Що таке літій-іонні батареї?

заДжейк Моррісон, автор апаратного забезпечення|Сара Чен|Майк Паттерсон
Опубліковано:8 лютого 2025 р

Практично все, що перезаряджається сьогодні, працює від літій-іонних батарей. Ваш телефон, очевидно. Ноутбук. Ті бездротові навушники, які ви, ймовірно, зараз носите. Ця технологія отримала популярність у 1991 році, коли Sony випустила на комерціалізацію перші літій-іонні елементи для відеокамер, і відтоді вона поширюється на кожну категорію продуктів.

Люди запитують «що таке літій-іонні батареї», очікуючи простого списку, але справжня відповідь така: подивіться навколо свого будинку. Порахуйте акумуляторні пристрої. Це ваша відповідь.

Ці батареї зберігають енергію, переміщаючи іони літію туди-сюди між двома електродами-анодом до катода під час розряду, змінюючи напрямок, коли ви їх підключаєте. Хімія звучить складно, але практичний результат простий: більше потужності в меншому місці, ніж старі типи батарей могли б витримати.

What Has Lithium Ion Batteries

Три причини. Щільність енергії перевершує все інше. Літій-іонний елемент забезпечує 150-250 ват-год на кілограм. Порівняйте це з нікель-кадмієвим, можливо, 40-60 Вт-год/кг. Навіть близько.

По-друге, відсутність ефекту пам'яті. Пам’ятаєте старі бездротові телефони, де потрібно було повністю розряджати батарею, інакше вона «забувала» про повну ємність? Літій-іон цього не робить. Заряджайте його будь-коли. По-третє, низький само{3}}розряд-вони зберігають заряд, лежачи на полиці, втрачаючи, можливо, 2-3% на місяць проти 20% для NiMH батарей.

Вартість теж знизилася. Ще в 90-х ці батареї були настільки дорогими, що використовували їх лише в електроніці преміум-класу. Тепер вони досить дешеві для USB-зарядних пристроїв, які можна придбати в магазині за долар. Ну дешеводосить-все ще дорожче, ніж луги, але можливість зарядки швидко окупається.

Смартфони очолюють зграю. iPhone 15 Pro має акумулятор ємністю 3274 мАг. Samsung Galaxy S24 Ultra збільшується на 5000 мАг. У кожному телефоні від моделей із передоплатою за 50 доларів США до флагманів за 1500 доларів США використовується літій-іон-зазвичай літій-кобальт-оксид (LCO), оскільки він максимально збільшує ємність у обмеженому просторі.

Ноутбуки працюють від більших акумуляторів, як правило, 50-80 Вт-год для ультрабуків і до 100 Вт-год для робочих станцій. Насправді 100 Вт-год є законним обмеженням для перевезення акумуляторів у літаках без спеціального дозволу, тому виробники ноутбуків орієнтуються на це число. FAA встановило це правило після того, як у 2000-х літієві батареї перегоріли на літаках.

Планшети знаходяться між ними-iPad Pro має приблизно 40 Вт·год. Kindle Paperwhite? Маленька батарея ємністю 6 Вт·год, якої вистачає на тижні, оскільки електронні -чорнила відображають потужність.

Потім є всі інші речі. Бездротові миші та клавіатури (зазвичай літій-іонні елементи розміру AAA-). Колонки Bluetooth-JBL, Ultimate Ears, Bose, повністю літій-іонні. Ігрові контролери. Розумні годинники. Фітнес трекери. Бездротові камери безпеки. Відео дзвінки. Електричні зубні щітки. У серії Oral-B iO використовується літієва батарея, яка витримує два тижні між заряджаннями.

AirPods Pro мають ємність батареї 1,98 Вт-год разом між навушниками та футляром. Що звучить не так багато, доки ви не зрозумієте, що вони забезпечують активне шумозаглушення, просторову обробку аудіо та бездротове з’єднання годинами.

What Has Lithium Ion Batteries

Електромобілі повністю змінили масштаб. Tesla Model 3 Long Range оснащено акумулятором ємністю 75 кВт-год-це 75 000 Вт-годин або приблизно 1500 акумуляторів смартфона. Лише одна батарея важить близько 1000 фунтів.

