Батарея

Батарея - це два або більше з'єднаних паралельно або послідовно електричних елементів. З'єднують элекртические елементи для того щоб отримати більшу напругу, що знімається з батареї (при послідовному з'єднанні), або більшу силу струму або ємність (при паралельному з'єднанні). Зазвичай під цим терміном мається на увазі з'єднання електрохімічних джерел електричного струму гальванічних елементів і електричних акумуляторів.

Прабатьком батареї вважають вольтів стовп, винайдений Алессандро Вольта в 1800 році, що складається з послідовно з'єднаних мідно-цинкових гальванічних елементів.

Зазвичай батарейкою зазвичай не зовсім коректно називають поодинокі гальванічні елементи (наприклад, типу АА або ААА), які зазвичай в батарейних відсіках обладнання з'єднуються в батарею для отримання необхідної напруги.

Далі давайте розберемо поняття електричного акумулятора.

Електричний акумулятор

Електричний акумулятор це хімічне джерело струму, джерело ЕРС багаторазового дії, основна специфіка якого полягає в оборотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (через заряд-розряд) для накопичення енергії і автономного електроживлення різних електротехнічних пристроїв і обладнання, а також для забезпечення резервних джерел енергії в медицині, виробництві, транспорті та в інших сферах.

Найперший акумулятор, був створений в 1803 році Йоганном Вільгельмом Ріттером. Його акумуляторна батарея являла собою стовп з п'ятдесяти мідних кружечків, між якими було прокладено вологе сукно. Після пропускання через даний пристрій струму від вольтова стовпа воно саме починало вести себе як джерело електрики.

Принцип дії акумулятора заснований на оборотності хімічної реакції. Працездатність акумулятора може бути відновлена шляхом заряду, тобто пропусканням електричного струму в напрямку, зворотному напрямку струму при розряді. Кілька акумуляторів, об'єднаних в одну електричну ланцюг, складають акумуляторну батарею. У міру вичерпання хімічної енергії напруга і струм падають, акумулятор перестає діяти. Зарядити акумулятор (батарею акумуляторів) можна від будь-якого джерела постійного струму з великою напругою при обмеженні струму.

Так як дана стаття розглядаємо літієві батареї то далі будемо писати про елементи містить літій.

Літієвий елемент

Літієвий елемент це Одиночний не перезаряджаєтьсягальванічний елемент, в якому в якості анода використовується літій або його з'єднання. Катод і електроліт літієвого елемента може мати багато видів, тому термін "літієвий елемент" об'єднує групу елементів з однаковим матеріалом анода.

Відрізняється від інших елементів живлення високою тривалістю роботи і високою вартістю. Залежно від обраного типорозміру і використовуваних хімічних матеріалів, літієвий елемент живлення може виробляти напругу 1,5 В (сумісний з лужними елементами) або 3,0 В.літієві елементи живлення широко поширені в сучасній портативної електронної техніки.

Літій-металеві елементи, це гальванічні елементи в яких в якості анода використовується металевий літій або з'єднання літію. До складу металевого літію входять також батареї з літієвого сплаву. На відміну від інших літійвмісних батарей, які мають вихідну напругу більше 3 В, у літій - металевих воно в два рази менше. Крім того, їх не можна перезаряджати. У цих батарей літієвий анод відділений від залізодисульфідного катода прошарком електроліту, цей бутерброд упаковується в герметичний корпус з мікро клапанами для вентиляції.

Дана технологія являє собою компроміс, на який розробники пішли, щоб забезпечити сумісність літієвих джерел живлення з технікою, розробленою для використання лужних батарейок, і був задуманий як конкурент лужним батарейкам. У порівнянні з ними літій-металеві важать на третину менше, мають велику ємність, а, крім того, ще й зберігаються довше. Навіть після десяти років зберігання вони зберігають майже весь свій заряд.

Літій-металеві елементи знайшли застосування в пристроях, що пред'являють високі вимоги до елементів живлення протягом тривалого терміну служби, таким як електрокардіостимулятор і інші імплантуються медичні пристрої. Такі пристрої можуть працювати автономно до 15 років.

Далі детально поговоримо, а електричних акумуляторах і розглянемо тільки літій-іонні акумулятори.

Літій-іонний акумулятор

Літій-іонний акумулятор є перезаряджається елемент живлення батарею, в якому літій присутній тільки в іонній формі в електроліті. У цю категорію також входять літій-полімерні елементи.

