это 75 000 Вт-часов, или примерно 1500 аккумуляторов смартфонов. Одна только батарея весит около 1000 фунтов.

В большинстве электромобилей используются никель-марганцево-кобальтовые (NMC) или литий-железо-фосфатные (LFP) элементы, а не кобальт-тяжелые аккумуляторы в телефонах. NMC обеспечивает хорошую плотность энергии и лучшую термическую стабильность. LFP безопаснее и служит дольше.-BYD и Tesla теперь используют LFP для моделей стандартной линейки. Компромисс- заключается в более низкой плотности энергии, поэтому вам нужно больше ячеек для того же диапазона.

Ford F-150 Lightning имеет доступную мощность до 131 кВтч. Rivian R1T в конфигурации Max Pack достигает 135 кВтч. Lucid Air Dream Range заявляет о 112 кВтч и имеет запас хода более 500 миль в соответствии с EPA, потому что их двигатели и электроника безумно эффективны.

Электрические велосипеды переживают бум. В велосипедах Rad Power Bikes обычно используются аккумуляторы 48 В, 14 Ач (672 Втч). Электронные-велосипеды более высокого класса-от Specialized или Trek работают от аккумуляторов емкостью 500-700 Втч. Скутеры E- меньше по размеру: Xiaomi M365 потребляет 280 Втч, арендованные скутеры Bird и Lime имеют аналогичную мощность.

Электрические мотоциклы по-прежнему занимают нишу, но ее популярность растет. Zero Motorcycles SR/F оснащен аккумулятором емкостью 14,4 кВтч. Energica Ego+ потребляет 21,5 кВтч. Пока недостаточно для длительных поездок по шоссе, но добираться.

Лодки тоже идут. Электрическая лодка X Shore Eelex 8000 оснащена аккумуляторной батареей емкостью 125 кВтч. Лодка на подводных крыльях Candela C-8 потребляет 44 кВтч и «летит» над водой, чтобы уменьшить сопротивление. Электрический катер для вейкборда Arc Sport стоил 300 000 долларов, когда я в последний раз проверял.

Эта трансформация произошла быстро. Двадцать лет назад серьезные подрядчики смеялись над аккумуляторными инструментами. Сегодня? Милуоки, ДеВолт, Макита, Бош-они все перешли на литий.

Система FlexVolt компании DeWalt работает от напряжения 20 В или 60 В в зависимости от инструмента. Платформа M18 компании Milwaukee включает более 200 инструментов, использующих одну и ту же аккумуляторную систему. Их аккумуляторы высокой мощности имеют емкость 12 Ач-, достаточную для того, чтобы циркулярная пила проделала десятки разрезов.

Далее последовало наружное энергетическое оборудование. Ego Power Plus производит аккумуляторную газонокосилку с аккумулятором 56 В, 7,5 Ач (420 Втч). Их триммеры, воздуходувки и даже снегоочистители работают на одной и той же аккумуляторной платформе. У Ryobi есть система на 40 В. Greenworks предлагает варианты на 60 В и 80 В для более крупного оборудования.

Роботы-пылесосы и газонокосилки работают от батарей меньшего размера, поскольку они заряжаются автоматически. Roomba j7+ имеет около 60 Втч. В Husqvarna Automower используется литий-ионный аккумулятор 18 В, мощность зависит от модели.

Профессиональное оборудование продолжает расти. Компания Milwaukee производит ранцевый аккумулятор емкостью 300 Втч для работы нескольких инструментов на рабочих площадках. Stihl предлагает аккумуляторные бензопилы, достаточно мощные для коммерческих работ по дереву.

Портативные концентраторы кислорода имеют решающее значение для людей с респираторными заболеваниями. В Inogen One G5 используется литий-ионный аккумулятор, обеспечивающий 3-6 часов работы в зависимости от настроек потока. Phillips Respironics Simply Go Mini рассчитан на около 4,5 часов.

Аппараты CPAP для лечения апноэ во сне все чаще предлагают варианты с батареями. ResMed AirMini Travel CPAP может работать от внешних литиевых батарей. Полезно для кемпинга или отключения электроэнергии.

