Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы: маркетинговые уловки и распространенные ошибки

Неоднократно сталкиваюсь в статьях и комментариях (в статьях все же гораздо реже) с использованием неправильных данных или названий, которые впоследствии приводятся, как аргументы, хотя на самом деле они ошибочны изначально. И эти ошибки распространяются по всем ресурсам, включая Гиктаймс.

Это статьей я бы хотел разъяснить некоторые моменты и провести своеобразный ликбез.

Литий-полимерные аккумуляторы

Сразу с главного — в свободном доступе на рынке не существует литий-полимерных аккумуляторов в техническом смысле этого слова. В англоязычном мире с этим уже разобрались, а вот на постсоветском пространстве существуют некоторые издержки в терминологии, которыми пользуются маркетологи. Маленькое отступление — не то, чтобы этим не пользовались в других регионах, но там хотя бы есть возможность проверки этой информации на родном языке.

Немного истории

Любой литий-ионный аккумулятор имеет 4 основных составляющих — два электрода (анод и катод), электролит и сепаратор. Все 4 элемента развивались и развиваются дальше. Для электролита на начало исследований (1970-ые) было предложено два варианта — жидкий или твердый электролит. В то время твердый электролит обещал больше перспектив в эксплуатации — электролит не вытекает при повреждении корпуса, сам элемент более прочный. Главным недостатком было и остается высокое сопротивление твердого электролита, оно сводит на нет физические характеристики.

Фактически снижение количества ресурсов, выделяемых компаниями на разработку твердых электролитов, произошло в начале 1990-х, когда Sony вывела на рынок аккумулятор с жидким электролитом. Сама компания Sony еще в 1988 году была уверена в будущем успехе твердого электролита.

Не смотря на ориентацию на жидкий электролит компании не перестали искать альтернативы. Одним из вариантов стали так называемые гибридные электролиты. Фактически для них используется сепаратор с мелкими отверстиями и тем же жидки электролитом. Хотя он на ощупь кажется сухим, на самом деле количество электролита в нем не отличается от подобного в обычном аккумуляторе. Как в принципе и конструкция:

Схематическая модель литий-ионного аккумулятора с катодом LiCoO₂ и графитовым катодом из Википедии на немецком языке.

Подобные аккумуляторы довольно распространены, их коммерческое распространение началось еще в начале 2000-х, но физически и химически это те же самые литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом и их в общем не очень много.

Что же представлено на рынке?

Одним из способов классификации аккумуляторов является его корпус. На сегодня существуют три популярных способа упаковки:

• Цилиндрические ячейки
• Призматические ячейки
• «Мешочек» или pouch-bag ячейки

Первый тип аккумуляторов известен своим использованием в ноутбуках и автомобилях Тесла (там используется его самый распространенный размер 18650).
Второй тип является измененной формой цилиндрических. Алюминиевый корпус, прямоугольник или квадрат в поперечном сечении. Популярен для стационарного применения и в транспорте.
Третий тип имеет мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах.

Последние в списке и есть те самые «полимерные». Они так называются по нескольким причинам. Самый наглый способ маркетологов — корпус из полимеров, потому и «полимерные».
Второй вариант — использование полимерного мелкопористого сепаратора. Фактически ничем не отличается от обычного литий-ионного аккумулятора.
Третий вариант, который я не встречал — давать название «полимерный» на основании использования полимерных элементов в качестве основ катодов, анодов и прочих элементов. Как правило попадает в множество аккумуляторов в пластиковом корпусе.

Проблемы терминологии

При разработке концепции идея была такова, что под понятием «жидкий электролит» понимались жидкий или гелеобразный раствор соли лития, в то время как под понятием «твердый электролит» (solid electrolyte) — твердое состояние вещества. Так как возникло желание продать то, что обещалось но чего нет, то сегодня даже в среде исследователей гелевый электролит вносят в перечень «твердых» электролитов, хотя его характеристики все же скорее гибридные. Потому можно встретить описание в научных работах «твердый гелевый электролит», которое некоторыми учеными считается вводящим в заблуждение.

Будущее полимерных электролитов

Разработки ведутся и в перспективе возможно появление аккумуляторов с настоящим полимерным электролитом. Однако по состоянию на 2015 год лабораторные образцы полимерных электролитов на основе органической химии не показывали ощутимого прогресса, потому на дату публикации статьи в обозримом будущем не предвидится массового ухода от жидкого электролита.

Проблемы с наименованием типов аккумуляторов

На рынке представлено несколько различных типов литий-ионных аккумуляторов. Они имеют различные наименования, которые позволяют описывать их характеристики в плане емкости или безопасности. В целом можно встретить следующие типы:

• Литий-кобальтовые с катодом LiCoO₂ — самые емкие модели имеют графитовый анод.
• Литий-марганцево-оксидные с катодом LiMn₂O₄, Li₂MnO₃ или LMnO, последние могут выступать как просто литий-марганцовые
• Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные или NMC с катодом LiNiMnCoO₂
• Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePO₄ (LFP)
• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA) с анодом LiNiCoAlO₂
• Литий-титанат-оксидные (LTO) с анодом Li₄Ti₄O₁₂

Сразу можно заметить неравномерность наименований. Некоторые названы в честь катода, некоторые — в честь анода. И если в первом случае еще можно попытаться угадать с высокой степенью вероятности, что анод будет графитовый, то в случае названия по аноду остается только гадать. Также на сегодня ведутся разработки и в принципе можно найти на рынке аккумулятор с катодом LiFePO₄ и анодом Li₄Ti₄O₁₂, т.е. литий-железо-фосфатные литий-титанатовые, которые в этой системе не имеют простого маркетингового наименования По ссылке — научная статья 2013 года с испытаниями такого аккумулятора ^[1].

