Из чего состоит литий-ионный аккумулятор внутри

Литий-ионный аккумулятор кажется простой вещью: небольшая батарея в смартфоне, ноутбуке, беспроводных наушниках или роутере хранит заряд, а затем постепенно отдаёт его электронике. Но внутри это не "банка с электричеством", а сложная химико-механическая система.

В ней одновременно работают несколько материалов, каждый отвечает за свою задачу: накопление ионов, перенос электронов, разделение электродов, отвод тепла и защита от аварийных режимов.

Для пользователя интернета устройство аккумулятора особенно важно. От его конструкции зависят автономность смартфона, время работы модема при отключении электричества, стабильность пауэрбанка, скорость зарядки ноутбука и срок службы резервного источника питания для серверного оборудования.

Разберём аккумулятор буквально по слоям - от внешнего корпуса до движения частиц внутри.

Что происходит внутри аккумулятора во время работы

Основной принцип литий-ионного элемента основан на обратимом перемещении ионов лития между двумя электродами. Один электрод называют анодом, другой - катодом. В полностью заряженном состоянии ионы лития находятся преимущественно в структуре анода.

Когда устройство работает, ионы перемещаются через электролит к катоду, а электроны идут по внешней электрической цепи через контролируемую нагрузку.

Важно не путать эти два потока. Ионы проходят внутри аккумулятора, через электролит и поры сепаратора. Электроны через сепаратор пройти не должны: они движутся по проводнику, питающему телефон, ноутбук или сетевое оборудование.

Именно разделение путей позволяет получить полезный электрический ток.

• Ионы лития переносят заряд внутри ячейки.
• Электроны движутся по внешней цепи и выполняют работу.
• Электроды принимают и отдают ионы.
• Электролит обеспечивает ионную проводимость.
• Сепаратор не даёт электродам соприкоснуться напрямую.

Во время зарядки процесс разворачивается в обратную сторону. Зарядное устройство создаёт напряжение, электроны направляются к аноду, а ионы лития возвращаются в его кристаллическую структуру.

Теоретически цикл можно повторять сотни или тысячи раз, но на практике материалы постепенно стареют: растёт сопротивление, уменьшается доступная ёмкость, а аккумулятор начинает быстрее нагреваться.

Напряжение литий-ионной ячейки зависит от химии электродов. У классических элементов номинальное напряжение часто составляет около 3,6–3,7 вольта, а максимальное напряжение при полной зарядке может достигать 4,2 вольта.

Для питания ноутбука, роутера или электровелосипеда отдельные ячейки соединяют последовательно и параллельно.

Анод. Отрицательный электрод аккумулятора

В большинстве современных литий-ионных аккумуляторов анод делают на основе графита.

Графит состоит из слоёв атомов углерода, между которыми могут размещаться ионы лития. Такая структура удобна: она позволяет принимать и отдавать литий многократно, не разрушаясь сразу после нескольких циклов.

Сам графит обычно не наносят на металлическую фольгу в чистом виде. В состав анодной массы входят графитовый активный материал, связующее вещество и токопроводящая добавка.

Получившуюся смесь распределяют по медной фольге, высушивают, уплотняют валами и нарезают на электроды нужного размера.

• Графит запасает ионы лития.
• Медная фольга собирает электроны и отводит их к контакту.
• Связующее удерживает частицы активного вещества вместе.
• Проводящая добавка улучшает прохождение электронов внутри слоя.

Анодный слой имеет пористую структуру. Это не случайный дефект, а заранее рассчитанная особенность. Электролит должен проникать внутрь покрытия, чтобы ионы лития могли достигать частиц графита.

Если слой слишком плотный, аккумулятор получит хорошую объёмную ёмкость, но потеряет способность быстро заряжаться и отдавать ток.

В некоторых аккумуляторах к графиту добавляют кремний. Кремний способен связывать значительно больше лития, чем графит, поэтому кремниевые добавки помогают увеличить ёмкость. Проблема в том, что при насыщении литием кремний сильно расширяется, а затем сжимается.

Повторяющиеся изменения объёма повреждают электрод и ускоряют старение.

При неправильной зарядке, сильном охлаждении или слишком большом токе на поверхности анода может осаждаться металлический литий. Это явление называют литиевым покрытием.

Оно опасно тем, что снижает ёмкость, повышает сопротивление и иногда способствует образованию игольчатых структур, способных повредить сепаратор.

Катод! Положительный электрод и источник химического потенциала

Катод определяет значительную часть напряжения, ёмкости, стоимости и поведения аккумулятора. В отличие от анода, его обычно наносят не на медную, а на алюминиевую фольгу.

