Литий-ионный аккумулятор на основе системы литий-углерод.

Литий-ионный аккумулятор на основе системы литий-углерод.

Тип работы: 
Диплом
Предмет: Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Год выполнения: 
2010
Объем: 
24
Цена: 
1 000руб.
№ работы: 1505

Аннотация. 3
Annotation. 4
Введение 5
Глава 1. Литературный обзор 9
Глава 2. Проектная часть 26
2.1. Литий-ионный аккумулятор с жидким электролитом 26
2.2. Литий-ионный аккумулятор с гелевым электролитом 27
2.3. Выбор типа анода аккумулятора 29
2.4. Выбор типа катода аккумулятора 29
2.5. Выбор типа электролита аккумулятора 30
Глава 3. Расчетная часть 31
3.1 Термодинамический расчет 31
3.2 Расчет удельной емкости и удельной энергии. 32
3.3 Материальный расчет. 32
3.4 Расчет удельной мощности 33
4.5 Конструкция аккумуляторной батареи 34
4.5 Тепловой расчет 34
Заключение 39
Список используемой литературы. 40

Литиевые источники тока завоевывают все большую популярность в различных отраслях народного хозяйства - в приборостроении, медицинской, фото, теле и бытовой технике. Спектр их применяемости довольно широк: радиоприемники и сотовые телефоны, калькуляторы и пульты дистанционного управления, слуховые аппараты и приборы контроля артериального давления, электронные часы и дозиметры, приборы ночного видения и детские игрушки, средства охранной сигнализации и защиты памяти электронных устройств (ЭВМ, счетчиков электроэнергии, кассовых аппаратов) [2]. Из других портативных устройств, в которых используются литиевые и литий – ионные аккумуляторы, следует назвать портативные радиостанции (хотя их рынок несравненно меньше рынка сотовых телефонов), электронные записные книжки, видеокамеры, фотоаппараты, в частности цифровые [1]. Литиевые аккумуляторы все шире используются в промышленных товарах, в том числе, в автомобилях , где они входят в состав гибридных энергетических установок, а так же обеспечивают энергоснабжение многочисленных систем автомобиля. Литиевые аккумуляторы используются на железнодорожном, водном и воздушном транспорте, в космической и военной технике.
Интерес вызванный к использованию лития в химических источниках тока можно объяснить следующими факторами: литий является самым легким металлом: его удельный вес составляет 0,56 г/см3, он имеет самый низкий среди всех других металлов электрохимический эквивалент 0,259 г/а?ч, а так же рекордно высокую удельную емкость 3,83 А?ч/г, в то же время он обладает и сильно отрицательным стандартным электрохимическим потенциалом –3,045 В. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Так, реальная удельная энергия элементов системы литий – тионилхлорид превышает 600 Вт?ч/кг, тогда как удельная энергия наиболее энергоемких традиционных ртутно – цинковых элементов составляет около 120 Вт?ч/кг. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением (3,5 – 3,7 В) и значительной емкостью. Помимо перечисленных преимуществ, литиевые источники тока имеют широкий интервал работоспособности ( -50 ? +50 0С), превосходную сохраняемость ( 10 лет и более). К этому надо добавить использование нового, как правило, недефицитного сырья и оригинальных конструктивных решений [1,2].
Литиевые аккумуляторы являются наиболее дорогими из доступных сегодня на рынке. Объем продаж литиевых источников тока в мире в конце XX века был относительно невелик по сравнению с общим объемом продаж традиционных ХИТ. Так, в 1988 году он составлял во всем мире 300 млн. долл. ( в США – 110 млн. долл., или 36,6%, в Японии – 42%, в Западной Европе – 13,9%, остальное в других странах Азии). Но применение новых катодных материалов, и массовость производства (ежемесячный объем производства у ведущих производителей перевалили за 50 млн. штук), позволили снизить стоимость Вт?ч малогабаритных литиевых химических источников тока до $0,35. Причем достижимой в ближайшее время считается задача доведения стоимости до $0,12-0,25 за Вт?ч. Уже сегодня литиевые аккумуляторы очень быстро за¬воевали огромную популярность и практически обеспечили развитие сетей сотовых телефонов. Тем¬пы роста промышленного производства литиевых аккумуляторов поразительны. Так, мировой объем продаж малогабаритных литиевых акку¬муляторов (предназначенных для питания портатив¬ной аппаратуры: сотовых телефонов, пейджеров, видеокамер, ноутбуков, фотоаппаратов, беспровод¬ного инструмента и т.п.) возрос с 1991 по 1997 год с 5 до 2100 млн. долл.. ( указывается, что мировой рынок всех типов литий - ионных аккумуля¬торов в 1996 году оценивается в 5 млрд. долл.) [3]. Годовое производство литиевых аккумуляторов только для сотовых телефонов в 2000 – 2005 годах приблизительно равен 250 – 400 млн. штук. Хотя для питания сотовых телефонов наряду с литий – ионными широко используются также никель – металлогидридные аккумуляторы, доля первых значительно возрастает. За период с 1983 до 1995 потребление перезаряжаемых литиевых химических источников тока производителями мобильных средств связи возросло на 3000%. Уже сейчас около 98% всех мобильных телефонов, производимых в Японии, оснащены литиевыми аккумуляторами.
Наряду с выпуском литий - ионных аккумуля¬торов малых размеров как в Японии, так и в евро¬пейских странах и США, уделяется большое вни¬мание созданию крупногабаритных аккумулято¬ров, пригодных как для электромобиля, так и для сглаживания нагрузок в автономных электросетях. Так, в 2003 году в Токийском университете Keio разработали и построили электромобиль, способный развивать скорость до 310 км/ч. Электромобиль получил название KAZ, что расшифровывается как Keio Advanced Zero-emission vehicle или, если переводить буквально, усовершенствованное транспортное средство с нулевым уровнем излучения Keio. Сообщается, что литий - ионные аккумуляторы электромобиля обеспечивают мощность 55 кВт, распределяемую среди всех колес электромобиля, которых у него целых восемь, однако данных о том, на какой срок хватает заряда аккумуляторов, не приводится. Позднее в 2003 году компания GAIA представила прототип новой 12 – вольтовой литий – ионной аккумуляторной батареи, срок жизни которой гораздо больше, чем у обычной. Хоть прототип в двое больше и в полтора раза тяжелее обычного аккумулятора, однако литий – ионная полимерная технология позволяет продлить жизнь аккумулятора в несколько раз.
В последнее время для литиевых источников тока нашлось новое применение – смарт-карты. Смарт-карта – пластиковая карта со встроенным источником питания – химическим источником тока. Смарт-карты – карты универсального применения с большими функциональными возможностями для использования в качестве единого документа в платежных системах, для банковских расчетов, на транспорте, универсального документа для идентификации человека в различных системах контроля доступа, хранения личных информационных данных. Потребности в картах с батареями к 2007 году оценивается в 40 млн. штук. Есть другие смарт-карты. Их применение касается запитки мини цифрового дисплея, встроенного в карточку. Потребность 350000 в 2004 году и 5000000 карт в 2005 году.
Если в первой половине девяностых годов производство вторичных литиевых источников тока было практически мо¬нополизировано японскими фирмами (по данным на 2000год объем производства (в стоимостном выражении) литий – ионных и литий – полимерных аккумуляторов распределяется следующим образом: Sanyo - 27%; Sony – 19%; Matsushita – 18%; Melcotec – 13%; Toshiba – 10%; остальные – 13%), то к настоя¬щему времени серьезную конкуренцию этим фирмам составляют многочисленные китайские компании (Лишен, Шен-Жен Олип, Руфер, HYB Бэттери, BYD Бэттери, Пауэр Тек Интернешнл, Аллитек, Ухань Лизинь Рауэр Соурсез, Пасифик Энержитек и др.), а также солидные производители в ФРГ (Варта), Франции (САФТ), США (Игл Пичер, Энерджайзер, Рэйовак, Беллкор, Ярдни и др.), Канаде (Моли) [1].
В последнее время все больше внимания уделяется разработкам источников энергии с высокими энергетическими параметрами, способными конкурировать с традиционными источниками тока, используемыми в этой области.
Одной из таких систем является предложенный в этой работе вторичный химический источник тока на основе системы литий-углерод – марганцевая шпинель, легированная литием. Одними из несомненных преимуществ которого являются: высокое и стабильное напряжение разряда, высокие удельная мощность и энергия, а также невысокое значение массогабаритных показателей. В данной работе разрабатывается мощный источник тока.

