Полный разряд литий ионного аккумулятора. Зарядка происходит в несколько этапов

Большинство современных электронных устройств, таких как ноутбук, телефон или плеер, комплектуются литий ионными аккумуляторами, которые выступают автономными источниками питания. Данные ионные батареи были разработаны сравнительно недавно, но благодаря своим характеристикам завоевали большую популярность среди конструкторов и производителей гаджетов. Сейчас, кроме различных бытовых приборов, такими источниками питания оснащены многие инструменты для отделки и ремонта, шуруповерты или отрезные машинки. В данной статье рассмотрены виды литий ионных аккумуляторов, сферы их применения и принцип работы.

Виды литий ионных аккумуляторов

Аккумуляторные батареи, работающие по принципу накапливания энергии и выдачи ее на потребляемый прибор, бывают нескольких видов, которые можно объединить в один литий ионных блок. К таким батареям относятся:

Литий кобальтовый аккумулятор. Такой прибор состоит из графитового анода и катода, изготовленных из оксида кобальта. Катод имеет пластинчатое строение с зазорами между деталями, поэтому при потреблении питания ионы лития подаются на пластины от анода, возникает электромагнитная реакция, и на клеммы поступает напряжение. Минусом такой системы является слабая устойчивость механизма к перепадам температуры, так как при отрицательных показателях происходит разрядка батареи, даже если она не подключена к потребителю. Во время подзарядки изделия направление тока меняется, и ионы лития поступают через катоды на аноды, происходит их накопление, и напряжение повышается. Категорически запрещается подключать зарядное устройство к батарее, номинальное напряжение которого выше показателя детали, в противном случае аккумулятор может перегреться, пластины расплавятся, а корпус треснет;
Литий марганцевая батарея. Также относится к литий ионным аккумуляторам, рабочая среда которых изготовлена из марганцевой шпинели в виде трехмерных крестообразных тоннелей. В отличие от кобальтовой системы, такой тип основы обеспечивает беспрепятственное прохождение ионов лития от анода до катода и далее на контакты прибора. Основным преимуществом литий ионного марганцевого аккумулятора является низкое сопротивление материала, поэтому такие АКБ часто используются для гибридного автотранспорта, инструмента, потребляющего большое количество тока, или в медицинском оборудовании, работающем автономно. Допускается нагрев батареи во время подзарядки до 80 градусов, а номинальный ток может быть до 20-30 Ампер. Не рекомендуется воздействовать на АКБ током, напряжение которого выше 50А, более двух секунд, иначе шпинели могут перегреться и выйти из строя;

Литий ионные аккумуляторные батареи с железо-фосфатным катодом. Такая батарея встречается редко из-за сравнительно высокой стоимости производства, ее конечная цена немного выше, чем у других литий ионных аккумуляторов. Фосфатный катод имеет большое преимущество: это срок службы изделия и значительно превосходящая аналогичные приборы периодичность подзарядки. Чаще всего данные АКБ имеют гарантию от 10 до 50 лет или около 500 циклов зарядки. Благодаря таким показателям, батареи с фосфатом железа часто применяются в промышленности, когда необходимо получить высокое напряжение на выходе;
Литий никель марганец кобальт оксидные ионные аккумуляторные батареи. Это самая практичная, с точки зрения стоимости производства и надежности готового изделия, комбинация материалов для изготовления катода. Благодаря электрохимическим свойствам перечисленных веществ, выполненный из них катод обладает низкими показателями сопротивления, поэтому во время долгого простоя батареи, разряжение будет минимальными. Также с помощью увеличения размера стакана или ячейки катода можно повысить общую емкость аккумулятора или увеличить напряжение тока. Секрет кроется в сочетании марганца и никеля, которое при правильном комбинировании создает цепочку с высокими показателями электрохимических свойств;
Литий титанатный аккумулятор. Разработан в начале 80-х годов, в отличие от ионных батарей с графитовым сердечником, катод этого прибора изготавливается из нанокристаллов титаната лития. Катод из этого материала позволяет осуществлять подзарядку батареи за короткий промежуток времени и сохранять напряжение с нулевым сопротивлением. Данный агрегат часто используется в автономных системах уличного освещения, когда за короткий срок необходимо накопить энергию и отдавать ее на потребителя долгое время. Минусом такой системы является сравнительно высокая стоимость готового аккумулятора, но она быстро окупается за счет повышенного срока эксплуатации детали.

Важно! Все перечисленные литий ионные батареи относятся к не обслуживаемым аккумуляторам, поэтому в случае повреждения или выхода из строя отремонтировать или выполнить сервисные работы по добавлению электролита не получится. Любые манипуляции по вскрытию крышки АКБ приведут к разрушению пластин батареи и полному выходу из строя.