Слуховые аппараты недавно перешли на литиевую аккумуляторную батарею. Phonak Audeo Paradise заряжается в течение ночи и работает 16+ часов. Starkey Evolv AI аналогичной производительности. Гораздо лучше, чем возиться с этими крошечными цинковыми-кнопочными батарейками каждые несколько дней.

Медицинское оборудование для мониторинга-мониторы артериального давления, глюкометры, портативные устройства ЭКГ-многие из них теперь перезаряжаемые. AliveCor KardiaMobile записывает ЭКГ на телефон и работает на небольшом литиевом элементе в течение нескольких месяцев.

Инфузионные насосы, хирургические инструменты, диагностическое оборудование, используемое в больницах-множество резервных литий-ионных батарей или портативных источников питания. В хирургических электроинструментах Stryker System 8 используются литий-ионные аккумуляторы, стерильно запечатанные для использования в операционной.

Имплантируемые устройства — это совершенно другая категория. В некоторых новых кардиостимуляторах используются перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, заряжаемые чрескожно (через кожу) с помощью индукции. У Medtronic есть модели, в которых аккумулятор заряжается по беспроводной сети раз в неделю вместо хирургической замены каждые 7–10 лет.

What Has Lithium Ion Batteries

Tesla Powerwall 2 хранит 13,5 кВтч, установка стоит около 11 000 долларов. Powerwall 3 недавно вышел с лучшей интеграцией. Generac PWRcell предлагает модульные системы мощностью 9–18 кВтч. LG Chem RESU потребляет от 10 до 16 кВтч в зависимости от конфигурации.

Эти домашние аккумуляторы в сочетании с солнечными панелями-сохраняют избыточную энергию в течение дня и используют ее ночью. Также обеспечьте резервное копирование во время сбоев, если оно настроено правильно. Не все системы работают во время отключения электроэнергии; зависит от настройки инвертора.

Калифорния требует использования солнечной энергии в новых домах, поэтому внедрение батарей там ускоряется. На Гавайях высокие затраты на электроэнергию и много солнца, поэтому экономика солнечной энергии и хранения энергии работает хорошо. В 2021 году в Техасе произошел сбой в электросети, что вызвало интерес к домашним батареям.

Коммерческие установки становятся намного больше. Продуктовый магазин может установить батареи емкостью 50-100 кВтч для управления зарядкой по требованию. Центры обработки данных используют аккумуляторные помещения мощностью в несколько мегаватт для резервного питания, заменяя или дополняя дизельные генераторы.

Масштаб полезности дикий. Энергохранилище Мосс-Лэндинг в Калифорнии имеет мощность 3000 МВтч-это 3 миллиона киловатт-часов, что достаточно для обеспечения электроэнергией примерно 225 000 домов в течение нескольких часов. В нем используются блоки Tesla Megapack, каждый из которых представляет собой батарею-размером с транспортным контейнером емкостью 3 МВтч.

Австралийская электростанция Hornsdale Power Reserve была одной из первых крупных сетевых батарей, построенных Tesla в 2017 году, мощностью 150 МВтч. С тех пор он был расширен. Эти системы стабилизируют частоту сети, сохраняют возобновляемую энергию, снижают потребность в пиковых установках для природного газа.

В системах бесперебойного питания (ИБП) традиционно использовались свинцово-кислотные-аккумуляторы. Тяжелый, требующий замены каждые 3-5 лет, содержащий токсичные материалы. Литий-ионные системы ИБП от APC, Eaton, Vertiv служат дольше, занимают меньше места и меньше весят. Особенно это нравится центрам обработки данных: снижение веса означает меньшую структурную нагрузку на здания.

Дроны и квадрокоптеры-DJI доминирует на этом рынке. Их дроны работают на литий-полимерных (LiPo) батареях, которые технически представляют собой литий-ионный вариант с полимерным электролитом. DJI Mini 3 Pro использует батарею емкостью 2453 мАч, обеспечивающую время полета около 34 минут. Более крупные дроны, такие как Inspire 2, оснащены двумя батареями общей емкостью 98 Втч.