В данной работе был разработан мощный литий-ионный аккумулятор на основе системы литий-углерод — марганцевая шпинель, легированная литием. Напряжение одного элемента составляет 3,8 В, габариты 200?250?0,3 мм при весе 945 г, емкость — 100 А?ч. Напряжение батареи составляет 98,8 В, габариты 200?250?7,8 мм при весе 24,57 кг, ёмкость — 100 А А?ч
Для данного аккумулятора были проведены термодинамический, материальный и тепловой расчеты, а так же определены удельные показатели: удельная емкость, удельная энергия и удельная мощность.
Было исследовано влияние электропроводной добавки в активной массе катода на электрохимические характеристики элемента. Экспериментальное исследование проводилось для пирографита PR-3 и пенографита. В результате выявлено, что наилучшими характеристиками обладает элемент с пенографитом.
Было исследовано влияние доли твердо-полимерного электролита на разрядные характеристики элемента. В результате было установлено, что лучшими разрядными характеристиками обладает элемент с 10% содержанием твердо-полимерного электролита в активной массе катода.
Проанализировав полученные результаты для разработанного вторичного источника тока и сравнив их с требованиями, которые предъявляются к химическим источникам тока для смарт-карт, можно сказать, что разработанный в данной работе литиевый аккумулятор полностью удовлетворяет всем требованиям и его можно использовать в качестве химического источника тока для смарт-карт.

Литий-ионный аккумулятор на основе системы литий-углерод.
+7

Вертикальные вкладки