Принцип работы литий ионных батарей

Все литий ионные аккумуляторы имеют схожую структуру, которая имеет несколько незначительных отличий, не влияющих на принцип работы детали. Наружная оболочка изготавливается из композитного материала, пластика или тонкого цветного металла, что встречается очень редко. Чаще всего, аккумулятор состоит из пластикового корпуса, металлических клемм для контакта с потребителем и внутренних стержней с положительным и отрицательным напряжением. Заряд внутреннего лития осуществляется путем подключения внешнего прибора со стабильным током, но каждое изделие имеет первичную зарядку, которая возникает вследствие химической реакции между анодом и катодом.

Процессы на отрицательном электроде, выполненном из углеродистого материала, который имеет вид природного слоеного графита, беспорядочны, заряженные электричеством атомы движутся по матрице, не теряя при этом напряжение. Все показатели в этом секторе имеют отрицательное значение.

Положительный электрод литиевого аккумулятора изготавливается исключительно из оксидов кобальта или никеля, а также из литий марганцевых шпинелей. Во время разряда ионы лития отходят от углеродного сердечника и, вступив в реакцию с кислородом, проникают сквозь катод и устремляются наружу, но при этом они не могут покинуть тело батареи. Заряженные ионы лития теряют свое напряжение и остаются на поверхности анода до момента зарядки лития. Во время заряда весь процесс происходит в обратной последовательности.

Конструкция литий ионной батареи

Как щелочной элемент питания, литиевый аккумулятор производится в виде цилиндра или может иметь призматическую форму. В цилиндрической батарее в качестве сердечника используются свернутые в рулон электроды, изолированные специальной оболочкой и помещенные в металлический корпус, который связан с отрицательно заряженными элементами. Для соблюдения полярности минусовый контакт располагается снизу, а плюсовой – на верху детали, причем данные элементы между собой не должны соприкасаться, иначе ток будет циркулировать по проводнику, что приведет к самопроизвольному разряжению.

Призматическая форма литий ионной батареи встречается весьма часто. В данной конструкции сердечник формируется путем складывания друг на друга специальных пластин, которые находятся на минимальном расстоянии между собой. Такая система позволяет обеспечить более высокие технические характеристики, но из-за плотного прилегания пластин во время того, как аккумуляторы заряжаются, возможны перегрев сердечника и оплавление сетки, что приводит к снижению продуктивности детали.

Нередко можно встретить комбинированную систему устройства литий ионной батареи, когда скручиваемые в рулон электроды формируются в овальный цилиндр. При этом соблюдаются правила плавности перехода, и в то же время прямой участок имитирует пластинчатую форму. Такие аккумуляторы обладают характеристиками обоих видов изделий, срок их эксплуатации намного выше.

Во время химической реакции и работы аккумулятора внутри корпуса образуются газы, которые содержат в себе вредные вещества. Для оперативного отвода этих паров в корпусе литий ионных батарей имеется выпускное отверстие, которое имеет связь с банками и вовремя отводит скопившейся газ из полости АКБ. Некоторые батареи с высокой мощностью оборудованы специальным клапаном, который срабатывает во время критического скопления паров.

Проверка литий ионной батареи

Заряды лития внутри АКБ нуждаются в периодической проверке, несмотря на то, что указанная батарея считается не обслуживаемой, так как ее корпус запаян, элемент питания все равно необходимо проверять с помощью специального прибора.

Проверка всегда начинается с наружного осмотра, во время которого проверяется корпус детали на наличие трещин и деформаций. Также осматриваются клеммы АКБ, производится очистка от окисления и других загрязнений.

Важно! Необходимо содержать батарею в чистоте, не допуская замыкания между собой контактов, так как это может привести к полной разрядке аккумулятора, восстановить его будет весьма проблематично.

Для проверки внутреннего состояния сердечника используется нагрузочная вилка, которая подключается к клеммам и измеряет номинальное напряжение в сети. Затем на АКБ подается разряд, и прибор считывает показатели по удержанию тока внутри детали. Важно учитывать, что на момент проверки батарея должна быть полностью заряжена, иначе показатели будут неточными.

Применение литий ионных аккумуляторов

Литий ионные батареи используются во многих сферах в зависимости от их комплектации, формы и номинального напряжения. Самое распространённое применение АКБ – это автомобилестроение, в каждом транспортном средстве имеется свой источник питания, который отвечает за запуск авто и исполняет другие функции.