Профессиональные дроны для съемки, осмотра и доставки-все они работают на литиевых батареях. Медицинские дроны для доставки зиплайнов в Африке используют литий-ионные аккумуляторы. Прототипы дронов-доставщиков Amazon используют их.

Расширяется применение аэрокосмической техники. Электрические самолеты на подходе. У Pipistrel Velis Electro есть литиевые батареи-первый полностью электрический самолет, сертифицированный для летной подготовки в Европе. Beta Technologies и Joby Aviation разрабатывают электрические воздушные такси с питанием от больших литиевых аккумуляторов.

В спутниках и космических кораблях используются специализированные литий-ионные батареи, способные выдерживать вакуум, радиацию и экстремальные температуры. На Международной космической станции установлены литий-ионные батареи, заменяющие старые никель--водородные элементы. Каждый аккумуляторный модуль весит 400+ фунтов.

Военная техника-очки ночного видения, тактические радиостанции, устройства GPS — все теперь работает на литиевых батареях. Лучшая плотность энергии имеет значение, когда солдаты несут снаряжение в течение нескольких дней. В радиостанции AN/PRC-163 используются перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы.

Фотоаппаратура и фототехника-беззеркальные фотоаппараты Sony, Canon, Nikon, литий-ионные. В Sony A7 IV используются батареи NP-FZ100 емкостью 16,4 Втч каждая. Профессиональное освещение.-Светодиодные фонари Aputure 300d работают от литиевых батарей с креплением V- (стандартный размер 98 Втч). Беспроводные микрофоны, видеомониторы, все портативное для кино/фотопроизводства.

What Has Lithium Ion Batteries

Новые продукты с батарейным питанием-часто имеют возможность подключения по Bluetooth или Wi-Fi-. Вы можете проверить состояние батареи на своем телефоне. Электроинструменты Ego показывают уровень заряда в приложении. Инструменты Ryobi тоже. Tesla позволяет вам контролировать аккумулятор вашего автомобиля и заряжать его удаленно.

Интеллектуальные системы управления батареями (BMS) выполняют большую работу. Они балансируют напряжение ячеек-в много-пакете ячеек, отдельные ячейки со временем расходятся, а BMS их выравнивает. Они контролируют температуру, предотвращают перезаряд и переразряд, сообщают устройству статус.

Некоторые подключенные функции кажутся бесполезными, но удаленный мониторинг дорогостоящего оборудования имеет смысл. Строительные бригады могут отслеживать, какие аккумуляторы нуждаются в зарядке. Владельцы домашних накопителей энергии могут контролировать выработку солнечной энергии и состояние батареи во время путешествия.

Однако существуют проблемы безопасности. Прошивка аккумулятора иногда нуждается в обновлении. Если этот путь связи не защищен должным образом, это потенциальная уязвимость. Не многие взламывают аккумуляторы, но теоретически это возможно.

Люди постоянно сталкиваются с литиевыми батареями, даже не задумываясь об этом. Электрическая зубная щетка в ванной. Беспроводной пылесос (Dyson V15 имеет мощность 70 Втч). Перезаряжаемый фонарик. Блок питания в вашей сумке-Anker производит модели емкостью от 10 000 мАч (37 Втч) до 25 000 мАч (90 Втч).

Детские игрушки все чаще перезаряжаются. Машинки с дистанционным управлением,-игрушки с подсветкой, электронные обучающие устройства. Лучше постоянно покупать щелочные батарейки.

Устройства для умного дома-Видеодверной звонок Ring оснащен съемной литиевой батареей. В камерах видеонаблюдения Arlo используются аккумуляторные батареи, которых хватает на несколько месяцев. В термостатах Google Nest есть резервные литиевые батареи. Умные замки August работают на литиевых батарейках типа АА.

Праздничные фонари тоже станут перезаряжаемыми. Гирлянды со встроенными-батарейками и солнечными панелями. Перезаряжаемые светодиодные свечи. Декоративные предметы.

Варианты профессионального использования сильно различаются. Строители целый день меняют аккумуляторы Milwaukee или DeWalt. Складские вилочные погрузчики заряжают литий-ионные аккумуляторы во время перерывов-15-минутная возможность зарядки лучше часов ожидания зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.

