Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Из чего состоит литий-ионный аккумулятор — вопрос, в котором конструктору и снабженцу важно различать электрохимическую ячейку (cell) и собранную батарею (battery pack). Сама ячейка — это электрохимическая система с четырьмя обязательными функциональными элементами: положительным электродом (катодом) на основе соединения лития с переходным металлом, отрицательным электродом (анодом), чаще всего графитовым, жидким органическим электролитом с растворённой солью лития и пористой полимерной мембраной — сепаратором, разделяющей электроды. Электроды нанесены на металлическую фольгу — токосъёмник: алюминиевую со стороны катода и медную со стороны анода. Всё это герметизировано в металлическом или ламинированном корпусе одного из стандартных форм-факторов.
Принцип работы единый для всех химий — обратимое внедрение (интеркаляция) и извлечение (деинтеркаляция) ионов лития между структурами катода и анода через электролит и сепаратор. Именно состав катода и анода задаёт основные характеристики: номинальное напряжение, удельную энергию, ресурс, безопасность и температурный диапазон. Ниже разобраны материалы каждого элемента, основные катодные химии (LFP, NMC, NCA, LCO, LMO, LTO), особенности электролита и сепаратора, форм-факторы ячеек и относящиеся к ним действующие стандарты.
Литий-ионный аккумулятор работает за счёт обратимого переноса ионов лития между двумя электродами через жидкий электролит. При заряде ионы Li⁺ извлекаются из кристаллической решётки катодного материала, проходят через электролит и сепаратор, внедряются в межслоевые промежутки графита анода; одновременно по внешней цепи через токосъёмники течёт электронный ток. При разряде процесс обращается: литий возвращается в катод, отдавая в нагрузку электроны.
В ячейке нет металлического лития: ионы лития циркулируют между «хозяевами» — слоистыми или каркасными структурами катода и анода. Это и отличает литий-ионную систему (Li-ion) от литий-металлической.
Катод — главный функциональный материал ячейки. От его химического состава зависят номинальное напряжение, удельная энергия, ресурс и поведение при перегреве. Активная масса катода представляет собой порошок соединения лития с переходным металлом, смешанный со связующим и проводящей сажей, и нанесённый тонким слоем на алюминиевую фольгу.
Активное вещество — LiFePO₄ со структурой оливина. Номинальное напряжение ячейки около 3,2 В. Главные особенности — высокая термическая стабильность, длительный циклический ресурс, отсутствие кобальта и никеля. Меньшая удельная энергия по сравнению с никель-содержащими химиями компенсируется безопасностью и долговечностью; LFP широко применяется в системах накопления электрической энергии (СНЭЭ), электротранспорте, источниках бесперебойного питания.
Активное вещество — слоистый оксид LiNixMnyCozO₂. В маркировке трёхзначная цифра обозначает молярное соотношение Ni:Mn:Co. Наиболее распространённые составы: NMC 111 (1:1:1), NMC 532, NMC 622, NMC 811. Чем выше доля никеля, тем выше удельная энергия, но ниже термическая стабильность и сложнее процесс синтеза. Номинальное напряжение ячейки — около 3,6–3,7 В. NMC — базовая катодная химия для тяговых батарей электромобилей и портативной техники, где важно сочетание ёмкости и мощности.
Состав LiNixCoyAlzO₂ со слоистой структурой. Алюминий частично замещает кобальт и стабилизирует решётку при высоких степенях делитирования. Высокая удельная энергия и удельная мощность; чаще применяется в электротранспорте. Номинальное напряжение ячейки — около 3,6–3,7 В.
LiCoO₂ — исторически первая коммерческая катодная химия литий-ионных ячеек. Слоистая структура; номинальное напряжение около 3,6–3,7 В. Высокая удельная энергия, но высокая стоимость кобальта, ограниченный ресурс и чувствительность к перезаряду и перегреву. Сегодня LCO используется преимущественно в малоформатных портативных устройствах (смартфоны, фото- и видеокамеры, носимая электроника).
LiMn₂O₄ с кубической структурой шпинели. Номинальное напряжение около 3,7 В. Низкое внутреннее сопротивление допускает высокие разрядные токи; материал не содержит кобальта. Слабее по ресурсу, чем NMC и LFP, при повышенных температурах. Часто используется в смешанных катодах вместе с NMC для медицинской техники, электроинструмента, электротранспорта малых мощностей.
