История появления литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в бытовой электронной технике, в электромобилях, поломоечных машинах и других механизмах. Технология их производства постоянно совершенствуется, улучшаются технические характеристики, уменьшается стоимость изготовления. Это день сегодняшний, а когда появились первые литиевые аккумуляторы?
В 1970 году британец Майкл Стэнли Уиттингем разработал первый заряжаемый аккумулятор, анод которого был из сульфида титана, а катод из лития. Но у этого изобретения были существенные недостатки ‒ это низкое напряжение: 2, 3 В, дорогая цена титана и высокая пожароопасность.
В 1980 году американский ученый Джон Гуденаф предложил использовать кобальтат лития как материал для катода в батареях. Он продемонстрировал, что оксид кобальта с ионами лития производит напряжение до 4 В. Это открытие привело к появлению более мощных батарей. Но серьезная проблема возгорания материала, используемого в качестве отрицательного электрода, еще оставалась.
Проблему решил японский ученый-химик Акира Ёсино. В 1991 году он изобрел аккумулятор с анодом из графита и катодом из кобальтата лития. Аккумулятор на практике стал работоспособным и более безопасным. В этом же году корпорация “Sony” выпустила по патенту Акира Ёсино первый литий-ионный аккумулятор.
В 2019 году Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Ёсино стали лауреатами Нобелевской премии за разработку литий-ионных аккумуляторов, которые используются во всех электронных устройствах от смартфонов до автомобилей.
Откуда берется литий для аккумуляторов и почему он дорожает
Литий – очень важный металл, востребованный в разных отраслях. Он массово используется при изготовлении Li-ion аккумуляторов, в металлургии, производстве стекла, керамики, полимеров и смазочных материалов, медицине, атомной технике, ядерной энергетике. Большинство добываемого на нашей планете лития сейчас идет на создание литий-ионных и литий-полимерных батарей.
Масштабы использования лития стремительно растут. В первую очередь, это связано с увеличением объемов производства электромобилей и других видов персонального электротранспорта. Так, в 2020 году мировые продажи электрокаров на Li-ion батареях составили более чем 3,24 млн. единиц.
Где добывают литий для аккумуляторов?
91% всего добываемого лития сосредоточено в 3 странах:
- 44% поставляет Австралия;
- 34% добывает Чили;
- 13% поставляет Аргентина.
Есть литиевые месторождения и в других странах: Боливии, США, Китае. В частности, компания Tesla получила лицензию на добычу лития в американском штате Невада. Запасы этого металла на всей планете оцениваются в 17 млн. тонн, из них около 900 тыс. тонн сосредоточены в России.
Способы добычи лития
Этот активный металл добывают из соляных озер и природных минералов. На вопрос, откуда берется литий для АКБ, есть 2 ответа:
- Добыча из пегматитовых минералов. Раньше этот способ был главным, в т. ч. в Австралии его применяют для получения лития из сподумена. Именно залежи пегматитовых минералов включены в перечни разведанных литиевых месторождений.
- Добыча из глин солончаков по технологии выпаривания соленых растворов. Это новая технология, преимущественно используемая в Америке. Солончаки «обогащают » по методу испарения под действием солнечной энергии, создавая большие искусственные озера. Когда гидроксид лития достигает необходимой концентрации, его осаждают с добавлением карбоната натрия и гидроксида кальция. Данная технология недорогая, но процесс добычи длится 1,5–2 года. Солончаковые глины богаты литием, что делает данный метод особо привлекательным. Но есть у него и минус – примеси железа или магния, от которого непросто избавиться, и вред для окружающей среды.
Солончаки не включены в перечни разведанных литиевых месторождений, т.к. эта технология ранее не применялась. Но благодаря ей возможности добычи лития значительно возросли. Например, богата его залежами боливийская пустыня Салар-де-Уюни. Под верхней коркой земной поверхности здесь скрывается жидкий литиевый рассол, содержащий 0,3% этого металла.
Альтернативные методы
В лабораторных условиях литий получают и иначе, например, выделяют из рассолов с применением металлорганических каркасных мембран. Они работают по принципу фильтрации и позволяют дополнительно получать пресную воду. Но из-за больших затрат этот метод остается сугубо лабораторным.