Більшість електромобілів використовують хімію нікель-марганець-кобальт (NMC) або літій-залізо-фосфат (LFP), а не кобальтові-елементи телефонів. NMC забезпечує хорошу щільність енергії з кращою термічною стабільністю. LFP безпечніший і служить довше-BYD і Tesla зараз використовують LFP для стандартних моделей. Компроміс- полягає в нижчій щільності енергії, тому вам потрібно більше клітин для того самого діапазону.

Ford F-150 Lightning має до 131 кВт/год. Rivian R1T досягає 135 кВт/год у конфігурації Max Pack. Lucid Air Dream Range заявляє про потужність 112 кВт/год і має запас ходу понад 500 миль EPA, оскільки їхні двигуни й електроніка неймовірно ефективні.

Електричні велосипеди процвітають. Rad Power Bikes зазвичай використовує акумулятори 48 В 14 А·год (672 Вт·год). Електро-велосипеди-вищого класу від Specialized або Trek працюють від акумуляторів на 500-700 Вт·год. Е-скутери менші — Xiaomi M365 використовує 280 Вт·год, орендовані скутери Bird і Lime мають подібну потужність.

Електромотоцикли все ще нішеві, але розвиваються. Zero Motorcycles SR/F має акумулятор ємністю 14,4 кВт/год. Energica Ego+ забезпечує 21,5 кВт/год. Ще недостатньо для довгих поїздок по шосе, але встигнути.

Човни теж йдуть. Електричний човен X Shore Eelex 8000 працює від акумулятора ємністю 125 кВт/год. Човен на підводних крилах Candela C-8 споживає 44 кВт/год і «літає» над водою, щоб зменшити опір. Електричний човен для вейкборду Arc Sport коштував 300 000 доларів США востаннє, коли я перевіряв.

Ця трансформація відбулася швидко. Двадцять років тому серйозні підрядники сміялися над акумуляторними інструментами. Сьогодні? Milwaukee, DeWalt, Makita, Bosch-усі вони перейшли на літій.

Система DeWalt FlexVolt працює від 20 або 60 В залежно від інструменту. Платформа M18 від Milwaukee містить понад 200 інструментів, які використовують одну й ту саму акумуляторну систему. Їх потужні батареї мають ємність 12 А·год-досить, щоб циркулярна пилка могла виконати десятки розрізів.

Далі йшло зовнішнє енергетичне обладнання. Ego Power Plus виробляє акумуляторну газонокосарку з акумулятором 56 В 7,5 А·год (420 Вт·год). Їхні тримери, листоочисники, навіть снігоочисники працюють на одній акумуляторній платформі. Ryobi має систему 40V. Greenworks пропонує варіанти 60 В і 80 В для більшого обладнання.

Роботи-пилососи та газонокосарки працюють від менших акумуляторів, оскільки вони заряджаються автоматично. Roomba j7+ має близько 60 Вт·год. Husqvarna Automower використовує літій-іонну напругу 18 В, потужність залежить від моделі.

Професійне обладнання продовжує рости. Milwaukee виробляє рюкзаковий акумулятор ємністю 300 Вт·год для роботи кількох інструментів на робочих майданчиках. Stihl пропонує достатньо потужні акумуляторні ланцюгові пилки для комерційних робіт з деревом.

Портативні кисневі концентратори надзвичайно важливі для людей із захворюваннями дихальної системи. Inogen One G5 використовує літій-іонний акумулятор, що забезпечує 3-6 годин роботи залежно від налаштувань потоку. Phillips Respironics Simply Go Mini розрахований на 4,5 години.

Апарати CPAP для лікування апное уві сні все частіше пропонують варіанти з батарейками. ResMed AirMini Travel CPAP може працювати від зовнішніх літієвих батарей. Корисно під час кемпінгу або відключень електроенергії.