Также указанные батареи применяются в мобильных устройствах, ноутбуках и других гаджетах. Устройство подобных элементов питания схоже с автомобильными, единственное отличие заключается в габаритах изделий, которые могут быть размером со спичечную коробку.

В последнее время стало популярным внедрять литий ионные аккумуляторы в системы бесперебойного питания дома и в качестве аварийных источников электричества, при этом на постоянной основе батарея подключена к центральной сети. Во время работы приборов от простой электростанции производится зарядка АКБ, а когда питание отключается, она автоматически начинает отдавать ток на потребителя. При этом перезаряжаемую батарею необходимо правильно расположить и обеспечить ее системами защиты от перегрева.

Видео

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

Особенности тестирования

Тесты на количество циклов проводились при разрядке током 1С, для каждого аккумулятора проводились циклы разрядки/зарядки до достижения 80% емкости. Такое число было выбрано исходя из сроков тесто и для возможного сравнения результатов впоследствии. Число полных эквивалентных циклов - до 7500 в некоторых тестах.
Тесты на срок службы проводились при различных уровнях заряда и температуре, каждые 40-50 дней проводились измерения напряжения для контроля разряда, длительность тестов составляла 400-500 дней.

Главной сложностью в экспериментах являются расхождения в заявленной емкости и реальной. Все аккумуляторы имеют емкость выше, чем заявленная, от 0,1% до 5%, что вносит дополнительный элемент непредсказуемости.

Наиболее часто использовались аккумуляторы NCA и NMC, но также тестировались литий-кобальт и литий-фосфатные аккумуляторы.

Немного терминов:
DoD - Depth of Discharge - глубина разряда.
SoC - State of Charge - уровень заряда.

Использование аккумуляторов

Количество циклов

На данный момент есть теория, что зависимость количества циклов, которые может выдержать аккумулятор от степени разряда аккумулятора в цикле имеет следующий вид (синим обозначены циклы разрядки, черным - эквивалентные полные циклы):

Данная кривая носит названия кривой Вёлера (Wöhler). Основная идея пришла из механики о зависимости числа растяжений пружины от степени растяжения. Начальное значение в 3000 циклов при 100% разряде батарей является средневзвешенным числом при разряде в 0,1С. Какие-то аккумуляторы показывают лучшие результаты, какие-то хуже. При токе 1С число полных циклов при 100% разряде падает с 3000 до 1000-1500 в зависимости от производителя.

В целом, данное соотношение, представленное на графиках, получило подтверждение по результатам экспериментов, потому целесообразным является зарядка аккумулятора при любой возможности .

Расчет суперпозиции циклов

При эксплуатации аккумуляторов возможна работа при одновременном наличии двух циклов (например, рекуперативное торможение в автомобиле):

Получается следующий комбинированный цикл:

Возникает вопрос, как это сказывается на эксплуатации аккумулятора, сильно ли уменьшается ресурс аккумулятора?

По результатам экспериментов комбинированный цикл показал результаты, как от сложения полных эквивалентных циклов двух независимых циклов. Т.е. относительная емкость аккумулятора в комбинированном цикле падала соответственно сумме разрядов на малом и большом циклах (линеаризованный график представлен ниже).

Влияние больших циклов разрядки более существенно, а значит подтверждается то, что аккумулятор лучше заряжать при каждой возможности.

Эффект памяти

Эффект памяти литий-ионных аккумуляторов по результатам экспериментов отмечен не был. При различных режимах его полная емкость все равно впоследствии не изменялась. В то же время есть ряд работ, которые подтверждают наличие данного эффекта в литий-фосфатных и литий-титановых аккумуляторах.

Хранение аккумуляторов

Температуры хранения

Тут никаких необычных открытий не было сделано. Температуры 20-25°C являются оптимальными (в обычной жизни) для хранения аккумулятора , если его не использовать. При хранении аккумулятора при температуре в 50°C деградация емкость идет практически в 6 раз быстрее.
Естественно более низкие температуры лучше для хранения, но в быту это означает специальное охлаждение. Так как температура воздуха в квартире, как правило, 20-25°C, то и хранение скорее всего будет при такой температуре.

Уровень заряда

Как показали испытания, чем меньше заряд тем медленнее идет саморазряд аккумулятора. Измерялась емкость аккумулятора, какой бы она была при его дальнейшем использовании после длительного хранения. Наилучший результат показали аккумуляторы, которые хранились с зарядом близким к нулю.
В целом хорошие результаты показали аккумуляторы, которые хранились не более чем с 60% уровнем заряда на момент начала хранения. Цифры отличаются от приведенных ниже для 100% заряда в худшую сторону (т.е. аккумулятор придет в негодность ранее, чем указано на рисунке):

Рисунок взят из статьи 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
В то же время цифры для малого заряда более оптимистичны (94% после года при температуре 40°C для хранения при SOC 40%).
Так как 10% заряд непрактичен, так как время работы при таком уровне весьма маленькое, хранить аккумуляторы оптимально при SOC 60% , что позволит применить его в любой момент и не скажется критично на сроке его службы.