Внедрение сельскохозяйственной техники происходит медленнее, но происходит. John Deere тестирует электротракторы. Автономные сельскохозяйственные роботы часто электрические. Системы орошения с резервным аккумулятором.

Клининговая промышленность начала использовать литий. Такие компании, как Tennant и Karcher, предлагают литиевые варианты для поломоечных машин, ковровых экстракторов, коммерческих моек высокого давления-. Быстрая зарядка, меньший вес, отсутствие необходимости полива аккумулятора, как в старых свинцово-кислотных системах.

Батареи деградируют. Химия не вечна. Типичная литий-ионная батарея сохраняет 80% емкости после 500–1000 циклов зарядки, в зависимости от химического состава и особенностей использования. Tesla гарантирует сохранение своих аккумуляторов для электромобилей на 70% в течение 8 лет/100 000–150 000 миль в зависимости от модели.

Температура убивает батареи быстрее, чем что-либо еще. Особенно сильное нагревание,-хранение или использование батарей при температуре выше 30 градусов (86 градусов F) обычно ускоряет деградацию. Холод снижает временную емкость, но не вызывает необратимых повреждений, как тепло. Вот почему аккумуляторы Phoenix EV разряжаются быстрее, чем аккумуляторы Seattle.

Календарное старение тоже реально. Батареи разряжаются, даже если они не используются. Храните их при заряде 40–50 % при прохладной температуре, чтобы продлить срок хранения. Хранение аккумулятора при 100% заряде и температуре 40 градусов в течение длительного времени является худшим вариантом.

Инциденты, связанные с безопасностью, случаются редко, но когда они происходят, они становятся новостью. Производственные дефекты стали причиной пожаров Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году — отозвали 2,5 миллиона телефонов. В 2015–2016 годах ховерборды так часто загорались, что авиакомпании запретили их использование. Обычно это связано с проблемами контроля качества производства, физическими повреждениями или зарядкой с использованием неподходящих зарядных устройств.

Термический выход из-под контроля-когда элемент перегревается и тепло вызывает дальнейшие реакции, которые выделяют больше тепла-это основной вид отказа. Правильно спроектированные аккумуляторы имеют множество функций безопасности: цепи ограничения тока, термопредохранители, вентиляционные отверстия для сброса давления, слои отключения сепаратора. Дешевые аккумуляторы лишены этой защиты.

Совместимость расстраивает пользователей. Каждая марка инструментов использует разные форм-факторы аккумуляторов. Аккумуляторы DeWalt не подходят для инструментов Milwaukee. Компания Ryobi уже много лет старается обеспечить совместимость своей платформы One+.-Инструменты 2005 года работают с батареями, выпущенными в 2025 году. Но большинство производителей хотят, чтобы этот поставщик был привязан-к этому поставщику.

Инфраструктура переработки отходов все еще развивается. Li-Cycle, Redwood Materials и другие строят специализированные заводы по переработке литиевых батарей. Они могут восстановить более 95% материалов аккумуляторов. Однако логистика сбора остается сложной задачей.-люди выбрасывают батарейки в мусор, создавая проблемы на свалках.

BMS имеет решающее значение, но невидима. В ноутбуке он контролирует каждую группу ячеек, оценивает оставшееся время работы, контролирует скорость зарядки и сообщает операционной системе о состоянии батареи. Сложнее, чем кажется.

Оценить состояние--заряда на удивление сложно. Напряжение аккумулятора коррелирует с уровнем заряда, но эта зависимость меняется в зависимости от температуры, нагрузки и возраста аккумулятора. Хорошая BMS использует сложные алгоритмы, учитывающие все это. Вот почему процент заряда батареи телефона иногда неожиданно возрастает или падает-оценка перекалибровывается.

Балансировка ячеек имеет значение в пакетах с несколькими-ячейками. Отдельные ячейки неизбежно имеют небольшие различия в емкости. Во время зарядки BMS может шунтировать ток вокруг более полных ячеек, чтобы позволить более слабым догнать их. Пассивная балансировка рассеивает энергию в виде тепла. Активная балансировка передает энергию между ячейками, более эффективно, но дороже.