Нещодавно слухові апарати перейшли на літієві акумулятори. Phonak Audeo Paradise заряджається протягом ночі та працює 16+ год. Аналогічна продуктивність Starkey Evolv AI. Набагато краще, ніж кожні кілька днів возитися з цими крихітними цинковими-елементами.

Медичне обладнання для моніторингу-вимірювачі артеріального тиску, глюкози, портативні пристрої ЕКГ-багато з них зараз перезаряджаються. AliveCor KardiaMobile записує ЕКГ на телефон, працює на невеликій літієвій комірці, яка триває місяці.

Інфузійні насоси, хірургічні інструменти, діагностичне обладнання, що використовується в лікарнях-багато резервних літій-іонних батарей або портативних джерел живлення. У хірургічних електроінструментах Stryker System 8 використовуються стерильно запечатані літій-іонні батареї для використання в операційній.

Імплантовані пристрої – це зовсім інша категорія. У деяких нових кардіостимуляторах використовуються літій-іонні акумулятори, які заряджаються через шкіру (через шкіру) за допомогою індукції. У Medtronic є моделі, у яких батарея заряджається без проводів один раз на тиждень замість необхідності хірургічної заміни кожні 7-10 років.

What Has Lithium Ion Batteries

Tesla Powerwall 2 зберігає 13,5 кВт/год, встановлена вартість близько 11 000 доларів. Powerwall 3 нещодавно вийшов із кращою інтеграцією. Generac PWRcell пропонує модульні системи 9-18 кВт/год. LG Chem RESU становить від 10 до 16 кВт/год залежно від конфігурації.

Ці домашні батареї в поєднанні з сонячними панелями-зберігають надлишкову генерацію вдень, використовуйте її вночі. Також забезпечте резервне копіювання під час збоїв, якщо це правильно налаштовано. Не всі системи працюють під час відключення світла; залежить від налаштування інвертора.

У Каліфорнії обов’язково вводять сонячну енергію в нові будинки, тому впровадження батарей там прискорюється. На Гаваях високі витрати на електроенергію та багато сонця, завдяки чому економіка сонячної енергії та накопичення працює добре. У 2021 році в Техасі стався збій електромережі, що підштовхнуло інтерес до домашніх акумуляторів.

Комерційні установки набагато більші. У продуктовому магазині можна встановити 50-100 кВт/год акумуляторів для керування зарядом. Центри обробки даних використовують акумуляторні кімнати потужністю мегават для резервного живлення, заміни або доповнення до дизель-генераторів.

Масштаб корисності дикий. Об’єкт зберігання енергії Moss Landing у Каліфорнії має потужність 3000 МВт-год-це 3 мільйони кіловат-годин, тобто достатньо для забезпечення електроенергією приблизно 225 000 будинків протягом кількох годин. У ньому використовуються блоки Tesla Megapack, кожен з яких містить акумулятор-розміром транспортного контейнера ємністю 3 МВт·год.

Австралійський Hornsdale Power Reserve був одним із перших великих мережевих акумуляторів, побудованих Tesla у 2017 році на 150 МВт-год. Відтоді його було розширено. Ці системи стабілізують частоту мережі, зберігають відновлювану енергію, зменшують потребу в пікових установках природного газу.

Системи ДБЖ (джерела безперебійного живлення) традиційно використовують свинцево-кислотні батареї. Важкий, потребував заміни кожні 3-5 років, містив токсичні матеріали. Літій-іонні ДБЖ від APC, Eaton, Vertiv служать довше, займають менше місця, менше важать. Центри обробки даних особливо люблять це: зменшення ваги означає менше навантаження на конструкції будівель.

На цьому ринку домінують дрони та квадрокоптери-DJI. Їх дрони працюють від літій-полімерних (LiPo) акумуляторів, які технічно є літій-іонним варіантом з полімерним електролітом. DJI Mini 3 Pro використовує акумулятор ємністю 2453 мАг для приблизно 34 хвилин польоту. Більші дрони, такі як Inspire 2, оснащені подвійними акумуляторами загальною ємністю 98 Вт·год.