Основные проблемы результатов экспериментов

Никто не проводил тесты, которые можно считать на 100% достоверными. Выборка, как правило, не превышает пары тысяч аккумуляторов из миллионов произведенных. Большинство исследователей не могут представить достоверные сравнительные анализы по причинам недостаточной выборки. Также результаты этих экспериментов зачастую являются конфиденциальной информацией. Так что данные рекомендации не обязательно подходят к вашему аккумулятору, но могут считаться оптимальными.

Итоги экспериментов

Оптимальная частота зарядки - при каждой возможности.
Оптимальные условия хранения - 20-25°C при 60% заряде аккумулятора.

Источники

1.Курс «Battery Storage Systems», RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer

Батарея литиевая является безопасным и энергоемким устройством. Ее главное преимущество — работа без зарядки на протяжении долгого времени. Она может функционировать при действии даже самых низких температур. Из-за своей способности сохранять энергию батарея литиевая превосходит другие виды. Именно поэтому с каждым годом их производство увеличивается. Они могут быть двух форм: цилиндрической и призматической.

Применение

Они широко применяются в компьютерной технике, мобильных телефонах и другой технике. Зарядные устройства литиевых батарей обладают рабочим напряжением 4 В. Важнейшие преимущество - работа при большом диапазоне температур, что находятся в пределах от -20 °С до +60 °С. На сегодняшний день существуют такие батареи, которые способны функционировать при температуре ниже -30 °С. С каждым годом разработчики пытаются увеличить как положительный, так и отрицательный диапазон температур.

В первое время батарея литиевая теряет порядка 5 % своей емкости, и с каждым месяцем эта цифра увеличивается. Данный показатель лучше, чем у других представителей батарей. В зависимости от зарядного напряжения они могут прослужить от 500 до 1000 циклов.

Типы литиевых батарей

Существуют такие виды литиевых аккумуляторов, которые встречаются в разных сферах бытового и промышленного хозяйства:

литий-ионный — для основного или резервного электроснабжения, транспорта, электроинструмента;
никель-солевой — автомобильный и железнодорожный транспорт;
никель-кадмиевый — судостроение и авиастроение;
железо-никелевый — электропитание;
никель-водородный — космос;
никель-цинковый — фотоаппараты;
серебряно-цинковый — военная отрасль и т. д.

Основным видом являются литиево-ионные батареи. Они используются в сферах электроснабжения, производства электроинструмента, телефонов и т. д. Батареи могут функционировать при температуре от -20 ºС до +40 ºС, но ведутся разработки по увеличению данных диапазонов.

При напряжении всего 4 В выделяется достаточное количество удельного тепла.

Они подразделяются на разные подтипы, которые отличаются между собой составом катода. Он изменяется путем замены графита или добавлением к нему специальных веществ.

Литиевые батареи: устройство

Как правило, такие устройства производятся призматической формы, но встречаются модели и в цилиндрическом корпусе. Внутренняя часть состоит электродов или сепараторов. Для изготовления корпуса используют сталь или алюминий. Контакты выводятся на крышку аккумулятора, причем они должны быть изолированными. батареи призматического типа содержат определенное количество пластин. Они уложены друг на друга. Чтобы обеспечить дополнительную безопасность, батарея литиевая имеет специальное устройство. Оно находится внутри и служит для контроля рабочего процесса.

В случае возникновения опасных ситуаций прибор отключает аккумулятор. Кроме того, оборудование обеспечивается внешней защитой. Корпус абсолютно герметичный, поэтому не происходит вытекания электролита, а также попадания воды внутрь. Электрический заряд появляется за счет ионов лития, которые взаимодействуют с кристаллической решеткой других элементов.

Шуруповерт с литиевой батареей

В нем могут быть установлены три вида аккумуляторов, которые отличаются по своему катодному составу:

кобальта-литиевые;
литий-феррофосфатные;
литий-марганцовые.

Шуруповерт с литиевой батареей отличается от других низким уровнем саморазрядки. Еще одно важное преимущество — не требует обслуживания. При поломке литиевого аккумулятора его можно выбросить, так как он не наносит вреда человеку и окружающей среде. Единственный минус — низкая зарядка литиевых батарей, а также высокие требования к безопасности. Тяжело выполнить его зарядку при отрицательных температурах.