Маркировки LFP, NMC, NCA, LCO, LMO относятся именно к катодному активному материалу. Анод почти во всех этих ячейках — графитовый.
Базовый материал анода — графит. Слоистая структура графита позволяет обратимо внедрять ионы лития в межслоевые пространства с образованием интеркалятов LiCx (предельный состав LiC₆). Активную массу из графитового порошка, связующего и проводящей добавки наносят на медную фольгу-токосъёмник.
Применяются как природный, так и синтетический графит и их смеси. Синтетический материал стабильнее по структуре и обеспечивает лучший ресурс, природный — дешевле и обладает более высокой удельной ёмкостью. Потенциал графитового электрода относительно литиевого электрода сравнения — около 0,1 В, что близко к потенциалу осаждения металлического лития; это требует точного управления режимом заряда, особенно при отрицательных температурах.
Введение кремния (Si или SiOx) в графитовую матрицу повышает удельную ёмкость анода: теоретическая ёмкость кремния многократно превышает ёмкость графита. Главная проблема — значительное изменение объёма кремния при литировании, приводящее к разрушению частиц и пассивирующей плёнки (SEI). На практике в современных тяговых батареях применяют композиты с долей кремния несколько процентов от массы анода.
Li₄Ti₅O₁₂ — анод со структурой шпинели и потенциалом около 1,55 В относительно литиевого электрода сравнения. Из-за высокого потенциала номинальное напряжение ячейки LTO–NMC или LTO–LMO низкое (порядка 2,3–2,4 В), удельная энергия меньше, чем у систем с графитом, но материал обеспечивает экстремально длинный ресурс (десятки тысяч циклов), высокие токи заряда и разряда и устойчивую работу при низких температурах. Применяется в общественном электротранспорте, технологическом транспорте, СНЭЭ для частоциклируемых задач.
При первом заряде графитового анода на его поверхности формируется твёрдоэлектролитная межфазная плёнка (Solid Electrolyte Interphase, SEI) — продукт восстановления компонентов электролита. SEI проводит ионы лития, но блокирует дальнейшее разложение электролита. Качество SEI определяет ресурс и саморазряд ячейки; для его формирования в электролит вводят плёнкообразующие добавки (например, фторэтиленкарбонат, FEC, и винилкарбонат, VC).
Электролит литий-ионной ячейки — раствор соли лития в смеси органических апротонных растворителей. Его задача — обеспечить высокую ионную проводимость для Li⁺, оставаясь электрохимически устойчивым в окне работы катода и анода (около 0–4,5 В относительно Li/Li⁺).
Основная литиевая соль — гексафторфосфат лития LiPF₆. Концентрация — обычно около 1 моль/л. LiPF₆ обеспечивает высокую проводимость и пассивацию алюминиевого токосъёмника, но термически нестабилен и чувствителен к влаге: при температуре выше примерно 70 °C начинается его разложение с образованием PF₅ и HF. В качестве добавок и альтернативных солей применяются LiBF₄, LiBOB, LiDFOB, LiTFSI, LiFSI, LiPO₂F₂ — каждая со своими особенностями по проводимости, термостабильности и совместимости с токосъёмниками.
Базовая система — смесь циклических и линейных карбонатов. Этиленкарбонат (EC) обладает высокой диэлектрической проницаемостью и обеспечивает формирование стабильной SEI на графите, но имеет высокую температуру плавления и сам по себе непригоден в качестве единственного растворителя. Линейные карбонаты — диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC), этилметилкарбонат (EMC) — снижают вязкость смеси и расширяют температурный диапазон.
В электролит вводят небольшие количества (обычно несколько процентов) функциональных добавок: фторэтиленкарбонат (FEC) и винилкарбонат (VC) — для улучшения SEI и работы с кремний-содержащими анодами; пропансультон и его производные — для стабилизации работы при высоких напряжениях; пламегасящие добавки на основе фосфатов — для повышения безопасности.
Электролит на основе LiPF₆ требует работы в среде с минимальным содержанием влаги: при контакте с водой образуется фтороводород (HF), который разрушает SEI и катодный материал. Любые операции с электролитом проводятся в сухой среде или инертной атмосфере.