Професійні дрони для зйомок, перевірок, доставки-всі вони працюють від літієвих батарей. Безпілотні літійно-іонні літієві дрони для доставки медичного обладнання в Африці. Їх використовують прототипи дронів доставки Amazon.

Розширення аерокосмічних застосувань. Наближаються електричні літаки. Pipistrel Velis Electro має літієві батареї-перший повністю електричний літак, сертифікований для навчання польотам у Європі. Beta Technologies і Joby Aviation розробляють електричні повітряні таксі, які працюють від великих літієвих батарей.

Супутники та космічні кораблі використовують спеціальні літій-іонні батареї, створені для виживання вакууму, радіації та екстремальних температур. Міжнародна космічна станція має літій-іонні батареї, які замінюють старі нікелеві-водневі елементи. Кожен модуль батареї важить 400+ фунтів.

Військова техніка-окуляри нічного бачення, тактичні радіостанції, GPS-пристрої, тепер усі працюють на літієвих батареях. Краща щільність енергії має значення, коли солдати носять спорядження днями. Радіостанція AN/PRC-163 використовує акумуляторні літій-іонні батареї.

Камери та фотообладнання-Бездзеркальні камери від Sony, Canon, Nikon повністю літій-іонні. Sony A7 IV використовує батареї NP-FZ100 по 16,4 Вт·год кожна. Професійне освітлення-Світлодіодні ліхтарі Aputure 300d працюють від літієвих батарей V{9}}mount (стандартний розмір 98 Вт·год). Бездротові мікрофони, відеомонітори, все портативне у виробництві фільмів/фото.

What Has Lithium Ion Batteries

Новіші продукти-з акумуляторним живленням часто мають підключення Bluetooth або Wi-Fi. Ви можете перевірити стан акумулятора на телефоні. Електроінструменти Ego показують рівень заряду в додатку. Інструменти Ryobi також. Tesla дозволяє дистанційно контролювати акумулятор і зарядку вашого автомобіля.

Системи розумного керування акумулятором (BMS) виконують багато роботи. Вони врівноважують напругу клітин-у багато-пакеті елементів, окремі клітини з часом віддаляються, BMS вирівнює їх. Вони відстежують температуру, запобігають перезаряду та перерозряду, повідомляють пристрій про стан.

Деякі підключені функції здаються химерними, але віддалений моніторинг дорогого обладнання має сенс. Будівельні бригади можуть відстежувати, які батареї потребують зарядки. Власники домашніх накопичувачів енергії можуть стежити за виробництвом сонячної енергії та станом акумулятора під час подорожі.

Проте проблеми з безпекою існують. Прошивка батареї іноді потребує оновлення. Якщо цей шлях зв’язку не захищено належним чином, це потенційна вразливість. Мало хто зламує акумулятори, але теоретично це можливо.

Люди постійно стикаються з літієвими акумуляторами, не замислюючись про це. Електрична зубна щітка у ванній. Акумуляторний пилосос (Dyson V15 має 70 Вт*год). Ліхтарик акумуляторний. Powerbank у вашій сумці-Anker виготовляє моделі від 10 000 мА·год (37 Вт·год) до 25 000 мА·год (90 Вт·год).

Дитячі іграшки все частіше перезаряджаються. Машинки з дистанційним керуванням, світлові-іграшки, електронні навчальні пристрої. Перевершує постійну покупку лужних батарей.

Розумні домашні пристрої-Відеодзвінок Ring має знімний літієвий акумулятор. Камери безпеки Arlo використовують акумуляторні батареї, які працюють місяцями. Термостати Google Nest мають резервні літієві батареї. Розумні замки серпня працюють на літієвих АА.

Святкові вогники також будуть заряджатися. Струнні ліхтарі з вбудованими-батареями та сонячними панелями. Акумуляторні світлодіодні свічки. Декоративні елементи.

Випадки професійного використання дуже різноманітні. Будівельники весь день міняють батареї Milwaukee або DeWalt. Складські вилкові навантажувачі заряджають літій-іонні батареї під час перерв-15-хвилинна можливість заряджання перевищує години очікування зарядки свинцево-кислотних акумуляторів.