Активный материал катода содержит соединения лития и переходных металлов, например никеля, марганца, кобальта, железа или фосфата.

Наиболее известны несколько типов катодной химии. Оксид лития-кобальта применялся и продолжает применяться в компактной электронике, где важны высокая удельная ёмкость и небольшой вес.

Никель-марганец-кобальтовые составы используют в смартфонах, ноутбуках, электроинструментах и электромобилях.

Литий-железо-фосфат отличается хорошей термической стабильностью и большим ресурсом, хотя обычно уступает некоторым никельсодержащим химиям по удельной энергии.

Катодный материал также смешивают со связующим и проводящей добавкой. Затем массу наносят на алюминиевую фольгу. После сушки покрытие уплотняют.

От степени уплотнения зависит компромисс между ёмкостью и мощностью: плотный слой позволяет разместить больше активного материала, но хуже пропускает электролит и ионы.

Во время разрядки катод принимает ионы лития и электроны. Во время зарядки он отдаёт их обратно. Если аккумулятор перезарядить, из катодной структуры может выйти слишком много лития, а материал начнёт терять устойчивость.

Поэтому электронные схемы постоянно следят за напряжением: превышение допустимого уровня опасно для всей ячейки.

Электролит! Среда для движения ионов

Электролит обеспечивает перемещение ионов лития между электродами, но не должен проводить электроны. В традиционном литий-ионном аккумуляторе это жидкость на основе органических растворителей с растворённой солью лития.

Часто используются карбонатные растворители и соль, обладающая хорошей ионной проводимостью.

Электролит пропитывает пористые электроды и сепаратор. На первый взгляд он напоминает жидкость внутри небольшой герметичной детали, однако его задача гораздо сложнее. Он должен сохранять проводимость при разных температурах, не разрушать активные материалы, не испаряться при нормальной работе и участвовать в формировании защитных поверхностных слоёв.

При первом цикле на поверхности анода обычно образуется твёрдый межфазный слой, который называют защитной плёнкой. Она возникает из-за разложения части электролита и в нормальном состоянии ограничивает дальнейшее разрушение растворителя.

Плёнка не полностью "пассивна": она должна пропускать ионы лития, но препятствовать свободному прохождению электронов.

Если аккумулятор долго хранится разряженным, работает на сильном морозе или подвергается перегреву, состав электролита и защитных слоёв меняется.

Растёт внутреннее сопротивление, часть активного лития становится недоступной, а полезная ёмкость снижается. Поэтому батарея стареет не только от количества циклов, но и от времени, температуры и режима хранения.

В современных разработках исследуют твёрдые электролиты. Они могут повысить безопасность и открыть путь к новым конструкциям, но пока сталкиваются с проблемами контакта между слоями, стоимости, механической хрупкости и стабильного массового производства.

Поэтому жидкий электролит всё ещё остаётся стандартом для огромного числа устройств.

Сепаратор: тонкая перегородка между электродами

Сепаратор очень тонкая пористая плёнка, расположенная между анодом и катодом. Она не участвует в накоплении энергии напрямую, но без неё аккумулятор работать не сможет.

Сепаратор должен пропускать ионы через заполненные электролитом поры и одновременно предотвращать прямой контакт двух электродов.

Обычно сепараторы изготавливают из микропористых полимеров. Их толщина может составлять десятки микрометров, то есть быть существенно меньше толщины человеческого волоса.

При этом материал должен выдерживать сборку, намотку, давление, нагрев и многократное изменение состояния электродов.

• Поры обеспечивают движение ионов.
• Изоляционная основа блокирует электронный контакт.
• Механическая прочность защищает от проколов.
• Термическое отключение может ограничить ток при перегреве.

У некоторых конструкций сепаратор состоит из нескольких слоёв.

Полимерные плёнки могут комбинироваться с керамическими покрытиями, повышающими устойчивость к нагреву и механическим повреждениям. Но даже хороший сепаратор не спасёт батарею от сильной деформации корпуса, производственного дефекта или грубого прокола.

При перегреве поры сепаратора могут частично закрываться. Это ограничивает перемещение ионов и уменьшает ток, помогая остановить развитие опасного режима. Такой эффект называют термическим отключением.

Однако рассчитывать только на него нельзя: аккумулятор дополнительно защищают контроллер, предохранители, датчики температуры и механические элементы корпуса.

