Как правильно выбрать li-ion аккумулятор, если ты дотошный, часть 1. Как появились литий ионные аккумуляторы
В масштабе человеческой истории, литийионные аккумуляторы были изобретены совсем недавно, а именно в 1991 году, а первыми производителями выступила компания Sony. Разработки велись в различных страных, но именно они сумели захватить первенство. Причём они сделали это так успешно, что у многих так и зафиксировалось, что именно они и производят до сих пор единственный качественный продукт (есть конечно ещё пара, но если Sony, то дайте две!). Меня заинтересовала эта тема, когда впервые появилась необходимость выбрать и заказать аккумулятор формфактора 18650, прочитав информацию на форумах, интернет статьях, стало понятно, люди перепечатывают один и тот же первоисточник. Но где же истина? Так ли нужен высокотоковый аккумулятор, как нас пугают авторы, а если и нужен, то в чём причина, так ли она важна? Разобрав все возможные электроинструменты было выявлено, что в моём доме в заводских уствройствах вроде шуруповёрта, стоят обычные аккумуляторы. В общем, вопросов становилось всё больше, поэтому начнём разбирать мат часть, а из неё уже и станет ясно где лежит истина. Первым и справедливым вопросом можно считать выбор лития (Li), чем он привлёк исследователей? Если посмотреть в таблицу менделеева, то там крайне похожими свойствами обладают например натрий (Na) или калий (К). Если кто-то заинтересуется мы попробуем разобраться в этой ПЕРСПЕКТИВНОЙ НОВОЙ Na-ion технологии, о которой так много слышно в последнее время.
Итак, исследования с использованием Li показали, что он обладает высокой удельной энергией и её плотностью. Но что самое главное, ионы данного метала обладают малым весом и размером. Конечно все ещё немного опасались его крайне высокой активностьи и взрывоопасности, но для того времени этих преимуществ было вполне достаточно, методология только разрабатывалась, а многих инструментов для анализа ещё не было, либо они обладали более низкой точностью.
Идея батареи, в которой ион металла обратимо перемещается между положительным и отрицательным электродами, впервые была высказана Армандом в конце 1970-х годов. Благодаря принципу работы её часто называли кресло-качалкой, из-за поток ионов лития назад и вперед между двумя электродами. Следующие 20 лет прошли в поисках и экспериментах по подбору электродов, непосредственно наполнителя по которому будут быстро перебегать ионы (и электролита). За это время были опробованы различные материалы, наиболее перспективными катодами одно время считались из литированного диоксида вольфрама и дисульфида титана, так как наконец получилось добиться стабильности, и способности выдерживать до 60 циклов перезарядки. Позже было обнаружено, что для материалов катодов в наибольшей степени подходят никель и кобальт, а также их смеси с Mn, Al, Fe. Данные материалы позволяли сделать продукт с большей разницей потенциалов, меньшим весом и значительно возросшей скоростью перемещения ионов лития.
Открытие подходящих материалов анода было несколько сложнее. Так как объяснения разработок сводятся к исключительно химическим тонкостям, отмечу, что основными проблемами при разработке были:
- вместе с литием происходило восстанавление растворителя,
- разрушалась углеродная структура анода,
- чувствительность к примесям в используемых материалах.
Говоря о li-ion аккумуляторах, нельзя забывать о самой начинке. Если рассматривать процесс разработки данного чуда техники в очень грубом приближении, то было две основных группы учёных, которые и добились наибольших успехов. Группа Йошино изучали различные полимерные связующие: ПММА, ПВФ и др. эластомеры (если грубо, то это резины), в то время как группа Дана использовала только ЭПДМ, который широко использовался для литий-металлических батарей. Но не так важна, для нас, химическая структура полимеров, как важна их морфология (в данном случае пористость). Материалы, используемые группой Дана, были макропористыми, в то время как Йошино использовали микропористый полимер. Именно эта тонкость и привела группу Йошино к тому, что их аккумулятор имел большую производительность и стабильность.
Ввиду того, что я являюсь ярым поклонником как физики, так и химии, надеюсь, что оставленные подробности не отпугнут вас, а заинтересуют. Если кого-то заинтересует, то с радостью поделюсь ссылками на обзорные статьи, которые были использованы для этого текста) Ну и конечно, хорошего дня!