Сепаратор — тонкая микропористая мембрана между анодом и катодом. Он электрически изолирует электроды, но проницаем для ионов лития через поры, заполненные электролитом. Дополнительная функция — самовыключение при перегреве: при повышении температуры выше точки плавления полимера поры захлопываются, ионная проводимость прекращается и реакция останавливается.
Типичная толщина сепаратора — порядка 10–25 мкм. Производство — сухим способом (одноосное растяжение экструдированной плёнки) или мокрым способом (экстракция пластификатора из плёнки с последующим двухосным растяжением); мокрый способ даёт более равномерную пористую структуру и применяется в большинстве тяговых ячеек.
Активные массы электродов наносятся на тонкую металлическую фольгу — токосъёмник:
Для улучшения адгезии активной массы и снижения переходного сопротивления применяются фольги с углеродным покрытием (carbon-coated).
Активную массу удерживает на токосъёмнике полимерное связующее. На катоде применяется поливинилиденфторид (PVDF) в N-метилпирролидоне (NMP) как растворителе. На аноде всё шире применяются водные связующие — карбоксиметилцеллюлоза (CMC) в сочетании со стирол-бутадиеновым каучуком (SBR), что упрощает экологию производства. Электропроводность активной массы повышается добавлением проводящей сажи (Super P, ацетиленовая сажа), углеродных нанотрубок (CNT) или графена.
Корпус выполняет роль механической оболочки, токовывода и герметизирующего элемента. Цилиндрические и призматические ячейки используют металлический корпус (стальной либо алюминиевый) со встроенным предохранительным клапаном сброса давления и устройством отключения по току или температуре (CID, PTC). Pouch-ячейки — корпус из алюминиево-полимерного ламината (фольга алюминия между слоями полиолефина и полиамида).
Литий-ионные ячейки выпускаются в трёх основных конструктивных исполнениях: цилиндрические, призматические и pouch (пакетные).
Электроды и сепаратор намотаны рулоном (jelly roll) и помещены в металлический цилиндрический корпус. Маркировка типоразмера состоит из четырёх или пяти цифр: первые две — диаметр в миллиметрах, остальные — длина в десятых долях миллиметра.
Электроды уложены пакетом или намотаны в плоский рулон, помещены в жёсткий прямоугольный алюминиевый корпус. Размеры не стандартизованы единым типоразмером — определяются конструкцией модуля. Хорошо упаковываются в батарейные модули с эффективным использованием объёма; широко применяются в электромобилях и стационарных СНЭЭ с LFP-химией.
Электродный пакет (стопка катод–сепаратор–анод) герметизируется в мягком корпусе из алюминиево-полимерного ламината. Низкая масса, высокая удельная энергия, гибкость по геометрии. Менее устойчив к механическому повреждению, требует жёсткой обвязки в модуле. Применяется в смартфонах, планшетах, ноутбуках, тяговых батареях ряда электромобилей.
Внутреннее устройство ячеек всех трёх форм-факторов одинаково: катод, анод, сепаратор и электролит. Отличается только способ сборки и тип корпуса.
Сводная таблица типовых параметров наиболее распространённых катодных химий с графитовым анодом. Конкретные значения зависят от типоразмера, режима эксплуатации и производителя; в таблице приведены ориентиры для инженерного выбора.
При выборе ячеек для конкретного применения сравнивать химии нужно не только по удельной энергии, но и по требуемому ресурсу, скорости заряда/разряда, рабочему диапазону температур и допустимому напряжению ячейки в разряженном состоянии.
Требования к литий-ионным ячейкам и батареям закреплены в системе национальных стандартов, идентичных международным стандартам МЭК (IEC).
Для транспортирования действуют требования Руководства ООН по испытаниям и критериям, раздел 38.3 (UN 38.3), регламентирующие комплекс испытаний (высота, термоциклирование, вибрация, удар, внешнее короткое замыкание, перезаряд, принудительный разряд, импульс) для подтверждения безопасности перевозки.
Из четырёх обязательных функциональных элементов: положительного электрода (катода) на основе соединения лития с переходным металлом, отрицательного электрода (анода), чаще всего графитового, жидкого органического электролита с растворённой солью лития и пористой полимерной мембраны — сепаратора. Электроды нанесены на алюминиевую (катод) и медную (анод) фольгу-токосъёмник, всё это герметизировано в металлическом или ламинированном корпусе.