Літій-іонний акумулятор складається з електродів (катодного матеріалу на алюмінієвій фользі та анодного матеріалу на мідній фользі), розділених пористим сепаратором, просоченим електролітом. Пакет електродів поміщений в герметичний корпус, катоди і аноди приєднані до клем-струмознімачів. Корпус іноді оснащують запобіжним клапаном, що скидає внутрішній тиск при аварійних ситуаціях або порушеннях умов експлуатації.

Вперше принципова можливість створення літієвих акумуляторів на основі здатності дисульфід титану або дисульфід молібдену включати в себе іони літію при розряді акумулятора і екстрагувати їх при зарядці була показана в 1970 році Майклом Стенлі Віттінгемом. Істотним недоліком таких акумуляторів було низька напруга - 2,3 В і висока пожежонебезпека внаслідок утворення дендритів металевого літію, що замикають електроди. Пізніше Дж. Гуденафом були синтезовані інші матеріали для катода літієвого акумулятора-кобальтит літію LixCoO2 (1980 рік), ферофосфат літію LiFePO4 (1996 рік). Перевагою таких акумуляторів є більш висока напруга - близько 4 в.сучасний варіант літій-іонного акумулятора з анодом з графіту і катодом з кобальтиту літію винайшов в 1991 році Акіра Йосіно. Перший літій-іонний акумулятор за його патентом в 1991 році випустила корпорація Sony.

Літій-іонний акумулятор дуже широко поширений в сучасній побутовій електронній техніці і знаходить своє застосування в якості джерела енергії в електромобілях і накопичувачах енергії в енергетичних системах. Це найпопулярніший тип акумуляторів в таких пристроях як стільникові телефони, ноутбуки, цифрові фотоапарати, відеокамери і електромобілі.

Літій-іонні акумулятори відрізняються за типом використовуваного катодного матеріалу. Переносником заряду в літій-іонному акумуляторі є позитивно заряджений іон літію, який має здатність впроваджуватися (інтеркалюватися) в кристалічну решітку інших матеріалів (наприклад, в графіт, оксиди і солі металів) з утворенням хімічного зв'язку, наприклад: в графіт з утворенням LiC6, оксиди (LiMnO2) і солі (LiMnRON) металів. Літій-іонні акумулятори майже завжди застосовуються в комплекті з системою контролю і управління - СКУ або BMS (Battery Management System), - і спеціальним пристроєм заряду/розряду.

Конструкція літій-іонних акумуляторів

Конструктивно Li-ion акумулятори, виробляються в циліндричному і призматичному варіантах. У циліндричних акумуляторах згорнутий у вигляді рулону пакет електродів і сепаратора помішаний в сталевий або алюмінієвий корпус, з яким з'єднаний негативний електрод. Позитивний полюс акумулятора виведений через ізолятор на кришку. Різнойменні електроди в літієвих і літій-іонних акумуляторах поділяються сепаратором з пористого поліпропілену.

Призматичні акумулятори виробляються складанням прямокутних пластин один на одного. Призматичні акумулятори забезпечують більш щільну упаковку в акумуляторній батареї, але в них важче, ніж в циліндричних, підтримувати стискають зусилля на електроди. У деяких призматичних акумуляторах застосовується рулонна збірка пакета електродів, який скручується в еліптичну спіраль. Це дозволяє об'єднати переваги двох описаних вище модифікацій конструкції.

Деякі конструктивні заходи зазвичай вживаються і для попередження швидкого розігріву і забезпечення безпеки роботи Li-ion акумуляторів. Під кришкою акумулятора є пристрій, що реагує на позитивний температурний коефіцієнт збільшенням опору, і інше, яке розриває електричний зв'язок між катодом і позитивною клемою при підвищенні тиску газів всередині акумулятора вище допустимої межі. Для підвищення безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів в складі батареї обов'язково застосовується також і зовнішня електронна захист, мета якої не допустити можливість перезаряду і пере розряду кожного акумулятора, короткого замикання і надмірного розігріву.

Більшість Li-ion акумуляторів виготовляють в призматичних варіантах, оскільки основне призначення Li - ion акумуляторів-забезпечення роботи стільникових телефонів і ноутбуків. Як правило, конструкції призматичних акумуляторів не Уніфіковані і більшість фірм-виробників стільникових телефонів, ноутбуків і т. д.. не допускають застосування в пристроях акумуляторів сторонніх фірм. 