Токосъёмники, проводящие добавки и связующие вещества

Активный материал сам по себе не образует удобный электрический контакт со всей внешней цепью. Поэтому электроды наносят на металлические токосъёмники. Для анода обычно применяют медную фольгу, для катода - алюминиевую.

Металлы выбирают не случайно: они сочетают проводимость, технологичность, приемлемую массу и химическую устойчивость в соответствующей части ячейки.

Внутри покрытия присутствует сеть проводящих частиц. Она соединяет удалённые участки активного материала с фольгой. Если этой сети недостаточно, отдельные частицы плохо используют доступные ионы и электроны.

Если проводящей добавки слишком много, она занимает место, которое можно было отдать активному веществу, и уменьшает общую ёмкость.

Связующее удерживает порошок на фольге и помогает покрытию сохранять целостность во время циклов. Электрод не должен осыпаться при намотке, вибрации, нагреве или расширении отдельных частиц.

При разрушении связующего часть материала теряет электрический контакт и перестаёт участвовать в работе, даже если химически ещё способен принимать литий.

Производство электродов включает смешивание компонентов, нанесение суспензии, сушку, уплотнение, резку и контроль толщины. Каждая операция влияет на итоговую ячейку. Даже небольшая неоднородность покрытия может привести к локальному перегреву или неравномерной зарядке.

Корпус, выводы и внутреннее давление

Все внутренние слои нужно защитить от воздуха, влаги, механических воздействий и утечки электролита. Для этого используют несколько типов корпуса: цилиндрический металлический, призматический жёсткий или мягкий пакетный.

Электрическая химия внутри может быть похожей, но форма заметно влияет на охлаждение, плотность размещения и требования к фиксации.

Цилиндрические ячейки похожи на увеличенные батарейки. Внутренний "сэндвич" из электродов и сепаратора сворачивают в рулон, помещают в металлический стакан, добавляют электролит и герметично закрывают крышкой.

Такая конструкция хорошо выдерживает давление и удобна для автоматизированного производства.

Призматические элементы имеют прямоугольный корпус. Внутри находится плоский пакет или стопка электродов. Они позволяют эффективнее использовать пространство в аккумуляторном блоке, например в ноутбуке, серверном источнике бесперебойного питания или тяговой батарее.

Минус - более высокие требования к равномерности давления и охлаждению.

Пакетные ячейки заключены в многослойную гибкую оболочку. Они лёгкие и могут иметь нестандартную форму, поэтому часто встречаются в смартфонах, планшетах, тонких ноутбуках и носимой электронике.

При повреждении или старении пакет может вздуваться, а его механическая защита обычно зависит от корпуса самого устройства.

В корпусе могут находиться предохранительный клапан, отключающий механизм и токоведущие выводы. При ненормальном росте давления клапан должен снизить риск разрушения корпуса. Однако срабатывание защиты означает серьёзную неисправность, а не штатный режим.

Как аккумулятор собирают на производстве

Создание ячейки начинается с подготовки активных материалов. Порошки смешивают со связующими и проводящими добавками, получая однородную массу. Затем её наносят на металлическую фольгу.

Толщина слоя, влажность, скорость нанесения и температура сушки контролируются очень строго: ошибка в одном параметре может проявиться только спустя десятки циклов.

Высушенные электроды уплотняют каландрированием. Валки уменьшают толщину покрытия и регулируют его пористость. Слишком мягкий слой даст недостаточную энергетическую плотность, а чрезмерное уплотнение ухудшит проникновение электролита.

После этого электроды режут на полосы или листы, очищают кромки и проверяют на отсутствие металлических частиц.

Далее электроды соединяют с сепаратором. В цилиндрической ячейке получается спиральный рулон, в призматической - плоский пакет или стопка. В пакетном корпусе элементы укладывают слоями.

Затем конструкцию помещают в корпус, приваривают выводы, добавляют электролит и выполняют герметизацию.

После сборки аккумулятор ещё не считается полностью готовым. Ему требуется формовка - серия контролируемых зарядов и разрядов. Во время формовки стабилизируются межфазные слои на электродах, выявляются дефектные ячейки и уточняются электрические параметры.

Этот этап занимает время, но без него стабильность и безопасность батареи были бы заметно хуже.

Готовые элементы сортируют по ёмкости, внутреннему сопротивлению и саморазряду. Если из нескольких ячеек собирают батарейный блок, стараются использовать элементы с близкими параметрами.

Иначе при последовательном соединении одна ячейка будет заряжаться быстрее остальных и станет ограничивать весь блок.