Самый экологичный выбор лития для аккумуляторов – это переработка старых АКБ, отработавших свой ресурс. В процессе переработки можно заново получать материалы для изготовления батарей, без исчерпания природных ресурсов Земли. И хотя масштабы повторного использования материалов пока незначительны, в эру осознанного потребления этот метод должен стать доминирующим.
Ближайшие перспективы и прогнозы
Несмотря на ожидаемый рост производства АКБ литиевого типа, по предварительным расчетам, литиевых запасов на ближайшие несколько лет достаточно. Если же рассматривать перспективы на несколько десятилетий, то здесь не все однозначно. Есть надежда, что производителям удастся снизить содержание лития в батареях, а также будут открыты новые возможности добычи этого металла.
Не исключено, что со временем появятся принципиально новые технологии – так же, как Li-ion батареи пришли на смену свинцовым и никель-кадмиевым. Например, при добыче лития в качестве побочного продукта производят большие объемы калия. Из него делают удобрения, но ученые все чаще выдвигают идеи о создании калиевых аккумуляторов.
Если же подобные надежды не оправдаются, дефицит лития приведет к его стремительному удорожанию. В любом случае, ресурсы планеты нужно использовать рационально, поэтому сегодня усилия многих ученых направлены на усовершенствование технологий переработки старых АКБ. Что касается разработки новых месторождений, такие шаги неизбежно приводят к экологическим проблемам и появлению на планете новых мест, непригодных для жизни.
Цены на литий
В 2018–2019 гг. наблюдалось рекордное снижение цен на литий, связанное с избыточными объемами его производства. В эти годы рост добычи на новых рудниках превысил мировой спрос, что и привело к избытку лития на рынке и временному падению цен. Тем не менее, стоимость литиевых акций даже в этот период росла.
С ноября 2020 года после 3-летнего спада начался рост и в котировках самого лития. Цены выросли на фоне растущих продаж электромобилей и значительных инвестиций в электромобильный сектор таких мировых автопроизводителей, как GM, Ford, Volkswagen, Porsche, BMW и Harley-Davidson.
Очевидно, снижения цен в ближайшее время не будет. Наоборот, ограниченное предложение и стремительно растущий спрос на литий скорее всего приведет к дальнейшему удорожанию и сырья, и литиевых батарей, и акций их производителей. По предварительным прогнозам, в ближайшие годы автопроизводители по примеру Tesla будут подписывать многолетние соглашения о поставках и создавать совместные компании для финансирования литиевых рудников.
# Литий-ионный аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор — тип электрического аккумулятора, который широко распространен в современной бытовой электронной технике, главным образом в таких устройствах, как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Этот аккумулятор также используется в электромобилях. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году. Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодный материал на алюминиевой фольге и анодный материал на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Основными преимуществами литий-ионных аккумуляторов перед другими аккумуляторами являются высокая энергетическая емкость, низкий саморазряд (уменьшение емкости) и большое количество циклов заряда-разряда. К главным недостаткам аккумуляторов первого поколения относилось то, что они подвержены взрывному эффекту. Впоследствии эту проблему удалось устранить при помощи замены материала анода на графит. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. Проблемой, до сих пор не решенной до конца, является старение аккумуляторов и их деградация при неправильном использовании. Литий-ионные аккумуляторы теряют эффективность или даже полностью выходят из строя при полном разряде батареи. Чувствительны они также и к температурному режиму. Самый благоприятный режим для них — 0-10°C и не менее 40% оставшегося заряда. Как правило, через два года батарея теряет не менее 20% емкости, даже если она не используется. Изображение: Wikimedia Commons
На основе полимеров создали катоды для батарей
29 декабря 2020, 17:37
«Камаз» представил свой первый электромобиль
10 декабря 2020, 19:29
Химики смоделировали высокоэффективную ячейку литий-ионной батареи
08 декабря 2020, 18:36
Гидробораты помогут сделать батареи для электромобилей безопаснее
13 октября 2020, 19:08
Для литий-ионных аккумуляторов создали эффективный и безопасный анод
02 сентября 2020, 18:00
Раскрыт механизм работы анода натрий-ионных аккумуляторов
27 июля 2020, 10:10
Использованные литий-ионные аккумуляторы помогли получить биодизель
22 июля 2020, 13:43
Замена лития натриевым «сэндвичем» в аккумуляторах поможет их удешевить
20 июля 2020, 09:51
Раковины креветок использовали для производства электродов
02 июля 2020, 16:06
Ученые увеличили плотность хранения лития в аккумуляторах
22 июня 2020, 13:23
Прочность твердого электролита для батарей удвоили
19 июня 2020, 13:43
Для миниатюрных аккумуляторов разработали тонкопленочный электрод
08 июня 2020, 20:10
- Новости
- События
- Фото дня
- Цифровая энциклопедия
- Дискуссионный клуб
- Открытия российских ученых
Indicator, 2024 г. 18+
Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Все права защищены. Полное или частичное копирование материалов Сайта в коммерческих целях разрешено только с письменного разрешения владельца Сайта. В случае обнаружения нарушений, виновные лица могут быть привлечены к ответственности в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации.