Конструкція Li-ion та інших літієвих акумуляторів, як і конструкція всіх первинних джерел струму ("батарейок") з літієвим анодом, відрізняється абсолютною герметичністю. Вимога абсолютної герметичності визначається як неприпустимістю витікання рідкого електроліту (негативно діє на апаратуру), так і неприпустимістю попадання в акумулятор кисню і парів води з навколишнього середовища. Кисень і пари води реагують з матеріалами електродів і електроліту і повністю виводять акумулятор з ладу.

Технологічні операції виробництва електродів та інших деталей, а також складання акумуляторів проводять в особливих сухих кімнатах або в герметичних боксах в атмосфері чистого аргону. При складанні акумуляторів застосовують складні сучасні технології зварювання, складні конструкції гермовиводів і т.д. Закладка активних мас електродів є компромісом між бажанням досягти максимуму розрядної ємності акумулятора і вимогою гарантувати безпеку його роботи, яка забезпечується при співвідношенні з-/з+ => 1,1 для попередження утворення металевого літію (і тим самим можливості загоряння). 

Клас 9, група упаковки II, тунельна Категорія E, ярлики ADR / RID 9

Правильне відвантажувальне найменування літій-іонні батареї, UN 3480

ADR застосовуються спеціальні положення 188, 230, 310, 636 та інструкції з упаковки P903, p903a та p903b.

Пошкоджені та дефектні батареї: зверніться до свого національного компетентного органу.

Якщо ваші літій-іонні акумулятори перевозяться на вантажівці для перевезення по Європі, ви повинні переконатися, що дотримуєтеся всіх вимог, викладених в керівництві ADR 2017.

Фактично це європейська угода, яка регулює транспортування літієвих батарей автомобільним / наземним транспортом (і дійсно будь-яких небезпечних вантажів).

Для перевезення літієвих батарей залізницею необхідно, щоб ви дотримувалися іншого набору конкретних правил перевезення небезпечних вантажів. Ці правила детально описані в Посібнику з перевезення небезпечних вантажів залізницею (RID).

Ці правила в поєднанні з керівними принципами ADR, що використовуються для дорожніх перевезень, насправді вимагають подібної упаковки, процесів та захисту.

Для отримання додаткової інформації відвідайтевеб-сайт ЄЕК ООН.

Клас група упаковки II ярлики IMO 9

Правильне відвантажувальне найменування літій-іонні батареї, UN 3480

Код IMDG: спеціальні положення 188, 230, 310 та інструкції з упаковки P903

EmS: F-A, S-I

Категорія зберігання A

Пошкоджені та дефектні батареї: зверніться до свого національного компетентного органу

Доставка літієвих батарей морем

Якщо ви відправляєте літієві батареї морським транспортом, вам необхідно дотримуватися міжнародного кодексу перевезення небезпечних вантажів на море (IMDG). Цей документ оновлюється раз на два роки, що означає, що поправка 38-16 видання 2018 року є чинним набором правил.

Щоб ознайомитися з правилами, викладеними в МКМПОГ, ви повинні придбати копію Кодексу в міжнародній морській організації або співпрацювати експедитором, який знайомий з цими правилами.

Клас групу упаковки II Знаки ІКАО 9

Правильне відвантажувальне найменування літій-іонні батареї, ООН 3480

IATA: спеціальні положення A88, A99, A154, A164, інструкції з упаковки P965, P966, P967, P968, P969, P970

Пошкоджені та несправні батареї / відпрацьовані батареї : Не допускається до повітряного перевезення.

Доставка літієвих батарей по повітрю

Доставка літієвих батарей по повітрю є найскладнішою з усіх форм транзиту через підвищений ризик (тобто авіаційні аварії, спричинені пожежею, можуть бути фатальними). Оскільки раніше пошкоджені батареї були визнані причиною авіакатастроф, транспортування пошкоджених або дефектних батарей суворо заборонено.

При транспортуванні літій-іонних батарей по повітрю необхідно дотримуватися правил перевезення небезпечних вантажів (DGR). Ці правила регулюються Міжнародною асоціацією повітряного транспорту (IATA) та Міжнародною організацією цивільної авіації (ICAO).

Для ознайомлення зКерівним документом IATA щодо літієвих батарей натисніть тут, щоб перейти на цей ресурс.