Электронная защита и система управления батареей

Сам аккумулятор не понимает, что подключён к смартфону, роутеру или ноутбуку. Он не умеет самостоятельно определить, когда нужно остановить зарядку, и не знает, допустим ли ток в конкретный момент.

Поэтому в готовом устройстве рядом с ячейкой располагается электронная схема защиты, а в многосекционных системах используется полноценная система управления батареей.

• Контроллер измеряет напряжение ячейки или группы ячеек.
• Датчики отслеживают температуру.
• Силовые ключи отключают заряд или нагрузку.
• Балансировочная схема выравнивает последовательные ячейки.
• Счётчик заряда оценивает доступную ёмкость.

В смартфоне контроллер получает данные от зарядного устройства и регулирует ток. В ноутбуке система управления дополнительно учитывает количество циклов, температуру, состояние батареи и требования операционной системы.

В ИБП или серверном резервном источнике логика может контролировать сразу десятки ячеек, вентиляторы, реле и связь с сетевым оборудованием.

При последовательном соединении аккумуляторов особенно важен баланс. Допустим, в блоке четыре ячейки, каждая рассчитана на максимальное напряжение 4,2 вольта. Теоретически суммарное напряжение полной зарядки составит 16,8 вольта.

Но если одна ячейка уже достигла предела, а остальные ещё нет, продолжение зарядки опасно. Балансир отводит небольшой ток от более заряженной ячейки или применяет активную схему перераспределения энергии.

Защита не делает аккумулятор бессмертным. Она предотвращает часть опасных ситуаций, но не отменяет старение материалов, повреждение корпуса, некачественное зарядное устройство или перегрев внутри устройства.

Поэтому вздувшуюся батарею нельзя прокалывать, сжимать или пытаться "оживить" кустарным зарядником.

Почему аккумулятор теряет ёмкость и вздувается

Ухудшение характеристик связано с несколькими процессами. Часть лития постепенно становится недоступной для обратимого перемещения. Защитные плёнки на электродах утолщаются, электролит расходуется, частицы активного материала трескаются, а электрические контакты между ними ухудшаются.

В результате батарея хранит меньше энергии и сильнее просаживает напряжение под нагрузкой.

Высокая температура ускоряет химические реакции. Если смартфон одновременно заряжается, запускает тяжёлую игру, раздаёт интернет и лежит под подушкой, батарея работает в крайне неблагоприятном режиме.

Кратковременный нагрев не обязательно сразу приведёт к отказу, но регулярное пребывание при повышенной температуре заметно сокращает ресурс.

Вздувание обычно связано с образованием газа внутри герметичной ячейки. Газ может появляться из-за разложения электролита, перезаряда, повреждения, перегрева или естественного старения.

Пакетная батарея при этом начинает деформироваться, а цилиндрическая может повышать внутреннее давление.

На ресурс влияет и глубина циклов. Один цикл не обязательно одно подключение зарядки.

Если аккумулятор сначала разрядили на 30 процентов, затем зарядили, а позже ещё на 70 процентов, суммарно это примерно один полный цикл. Частичные циклы обычно мягче для батареи, чем постоянная разрядка до нуля и зарядка до максимума.

Чем отличаются аккумуляторы в смартфоне, ноутбуке и роутере

В смартфоне батарея должна быть тонкой, лёгкой и достаточно ёмкой. Производитель использует пакетную ячейку, встроенную в жёсткий корпус телефона.

От аккумулятора требуется выдерживать короткие пики нагрузки: запуск камеры, подсветку дисплея, передачу данных по мобильной сети и работу мощного процессора.

Ноутбук обычно имеет батарейный блок из нескольких пакетных или призматических ячеек.

В нём важны не только ёмкость, но и способность отдавать заметный ток при включении процессора, дисплея и накопителя. Контроллер общается с компьютером и сообщает примерный процент заряда, состояние здоровья батареи и предупреждения о неисправностях.

Пауэрбанк часто использует цилиндрические ячейки или пакетные элементы. Внутри дополнительно находится преобразователь напряжения, потому что внутреннее напряжение литий-ионной ячейки меняется, а USB-выходу требуется стабильное значение.

Поэтому заявленные на корпусе миллиампер-часы нельзя напрямую сравнивать с ёмкостью устройства, которое питается от другого напряжения.

Роутер с резервным питанием может работать от одной ячейки с преобразователем или от нескольких элементов с отдельной схемой управления.

Здесь критичны низкий саморазряд и возможность длительной работы в режиме ожидания. Если такой аккумулятор установлен в плохо проветриваемом шкафу рядом с сетевым оборудованием, постоянное тепло ускорит его старение.

