Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в нашей повседневной жизни: они используются в смартфонах, ноутбуках, электромобилях и других гаджетах. Однако со временем они начинают терять свою емкость, что приводит к снижению времени работы устройства. Почему это происходит?
Основной причиной потери емкости литий-ионного аккумулятора является стихийное старение. При использовании аккумулятора происходят химические реакции, которые неизбежно приводят к накоплению различных процессов, в результате чего возникают ионы, неспособные к реверсивной реакции. Это приводит к постепенным изменениям в структуре аккумулятора и снижению его емкости.
Еще одной причиной потери емкости является циклическая деградация. В процессе зарядки и разрядки аккумулятора происходят электрохимические реакции, которые приводят к миграции лития между электродами. С каждым циклом зарядки и разрядки, эта миграция становится все сложнее, что в конечном итоге приводит к ухудшению электрохимических свойств аккумулятора и потере его емкости.
Влияние температуры на емкость аккумулятора
При низких температурах внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается, что затрудняет движение ионов лития между электродами. В результате мощность аккумулятора снижается, а его емкость сокращается. При очень низких температурах аккумулятор может перестать функционировать вообще. Поэтому, в холодные времена года аккумуляторы быстрее разряжаются.
Высокие температуры также негативно сказываются на емкости аккумулятора. При повышенной температуре происходит активное выделение газов и электролитического разложения материала электрода. Это может привести к появлению пленки на поверхности электродов и сокращению доступной поверхности для электрохимических реакций. Кроме того, высокие температуры ускоряют старение аккумулятора, что приводит к уменьшению его емкости.
Оптимальная температура для работы литий-ионных аккумуляторов находится в диапазоне от 20 до 25 градусов Цельсия. При такой температуре аккумулятор сохраняет наибольшую емкость и долговечность.
Для поддержания оптимальной температуры аккумуляторов рекомендуется избегать их перегрева и переохлаждения. Также следует учитывать, что при низких температурах аккумулятор разряжается быстрее, поэтому важно хранить и заряжать аккумуляторы при комнатной температуре.
Эффект памяти при неправильном заряде и разряде аккумулятора
Литий-ионные аккумуляторы обладают свойством эффекта памяти, который влияет на их емкость при неправильном заряде и разряде. Этот эффект основан на изменении химической структуры активных слоев аккумулятора, которые отвечают за его электрохимическую реакцию.
Эффект памяти возникает, когда аккумулятор не полностью заряжен или разряжен до минимального уровня, а затем снова заряжен или разряжен. При таком неполном цикле зарядки или разрядки химические реакции происходят не в полной мере, и аккумулятор "запоминает" этот стабильный уровень заряда. Следующие циклы зарядки и разрядки будут ограничены этим "запомненным" уровнем, что приводит к потере емкости аккумулятора.
Например, частное использование ноутбука при зарядке аккумулятора до 80% емкости, а затем разрядке до 20%, может привести к появлению эффекта памяти. Аккумулятор больше не сможет использовать свою полную емкость, ограничивая его работу.
Чтобы избежать эффекта памяти, необходимо правильно заряжать и разряжать аккумулятор. Рекомендуется полностью заряжать и разряжать литий-ионные аккумуляторы, чтобы не допустить ограничения их емкости. Также следует избегать длительного хранения аккумулятора при неполном заряде или разряде.
Распад активного материала на электродах
На аноде активным материалом обычно служит графит, который в процессе зарядки аккумулятора вступает в реакцию с литием, образуя соединение LiC6. Однако при повторных циклах зарядки и разрядки активный материал на аноде может начать распадаться. Это связано с образованием побочных продуктов и изменением структуры графита.
На катоде активным материалом обычно служит оксид лития, который в процессе зарядки и разрядки вступает в реакцию с литием, образуя соединение LiCoO2 (для аккумуляторов с катодом на основе LiCoO2). Однако при многократных циклах зарядки и разрядки активный материал на катоде также может подвергаться разложению, образованию побочных соединений и изменению структуры.
Распад активного материала на электродах неизбежен при использовании аккумуляторов и является одной из причин их постепенной потери ёмкости. При этом активность и свойства активного материала могут изменяться, что приводит к ухудшению электрохимических реакций и, как следствие, снижению энергетической эффективности и ёмкости аккумулятора.
Саморазряд аккумулятора из-за химических процессов
Саморазряд аккумулятора вызван реакциями между электродами аккумулятора и электролитом. Литий-ионные аккумуляторы содержат графитовый анод и литиевую катоду, погруженные в электролит. В процессе саморазряда литий ионы начинают мигрировать от катоды к аноду, образуя затрудненное прохождение электрическое соединение между электродами. Это вызывает потерю заряда и снижение емкости аккумулятора.
Также, в процессе саморазряда происходят неконтролируемые химические реакции, которые могут вызывать образование пленки на поверхности электродов. Эта пленка, называемая паспивацией, уменьшает доступность активного материала для электрохимических реакций и, следовательно, снижает емкость аккумулятора.
Для уменьшения саморазряда и повышения емкости аккумуляторов проводятся исследования и разрабатываются новые материалы для электродов и электролита. Однако, полное исключение саморазряда в настоящее время не достигнуто, и поэтому регулярное использование аккумулятора может быть необходимо для поддержания его емкости и увеличения срока службы.
Циклы зарядки и разрядки как причина потери емкости аккумулятора
Во время циклов зарядки и разрядки, ионы лития перемещаются через электролит и анод, а также обратно через катод. Это вызывает накопление процессов, которые называются "процессами старения", такие как образование платы на поверхности электрода.
Процессы старения влияют на эффективность аккумулятора и способность удерживать заряд. Постепенно эти процессы приводят к уменьшению емкости аккумулятора и его производительности. Продолжительное использование аккумулятора, особенно при неправильной зарядке и разрядке, может значительно ускорить этот процесс.
Таким образом, циклы зарядки и разрядки являются важным фактором, который влияет на потерю емкости аккумулятора, и поэтому рекомендуется следовать рекомендациям по зарядке и разрядке аккумулятора для максимального увеличения его срока службы.
Воздействие окружающей среды на работу аккумулятора
Окружающая среда может оказывать значительное влияние на работу литий-ионных аккумуляторов и ускорять их потерю емкости. Воздействие окружающей среды может происходить через несколько факторов:
Температура: Высокие или низкие температуры могут сильно повлиять на работу аккумулятора. Высокие температуры приводят к росту электролитического разложения и ускоряют процесс уменьшения емкости. Низкие температуры, с другой стороны, затрудняют движение ионо-литевых частиц и снижают эффективность работы аккумулятора.
Влажность: Высокая влажность может вызвать коррозию и повреждение аккумуляторных контактов, что может привести к потере электрического соединения и ухудшению производительности аккумулятора.
Давление: Высокое давление, особенно для аккумуляторов, не предназначенных для работы в экстремальных условиях, может вызвать утечку электролита и повреждение внешних компонентов аккумулятора, что может привести к утрате емкости.
Свет: Постоянное воздействие яркого света, такого как солнечный свет, может привести к химическим реакциям внутри аккумулятора, что может вызвать повреждение его компонентов и ухудшение его производительности.
В целях поддержания оптимальной производительности аккумулятора рекомендуется использовать его в пределах указанных температурных диапазонов, избегать длительного воздействия экстремальных условий окружающей среды и хранить аккумуляторы в сухих и прохладных местах.
Необходимо также отметить, что качество и долговечность аккумулятора могут варьироваться в зависимости от производителя и его конструкции.