Впровадження сільськогосподарської техніки повільніше, але відбувається. John Deere тестує електротрактори. Автономні сільськогосподарські роботи найчастіше електричні. Системи поливу з акумуляторним живленням.

Індустрія очищення прийняла літій. Підлогомийні машини, витяжки для килимів, комерційні мийки високого тиску-компанії, такі як Tennant і Karcher, пропонують літієві варіанти. Швидше заряджання, менша вага, відсутність потреби в обслуговуванні акумулятора, як у старих свинцево-кислотних системах.

Акумулятори погіршуються. Хімія не триває вічно. Типовий літій-іонний акумулятор зберігає 80% ємності після 500-1000 циклів заряджання, залежно від хімічного складу та способів використання. Tesla гарантує свої батареї для електромобілів на 70% збереження протягом 8 років/100 000-150 000 миль залежно від моделі.

Температура вбиває батареї швидше за все. Особливо погана спека-зберігання або використання батарей вище 30 градусів (86 градусів F) регулярно прискорює деградацію. Холод зменшує тимчасову здатність, але не завдає постійної шкоди, як це робить тепло. Ось чому батареї Phoenix EV розходяться швидше, ніж батареї Seattle.

Старіння календаря теж реально. Батареї погіршуються, навіть якщо вони не використовуються. Зберігайте їх на 40-50% заряду при низькій температурі для максимального терміну зберігання. У найгіршому випадку тримати акумулятор на 100% заряді та 40 градусах протягом тривалого часу.

Інциденти, пов’язані з безпекою, трапляються рідко, але коли вони відбуваються, це стає новиною. Виробничі дефекти спричинили пожежі Samsung Galaxy Note 7 у 2016 році – вони відкликали 2,5 мільйона телефонів. У 2015-2016 роках ховерборди так часто горіли, що авіакомпанії їх заборонили. Зазвичай це пов’язано з проблемами виробничого контролю якості, фізичними пошкодженнями або заряджанням за допомогою невідповідних зарядних пристроїв.

Теплова втеча-, коли клітина перегрівається, і тепло запускає подальші реакції, які генерують більше тепла-, є основним способом відмови. Правильно сконструйовані батареї мають багато функцій безпеки: ланцюги обмеження струму, термічні запобіжники, вентиляційні отвори для скидання тиску, шари відключення сепаратора. Дешеві батареї пропускають цей захист.

Сумісність розчаровує користувачів. Кожна марка інструментів використовує різні типи акумуляторів. Акумулятори DeWalt не підходять до інструментів Milwaukee. Ryobi протягом багатьох років розумно зберігає сумісність своєї платформи One+-інструменти з 2005 року працюють з акумуляторами з 2025 року. Але більшість виробників хочуть, щоб цей постачальник був-закріплений.

Інфраструктура переробки все ще розвивається. Li-Cycle, Redwood Materials та інші будують спеціальні заводи з переробки літієвих батарей. Вони можуть відновити понад 95% матеріалів акумулятора. Але логістика збирання залишається складною-люди викидають батареї у смітник, створюючи проблеми зі звалищами.

BMS має вирішальне значення, але невидиме. У ноутбуці він відстежує кожну групу клітинок, оцінює час роботи, що залишився, контролює швидкість заряджання, повідомляє операційну систему про стан батареї. Більш складно, ніж здається.

Оцінка--стану заряду напрочуд складна. Напруга батареї корелює з рівнем заряду, але залежність змінюється залежно від температури, навантаження та віку батареї. Хороша BMS використовує складні алгоритми, які все це враховують. Ось чому відсоток заряду акумулятора телефону іноді несподівано стрибає або падає-оцінка перекалібрується.

Баланс клітин має велике значення в багатокомпонентних пакетах-. Окремі клітини неминуче мають невеликі відмінності в ємності. Під час заряджання BMS може шунтувати струм навколо повніших елементів, щоб дозволити слабшим наздогнати. Пасивне балансування розсіює енергію у вигляді тепла. Активне балансування передає енергію між клітинами, ефективніше, але дорожче.