В серверных ИБП требования ещё строже. Система должна выдерживать кратковременные высокие нагрузки, поддерживать связь с мониторингом и безопасно отключать неисправные модули.

Для интернет-инфраструктуры это особенно важно: отказ резервного питания может привести не просто к выключению домашнего Wi-Fi, а к остановке сервисов, сетевых узлов и систем хранения данных.

Маркировка, ёмкость и реальная автономность

На аккумуляторах указывают ёмкость в миллиампер-часах или ампер-часах, но эта цифра не равна запасу энергии без уточнения напряжения. Более корректная величина - ватт-часы. Она рассчитывается примерно как произведение ёмкости в ампер-часах на номинальное напряжение.

Например, аккумулятор на 5000 миллиампер-часов при номинальном напряжении 3,7 вольта хранит около 18,5 ватт-часа в идеализированном расчёте. Часть энергии теряется в преобразователях, проводниках и самой нагрузке.

Поэтому смартфон или внешний модем не смогут использовать абсолютно все заявленные ватт-часы.

Номинальная ёмкость также зависит от условий измерения. Производитель задаёт ток разряда, температуру и конечное напряжение. При большой нагрузке реальная доступная ёмкость может быть ниже, потому что внутреннее сопротивление вызывает нагрев и просадку напряжения.

• Миллиампер-часы показывают количество заряда при заданных условиях.
• Ватт-часы удобнее для сравнения устройств с разным напряжением.
• Номинальное напряжение является рабочим ориентиром, а не постоянным значением.
• Максимальный ток зависит от химии, конструкции и допустимого нагрева.

Если требуется оценить автономность роутера, нужно учитывать не только ёмкость батареи, но и потребление самого устройства.

Роутер мощностью 8 ватт теоретически сможет работать от источника на 40 ватт-часов около пяти часов, но с учётом преобразователя, кабелей и запаса времени результат будет меньше.

Безопасность и правильное обращение

Литий-ионный аккумулятор безопасен при исправной конструкции и штатных режимах, но он содержит значительный запас энергии в компактном объёме.

Повреждение оболочки, короткое замыкание или неправильная зарядка могут вызвать быстрый нагрев. Поэтому батарею нельзя бросать вместе с металлическими предметами, разбирать без подготовки или заряжать устройством неизвестного качества.

Если корпус вздулся, появились трещины, запах растворителя, сильный нагрев без нагрузки или резкое падение времени работы, аккумулятор следует вывести из эксплуатации.

В смартфоне его не стоит прижимать обратно крышкой, а в ноутбуке - продолжать использовать до полного отказа. Повреждённую батарею передают в сервис или пункт сбора элементов питания.

Для домашней интернет-техники полезно соблюдать несколько простых правил:

• Не закрывать вентиляционные отверстия роутера, ИБП и зарядных станций.
• Не оставлять пауэрбанк под прямым солнцем или рядом с отопительными приборами.
• Использовать совместимый зарядный блок с подходящим протоколом.
• Не хранить батарею месяцами полностью разряженной.
• Не подключать повреждённые элементы к сетевому оборудованию.

Оптимальный режим хранения зависит от конкретной химии, но обычно аккумуляторы лучше переносят умеренный уровень заряда и прохладное сухое место, чем постоянное хранение на максимальном напряжении.

При этом слишком сильный холод тоже нежелателен, особенно если батарея сразу после него получает большую нагрузку или начинает заряжаться.

^{Примечание.} Термины "литий-ионный" и "литий-полимерный" часто используют как будто это полностью разные технологии.

На практике литий-полимерный аккумулятор обычно отличается прежде всего формой корпуса и типом электролитного компонента, тогда как принцип перемещения ионов между электродами остаётся близким.

Итак, внутри литий-ионного аккумулятора находится многослойная система: анод на медной фольге, катод на алюминиевой фольге, пористый сепаратор, электролит, токопроводящие добавки, связующие, корпус и защитная электроника.

Каждый компонент влияет на автономность, скорость зарядки, нагрев и срок службы.

Когда вы смотрите видео, подключаетесь к Wi-Fi, работаете за ноутбуком или поддерживаете сервер онлайн во время отключения электричества, энергия проходит через целую цепочку химических и электрических процессов.

Небольшая батарея внутри устройства результат точного баланса между ёмкостью, мощностью, безопасностью, стоимостью и габаритами.

Понимание этой конструкции помогает выбирать технику осознанно, правильно оценивать автономность и не относиться к аккумулятору как к вечному расходнику, которому не страшны жара, глубокий разряд и сомнительная зарядка.