Литий-ионная аккумуляторная батарея: интересные факты, о которых знают не все
26.09.2023
Литий-ионная аккумуляторная батарея: интересные факты, о которых знают не все
Литий-ионная аккумуляторная батарея: интересные факты, о которых знают не все.
Мы уже давно привыкли, что купить батарейки и li-ion аккумуляторные батареи можно почти в любом бытовом магазине. Мобильные источники питания настолько удобны в применении, что буквально заполонили рынок. При этом многие пользователи даже не догадываются, что литий-ионные аккумуляторные батарейки бывают разными: не только по сфере применения и уровню мощности, но и по составу рабочих компонентов. Разберем подробнее в данной статье.
Такие разные литий-ионные аккумуляторные батареи:
· Li-ion аккумуляторные батареи с основой из кобальта чаще всего задействуются в процессе производства ноутбуков и смартфонов. Причем, если модель будущего гаджета должна иметь больший запас времени работы до следующей зарядки, то в ее аккумуляторных батареях помимо кобальта также будет добавляться кремниевый анод. Эти аккумуляторные батареи компактнее своих собратьев и при этом мощнее.
· Модели литий-ионных аккумуляторов с никелем в составе зачастую можно встретить внутри оборудования для ремонта и в электроинструментах. Такие аккумуляторные батареи отличаются улучшенными показателями тока разряда, что актуально в отрасли электрических инструментов.
· Батареи с содержанием железо-фосфата применяются в электросамокатах, гироскутерах и электромобилях.
· Долговечный и самый устойчивый к тяжелым температурным воздействиям литий-титанатный анод используется в литий-ионных аккумуляторных батареях, которые эксплуатируются в сложных условиях, в особенности в морозные зимы.
Как можно понять из вышесказанного списка, литий-ионные аккумуляторы отличаются солидным разнообразием. Иными словами, данная категория включает в себя множество аккумуляторных батарей литий-ионного вида, в том числе с абсолютно разными основами катода, анода и сырьем электролита.
Почему производители не используют в li-ion аккумуляторах везде одни и те же составляющие, ведь это проще с точки зрения массовости изготовления? Дело в том, что для каждой определенной цели, отрасли и даже типа устройства необходимо свое собственное сочетание химического состава электролита, катода и анода. В одном случае это может быть лучший показатель емкости. В другом — усовершенствованная безопасность. В иных условиях необходимо более хорошее противостояние сильной жаре или холоду. А иногда можно пожертвовать количеством циклов зарядки-разрядки аккумулятора в угоду мощности. Например, в смартфонах обычно хватает нормальной работы батареи на 2-3 года, поскольку к этому сроку сам гаджет уже морально устаревает, и его попросту меняют на телефон со свежей батареей. И так во всем: li-ion аккумуляторные батареи каждый раз подбираются под конкретный вид оборудования и прочих условий. А благодаря возможности «собрать» литий-ионные батарейки из разных составляющих, сделать это можно довольно легко и главное эффективно