Причина существования такого большого числа катодов и анодов аккумуляторов в различных требованиях к аккумуляторам. Где-то нужна бóльшая безопасность, а где-то емкость или мощность. Получить представление о запасаемой энергии можно исходя из того, что каждый тип катода и анода имеет разный потенциал, как видно из изображений ниже (в качестве потенциала в 0 В выбирается потенциал металлического лития, больше разница напряжений — больше мощность, энергетическая плотность зависит от количества атомов лития):

Общая схема с потенциалами от университета г. Киль. Источник ^[2]

Материал из статьи 2013 года авторов Jiantie Xu, Shixue Dou и др. Источник ^[3]

Еще одна картинка от Purdue School of Engineering and Technology. Источник ^[4]

Общее представление о причинах может давать следующее грубое изображение связи потенциалов элементов и возможности металлизация лития при очень низком разряде или термической нестабильности при перезаряде:

Изображения взято из курса лекций

Самые небезопасные в эксплуатации из представленных на рынке — литий-кобальтовые с графитовый анодом, самые безопасные — с катодом LiFePO₄ и анодом Li₄Ti₄O₁₂. Естественно, наличие BMS (Battery Management System) уменьшает риски, но пренебрегать ими не стоит, тот же слишком сильный разряд эта система предотвратить не сможет, что критично для аккумуляторов с графитовым анодом.

Распространенные ошибки

Общие ошибки

Самая главная и часто встречаемая ошибка — противопоставление «обычному литий-ионному аккумулятору». Как видно выше, такого понятия, как «обычный» просто нет. И разница в напряжениях может быть самой разной для вроде бы одинаковых катодов и одинаковой для разных наборов катодов и анодов.

Вторая ошибка, не столь существенная, связанная с предыдущим пунктом, написание материала катода LiFePO₄ следующим образом — LiFePo₄. Здесь путаница довольно распространенная и сразу показывает, насколько можно доверять такому источнику.

Еще одна крупная ошибка — противопоставление LiPo-аккумулятора литий-ионному. Здесь несколько вариантов сравнения. Первое — это общее, связанное с заблуждением о существовании на рынке аккумуляторов с полимерным электролитом. Второе, имеющее более узкое применение, которое обычно озвучивается в следующем виде «литий-полимерный аккумулятор [речь о корпусе] лучше/хуже LFP/LTO/NCA (подставить нужное)». Здесь идет смешение типа корпуса и начинки.
Например, по этой ссылке ^[5] можно прочитать о LFP аккумуляторе в формате литий-полимерного (призматический корпус в данном случае).

Аккумулятор А долговечнее аккумулятора Б

Это еще одно своеобразное перекручивание фактов для аргументации при продаже. Такой метод применяется для разных типов аккумуляторов, но чаще всего сравнивается LFP вариант аккумулятора и литий-кобальтовый или NMC с графитовым катодом. В статьях в интернете, как рекламных так и просто популярных, можно найти соотношение полных эквивалентных циклов в 2000 к 500 в пользу LFP и как результат — рассказ о значительном превосходстве первого.

Здесь есть несколько неточностей. Во-первых, бóльшее число статей по литий-кобальтовым датировано 2005-2006 годами, в то время как для LFP — с 2012-2013. Данные по циклам основаны на этих статьях. Тем не менее разработки на останавливались и были одинаково активными для всех типов аккумуляторов и разрыв не настолько большой в один и тот же временной интервал. Во-вторых, не уточняется объем энергии, который передаст за свою жизнь аккумулятор, а ведь при равных размерах LFP имеет меньшую емкость.
Что же касается главного преимущества — бóльшего числа циклов, то если брать новые исследования и сравнивать в равных условиях серийные образцы, то разница не такая и драматическая. В общей сложности она составляет 20-30% (800 циклов против 1000 для 40°C, например), что не всегда оправдывает покупку того же LFP, так как будет передано меньше энергии за счет меньшей разницы напряжений за весь срок эксплуатации.

Источников с непосредственным сравнением нет, поскольку сам процесс тестирования длительный и дорогостоящий, осложненный договорами про не раскрывание названий участников, но сравнивая по ряду данных можно сделать вывод об аналогичных характеристиках на сегодня для всех литий-ионных аккумуляторов в плане срока эксплуатации во всех возможных сценариях, в т.ч. и простого хранения. Эти данные приведены, например, в источниках 1 ^[6], 2 ^[7], 3 ^[8], 4 ^[9], 5 ^[10], 6 ^[11], 7 ^[12].

Прочие источники

BU-206: Lithium-polymer: Substance or Hype? ^[13]

Kazuo Murata, Shuichi Izuchi, Youetsu Yoshihisa «An overview of the research and development of solid polymer electrolyte batteries» ^[14]

A. Manuel Stephan, K.S. Nahm «Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries. Polymer» ^[15]

D. Golodnitskya, E. Straussc, E. Peleda and S. Greenbaum «Review — On Order and Disorder in Polymer Electrolytes» ^[16]

Автор: idiv

Источник ^[17]