Пионерская работа над литиевыми батареями началась в 1912 году под руководством Дж. Н. Льюиса, но только в начале 1970-х годов первые неперезаряжаемые литиевые батареи начали коммерческое использование. Литий — самый легкий из всех металлов, обладающий наибольшим электрохимическим потенциалом и самой высокой плотностью энергии по весу.
Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи не увенчались успехом из-за проблем с безопасностью. Исследования обратились к использованию ионов лития вместо металлического лития в неметаллических литиевых батареях из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно во время зарядки. Хотя плотность энергии была немного ниже, чем у металлического лития, ионы лития безопасны, если соблюдать определенные меры предосторожности во время зарядки и разрядки. В 1991 году Sony выпустила на рынок первую литий-ионную батарею. Другие производители последовали этому примеру.
Литий-ионный аккумулятор обычно имеет вдвое большую плотность энергии, чем стандартный никель-кадмиевый. У него есть потенциал для еще более высокой плотности энергии. Его разрядные характеристики довольно хорошие, и по разряду он аналогичен никель-кадмиевому. Высокое напряжение батареи 3,6 В позволяет создавать аккумуляторные батареи, использующие только одну ячейку. Большинство современных мобильных телефонов работают от одной батареи. Для блока на основе никеля потребуются три элемента на 1,2-В, соединенные последовательно.
Литий-ионный аккумулятор не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не могут претендовать большинство других химических устройств. Память отсутствует, и для продления срока службы батареи не требуется плановая езда на велосипеде. Кроме того, саморазряд меньше половины по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами, что делает литий-ионные аккумуляторы хорошо подходящими для современных датчиков уровня топлива. Литий-ионные элементы при утилизации не причиняют большого вреда.
Несмотря на общие преимущества литий-ионного аккумулятора, у него есть и недостатки. Он хрупкий и требует схемы защиты для обеспечения безопасной работы. Встроенная в каждый аккумулятор схема защиты ограничивает пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки и предотвращает слишком низкое падение напряжения элемента при разряде. Кроме того, схема защиты контролирует температуру аккумулятора, чтобы предотвратить экстремальные значения. Большинство аккумуляторов рассчитаны на ток от 1C до 2C, причем 1C соответствует номинальной емкости аккумулятора в течение одного часа. Такая защита увеличивает стоимость производства.
Старение является проблемой для большинства литий-ионных аккумуляторов, и многие производители хранят молчание по этому поводу. Через год батарея теряет примерно 20 процентов своей емкости в год, независимо от того, используется она или нет. Старение происходит быстрее при более высоких температурах. Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных аккумуляторов (и других химических веществ). Производители рекомендуют хранить при температуре 15 градусов (59 градусов F). Кроме того, во время хранения аккумулятор следует заряжать частично, рекомендуемый уровень заряда составляет 40 процентов.
По соотношению стоимости и плотности энергии цилиндрический литий-ионный элемент 18650 является наиболее экономичным аккумулятором и используется для мобильных компьютеров и других приложений, не требующих сверхтонкой геометрии. Для более тонких геометрических форм призматические литий-ионные аккумуляторы предлагают лучший компромисс между соотношением стоимости и энергопотребления и форм-фактором.
Преимущества
- Высокая плотность энергии – потенциал для еще большей мощности.
- Не требует длительного грунтования в новом состоянии. Достаточно одной регулярной зарядки.
- Относительно низкий саморазряд – саморазряд в два раза меньше, чем у аккумуляторов на основе никеля.
- Низкие эксплуатационные расходы – периодическая разрядка не требуется; памяти нет.
- Специальные элементы могут обеспечивать очень высокий ток для таких устройств, как электроинструменты.
Ограничения
- Требуется схема защиты для поддержания напряжения и тока в безопасных пределах.
- Подвержен старению, даже если он не используется — хранение в прохладном месте при уровне заряда 40 % снижает эффект старения.
- Ограничения на транспортировку – отгрузка больших объемов может подлежать регулирующему контролю. Это ограничение не распространяется на аккумуляторы для ручной клади.
- Дорогой в производстве – примерно на 40 процентов дороже, чем никель-кадмиевый.
- Не полностью зрелый – металлы и химические вещества постоянно меняются.