LFP (литий-железо-фосфат, LiFePO₄) — катодная химия с номинальным напряжением около 3,2 В. Отличается высокой термической стабильностью, длительным циклическим ресурсом, отсутствием кобальта и никеля; удельная энергия меньше, чем у NMC. NMC (никель-марганец-кобальт, LiNixMnyCozO₂) — слоистый оксид с напряжением около 3,6–3,7 В и более высокой удельной энергией; ресурс и термическая стабильность ниже, чем у LFP. Выбор между ними определяется приоритетом: безопасность и долговечность (LFP) или энергоёмкость (NMC).
В большинстве серийных литий-ионных ячеек анод графитовый — порошок природного или синтетического графита, нанесённый на медную фольгу. Литий внедряется в межслоевые пространства графита с образованием интеркалятов вплоть до LiC₆. В современных тяговых батареях применяют кремний-графитовые композиты с небольшим содержанием кремния для повышения ёмкости. Отдельный класс — анод из литий-титаната Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) для ячеек с длинным ресурсом и быстрым зарядом.
Электролит — раствор соли лития (как правило, гексафторфосфата LiPF₆ с концентрацией около 1 моль/л) в смеси органических апротонных растворителей: этиленкарбоната (EC) с линейными карбонатами — диметилкарбонатом (DMC), диэтилкарбонатом (DEC) или этилметилкарбонатом (EMC). В электролит вводят функциональные добавки (FEC, VC и др.) для формирования стабильной SEI и расширения температурного диапазона.
Сепаратор — тонкая микропористая мембрана между анодом и катодом. Он электрически изолирует электроды от прямого контакта (что предотвращает короткое замыкание), но через поры, заполненные электролитом, свободно проходят ионы лития. Дополнительная функция — самовыключение при перегреве: при превышении температуры размягчения полимера поры захлопываются и реакция останавливается. Материалы — полиэтилен, полипропилен или их комбинации, часто с керамическим покрытием.
Алюминий пассивируется в электролите на основе LiPF₆ и устойчив при высоких положительных потенциалах катода. Медь, наоборот, окисляется и растворяется в этом диапазоне, поэтому в качестве катодного токосъёмника не подходит. На анодной стороне всё наоборот: при низком потенциале графитового электрода алюминий сплавляется с литием и разрушается, а медь сохраняет химическую и электрохимическую стабильность.
Различается только сборка и тип корпуса; внутренний состав одинаков. Цилиндрические ячейки (типоразмеры 18650, 21700, 4680 и др.) — намотанный рулон электродов в металлическом корпусе. Призматические — пакет или плоский рулон в жёстком алюминиевом корпусе прямоугольной формы. Pouch (пакетные) — стопка электродов в гибком ламинированном алюминиево-полимерном корпусе. Выбор формата определяется задачей: цилиндры — стандартизация и механическая надёжность, призмы — компоновочная плотность модуля, pouch — минимум массы и максимальная удельная энергия.
Цифры в маркировке NMC означают молярное соотношение никеля, марганца и кобальта в катодном активном веществе LiNixMnyCozO₂. NMC 111 — Ni:Mn:Co = 1:1:1; NMC 532 — 5:3:2; NMC 622 — 6:2:2; NMC 811 — 8:1:1. Чем выше доля никеля, тем выше удельная ёмкость катода, но тем сложнее обеспечить термическую стабильность и тем выше требования к электролиту и системе управления батареей.
Нет. В литий-ионной системе литий присутствует только в виде ионов Li⁺ в электролите и в виде атомов, внедрённых в кристаллические решётки катодного и анодного материалов. Металлический литий в исправной ячейке не выделяется. Его образование на поверхности анода (литиевое осаждение, plating) — аварийное явление, возникающее при заряде слишком большим током, особенно при низких температурах; оно резко снижает ресурс и повышает риск внутреннего короткого замыкания.
Базовые действующие национальные стандарты, идентичные стандартам МЭК: ГОСТ Р МЭК 62133-2-2019 (портативные литиевые аккумуляторы), ГОСТ Р МЭК 62619-2023 (промышленные применения), ГОСТ Р МЭК 62660-3-2024 (тяговые батареи дорожных электротранспортных средств), ГОСТ Р МЭК 63056-2024 (системы накопления электрической энергии). Для перевозки применяются требования Руководства ООН по испытаниям и критериям, раздел 38.3.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.