Управление температурой-BMS контролирует температуру элемента и может снизить скорость зарядки/разрядки, если он станет слишком горячим. Электромобили имеют сложное управление температурным режимом с жидкостным охлаждением. Электроинструменты полагаются только на термозащиту.

Протоколы связи-Чипы BMS взаимодействуют с хост-устройствами с помощью I2C, SMBus, CAN-шины или собственных протоколов. Это позволяет устройствам отображать точную информацию об аккумуляторе и оптимизировать производительность.

Промышленные приложения интегрируют мониторинг аккумуляторов в более широкие системы. Склад может централизованно отслеживать все аккумуляторы для вилочных погрузчиков, планировать зарядку и отмечать необходимость замены аккумуляторов. Прогнозное обслуживание на основе данных BMS.

Твердотельные-аккумуляторы — это Святой Грааль. Замените жидкий электролит твердым керамическим или полимерным материалом. Теоретически безопаснее-отсутствие легковоспламеняющихся жидкостей. Возможна более высокая плотность энергии. Toyota утверждает, что к 2027–2028 году в их автомобилях появятся твердотельные-аккумуляторы. QuantumScape, Solid Power и другие, разрабатывающие технологию. Но масштабное производство остается нерешенным.

Натриевые-ионные батареи, в которых вместо лития используется соль,-более дешевое сырье, потенциально более низкая стоимость. Компания CATL анонсировала коммерческие натриево-ионные батареи в 2021 году. Плотность энергии ниже, чем у литий-ионных, но это приемлемо для стационарного хранения. Компания Northvolt строит производство ионов натрия- в Европе.

Литий-сера теоретически обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии-до 500 Втч/кг по сравнению с 250 Втч/кг у современных литий-ионных аккумуляторов. Но срок службы был ужасным, обычно он ухудшался после 50-100 циклов. Исследования продолжаются.

Литиевые-воздушные (литий-кислородные) батареи имеют еще более высокие теоретические пределы-потенциально 1000 Втч/кг. Но они по-прежнему остаются лабораторными диковинками с огромными практическими проблемами.

What Has Lithium Ion Batteries

В течение следующих 5-10 лет будут доминировать традиционные литий-ионные аккумуляторы. Постепенные улучшения продолжаются: более качественные катодные материалы, кремниевые аноды заменяют графит (повышение производительности на 20-40%), усовершенствование производственного процесса снижает затраты.

Стоимость аккумуляторов снизилась примерно на 90% с 2010 по 2023 год, примерно с $1100/кВтч до $130/кВтч для аккумуляторов для электромобилей. Эта тенденция сохраняется, и к 2030 году, возможно, она достигнет $80-100/кВтч. При таких ценах электромобили достигают паритета стоимости с автомобилями, работающими на газе, без субсидий.

Сокращение содержания кобальта является основным направлением деятельности. Добыча кобальта связана с проблемами прав человека и рисками в цепочке поставок. В современных батареях NMC используется меньше кобальта, чем в старых моделях (NMC 811 содержит 80% никеля, 10% марганца, 10% кобальта по сравнению с более ранними соотношениями 1:1:1). Батареи LFP вообще не содержат кобальта.

Кремниевые аноды сейчас коммерциализируются. Sila Nanotechnologies поставляет кремниевый анодный материал множеству производителей. Panasonic объявила о начале производства батарей с кремниевым анодом. Тесла уже использует немного кремния в своих элементах. Это увеличивает емкость на 10-20%, ничего больше не меняя в батарее.

На вопрос «что такое литий-ионные аккумуляторы» через пять лет будет еще более длинный ответ. Больше категорий товаров становится электрическими. Больше приложений, в которых литий-ионные технологии вытесняют старые технологии. Технология быстро развивалась, но все еще совершенствуется.

Понимание того, какие устройства используют литиевые батареи, имеет большее значение, поскольку мы накапливаем их больше. В большинстве домохозяйств сейчас имеется 20-50 перезаряжаемых устройств. Знание того, что у вас есть, как это обслуживать и когда заменять, позволяет этим инвестициям прослужить дольше и работать лучше.