Керування температурою-BMS відстежує температуру клітини та може зменшити швидкість заряджання/розряджання, якщо стає надто жарко. Електромобілі мають складне управління температурою з рідинним охолодженням. Електроінструменти покладаються лише на теплові відсікачі.

Протоколи зв’язку-Чіпи BMS спілкуються з хост-пристроями за допомогою I2C, SMBus, шини CAN або власних протоколів. Це дозволяє пристроям відображати точну інформацію про акумулятор і оптимізувати роботу.

Промислові програми інтегрують моніторинг батареї в більш широкі системи. Склад може централізовано відстежувати всі батареї навантажувачів, планувати зарядку та позначати батареї, які потребують заміни. Прогнозне обслуговування на основі даних BMS.

Твердотільні-батареї – це святий Грааль. Замініть рідкий електроліт твердим керамічним або полімерним матеріалом. Теоретично безпечніше-без горючої рідини. Можлива більш висока щільність енергії. Toyota стверджує, що до 2027-2028 років вони матимуть твердотільні-батареї в автомобілях. QuantumScape, Solid Power та інші, які розробляють цю технологію. Але масштабне виробництво залишається невирішеним.

Натрій{0}}іонні батареї використовують сіль замість літієвої-дешевшої сировини, потенційно меншої вартості. У 2021 році CATL анонсувала комерційні натрій-іонні батареї. Щільність енергії нижча, ніж літій-іонні, але це прийнятно для стаціонарного зберігання. Northvolt будує виробництво-іонів натрію в Європі.

Літієва -сірка теоретично забезпечує набагато вищу щільність енергії-до 500 Вт·год/кг порівняно з 250 Вт·год/кг для нинішніх іонів літію. Але життєвий цикл був жахливим, зазвичай погіршувався після 50-100 циклів. Дослідження тривають.

Літій-повітряні (літій-кисневі) батареї мають ще вищі теоретичні межі-потенційно 1000 Вт·год/кг. Але це все ще лабораторні дивини з величезними практичними проблемами.

What Has Lithium Ion Batteries

Протягом наступних 5-10 років звичайний літій-іон буде домінувати. Поступові вдосконалення продовжують надходити — кращі катодні матеріали, кремнієві аноди замінюють графіт (збільшення потужності на 20-40%), удосконалення виробничого процесу знижує витрати.

Вартість акумуляторів впала приблизно на 90% з 2010 по 2023 рік, приблизно з 1100 доларів США/кВт-год до 130 доларів США/кВт-год для акумуляторів електромобілів. Ця тенденція продовжується, можливо, досягнувши 80-100 доларів США/кВт-год до 2030 року. За таких цін електромобілі досягають паритету вартості з автомобілями на газу без субсидій.

Основна увага приділяється зниженню кобальту. Видобуток кобальту викликає проблеми з правами людини та ризики для ланцюга поставок. Сучасні батареї NMC використовують менше кобальту, ніж старіші склади (NMC 811 містить 80% нікелю, 10% марганцю, 10% кобальту порівняно з попередніми співвідношеннями 1:1:1). Акумулятори LFP взагалі не містять кобальту.

Кремнієві аноди зараз комерціалізуються. Sila Nanotechnologies постачає кремнієві анодні матеріали багатьом виробникам. Panasonic анонсувала виробництво акумуляторів з кремнієвим анодом. Tesla вже використовує кремній у своїх елементах. Це збільшує ємність на 10-20%, не змінюючи нічого іншого в акумуляторі.

На запитання «що таке літій-іонні батареї» через п’ять років буде ще більша відповідь. Більше категорій продуктів, які переходять на електричні пристрої. Більше застосувань, у яких літій-іонні витісняють старі технології. Технологія швидко розвивалася, але все ще вдосконалюється.

Розуміння того, які пристрої використовують літієві батареї, має більше значення, оскільки ми накопичуємо їх більше. У більшості домогосподарств зараз є 20-50 акумуляторних пристроїв. Знаючи, що у вас є, як це підтримувати та коли це замінити, ці інвестиції триватимуть довше та будуть ефективнішими.