В предыдущей части цикла мы познакомились с литий-железо-фосфатными аккумуляторами. Сегодня цикл продолжат литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (LiNixMnyCozO2, Li-NMC) элементы. Давайте посмотрим, что они собой представляют и какими особенностями обладают.
Общая информация
По сути, литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы — те же литий-ионные. Отличие состоит лишь в технологии изготовления и более сложном химическим составом катода. Принцип работы остается тем же.
При зарядке такого элемента из молекул лития, находящегося на катоде, вырываются электроны, и молекула превращается в ион. Этот ион может свободно пройти через мембрану-сепаратор, что он и делает, оседая затем на аноде, внедряясь в кристаллическую решетку графита. Поскольку электроны сепаратор не пропускает, они движутся в обход — через зарядное устройство. Пройдя через него, они находят на аноде первый попавшийся ион и превращают его обратно в молекулу.
При разряде происходит обратный процесс — литий на аноде превращается в ионы, проходит сквозь сепаратор и оседает на катоде. Электроны же снова движутся по обходному пути, но уже через нагрузку. Пробежав через нее и попутно проделав определенную работу (запитав нагрузку), они восстанавливают ион на катоде до молекулы.
На заметку. Если вас интересует устройство и принцип работы литиевого аккумулятора, рекомендую прочесть статью «Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает».
Ну а отличие NMC элемента от классического, как я уже отмечал, в более сложном химическом составе катода. Он состоит из оксидов следующих элементов:
- литий (само собой);
- марганец;
- никель;
- кобальт.
Отсюда и такое сложное название аккумулятора. Но зачем так сложно, что дают все эти присадки? Основную роль здесь играет никель — он позволяет получить более высокую плотность запасенной энергии. Но никель нестабилен, поэтому в помощь ему в катод добавляют марганец (не забываем, что все эти вещества используются в виде оксидов). Он стабилизирует никель. В результате мы имеем:
- увеличение плотности энергии;
- существенное увеличение количества циклов заряд/разряд.
На заметку. Кроме того литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы могут работать и при очень высоких температурах — тепловой пробой у них составляет 210 градусов Цельсия!
Основные характеристики NMC аккумуляторов:
Обратите внимание на отношение вес/емкость. Цифра поразительная даже по сравнению с обычными литий-ионными элементами.
Эти NMC-аккумуляторы имеют емкость в 60 А*ч при габаритах 300 х 100 х 14 мм и весе всего в 850 г. Свинцово-кислотный аккумулятор той же емкости будет в прямом смысле неподъемным и иметь размеры… ну вы видели автомобильную стартерную батарею.
Преимущества и недостатки
Ну а теперь более подробно о преимуществах и недостатках NMC аккумуляторов. К преимуществам можно отнести:
- исключительно высокую энергоемкость;
- работу в широком (от -40 до +150 градусов Цельсия) диапазоне температур;
- возможность отдавать большие (до 4С кратковременно, 2С долговременно) токи;
- большое количество (до 1 500 в среднем около 1 000) циклов заряд/разряд.
Что касается недостатков, то их немного. Относительно высокая стоимость и большой разброс параметров при изготовлении. Но этим болеют все новые технологии и, конечно, все эти проблемы со временем будут решены. Что касается кобальта, входящего в состав электродов, то, в принципе, он присутствует практически во всех литиевых элементах. Просто утилизируем как положено, не пытаемся грызть аккумулятор, и вся проблема.
Как заряжать
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы заряжаются так же, как и обычные литий-ионные и литий-полимерные. При этом зарядный ток не должен превышать 1С. При увеличении тока заряда срок службы элемента резко сокращается. Как и все литиевые аккумуляторы, NMC боятся глубокого разряда и перезаряда, поэтому должны использоваться с BMS-контроллерами. Если аккумуляторы соединяются последовательно в батареи, то для правильной зарядки необходимо использовать BMS-контроллер с балансиром на соответствующее количество ячеек.
Применение
На сегодняшний день NMC не особо распространены, но все же используются. Их можно встретить, к примеру, в электромобилях последних моделей.
Используются они и на электростанциях альтернативной энергетики в качестве буферных.
В смартфонах, планшетах и ноутбуках элементы этого типа пока не применяются. Технология «сырая» и производители не рискуют их использовать. Если что-то пойдет не так, то посыплются рекламации, а это серьезный удар по имиджу компании. И дай Бог, если обойдется без пожаров и пострадавших.
Вот, пожалуй, и все об аккумуляторах со страшным именем литий-никель-марганец-кобальт-оксидные. В следующей части цикла я продолжу беседу об аккумуляторах других типов. Не переключайтесь.