Основные характеристики

Именно от технических характеристик зависит работа шуруповерта, состояние его мощности, время возможного функционирования. Среди остальных технических показателей выделяют:

напряжение одного аккумулятора в приборе может находиться в пределах от 3 до 5 В;
показатель максимальной энергоемкости доходит до 400 Вт-ч/л;
потеря собственного заряда на 5 %, а со временем на 20 %;
комплексный режим зарядки;
полная зарядка батареи происходит за 2 часа;
сопротивление от 5 до 15 мОм/А-ч;
количество циклов — 1000 раз;
срок службы — от 3 до 5 лет;
использование разных видов тока при определенных емкостях аккумулятора, например, емкость 65 ºС — используется постоянный ток.

Производство

Большинство производителей стремятся сделать электрические инструменты более совершенными и отвечающими современным технологиям.

Для этого необходимо предусмотреть в конструкции хорошие аккумуляторы. Наиболее популярными фирмами-производителями являются:

Фирма Bosh. Литиевая аккумуляторная батарея изготавливается по новой технологии ECP. Именно она контролирует разряд устройства. Еще одним ее полезным свойством является защита от перегрева. При высокой мощности специальное устройство понижает температуру. В конструкции батареи предусмотрены отверстия, которые служат в качестве вентиляции и охлаждают аккумулятор. Еще одна технология — Charge, благодаря которой зарядка происходит намного быстрее. Кроме того, компания Bosh производит аккумуляторы для различных электрических инструментов. Многие пользователи оставляют хорошие отзывы о данной фирме.
Компания Makita. Она производит собственные микросхемы, которые контролируют все рабочие показатели и процессы в аккумуляторе, например, температура, содержание зарядки. Благодаря этому можно подобрать режим зарядки и время ее проведения. Такие микросхемы увеличивают срок эксплуатации. Батареи изготовляются с достаточно мощным корпусом, поэтому они не подвергаются механическим воздействиям.
Фирма Hitachi. Благодаря ее новейшим технологиям вес и габаритные размеры аккумулятора уменьшаются. Именно поэтому электрический инструмент становится легким и мобильным.

Особенности эксплуатации

При использовании аккумулятора необходимо придерживаться таких правил:

Не нужно использовать литиевую батарею для отдельных незащищенных элементов, и покупать дешевые китайские детали. Такое устройство не будет безопасным, так как будет отсутствовать система, защищающая от короткого замыкания и повышенных температур. То есть при значительном перегреве батарея может взорваться, и срок ее службы будет гораздо меньше.
Нельзя нагревать аккумулятор. При возрастании температуры внутри устройства повышается давление. Эти действия приведут к взрыву. Поэтому не нужно открывать верхнюю крышку батареи и ставить ее в места, подвергающиеся воздействию солнечных лучей. Такие действия сократят срок эксплуатации.
Нельзя подносить к контактам, находящимся вверху крышки, дополнительные источники электричества, так как может возникнуть короткое замыкание. Встроенные системы защиты не всегда помогут в данном вопросе.
Заряжать аккумулятор необходимо с соблюдением всех правил. При зарядке следует использовать такие которые равномерно распределяют ток.
Процедуру зарядки аккумулятора проводят при положительной температуре.
Если возникла необходимость подключения нескольких литиевых батарей, то нужно использовать модели одного и того же производителя, и схожие по техническим характеристикам.
Хранить литиевые батареи следует в сухом месте, которое не подвергается солнечным лучам с температурой более 5 ºС. При воздействии на оборудование высоких температур заряд будет снижаться. Перед хранением в зимний период года аккумулятор заряжают на 50 % своей емкости. Следует следить, чтобы батарея полностью не разрядилась. Если это произошло — срочно зарядить ее. При возникновении на корпусе механических повреждений, а также признаков ржавчины, прибор использовать нельзя.
Если при работе возникает значительный перегрев батареи, появление дыма, то следует немедленно прекратить ее использование. После этого переместить поврежденное устройство в безопасное место. Если из корпуса выделяется вещество, то нужно не допустить его попадание на кожу или другие органы.
Запрещается выкидывать и сжигать литиевые аккумуляторы. Их утилизация происходит при механических повреждениях корпуса, взрывах или попадании внутрь воды или пара.

О возгорании

Если случилось возгорание литиевого аккумулятора, то его нельзя тушить водой и огнетушителем — углекислота и вода может вступать в реакцию с литием. Чтобы потушить его, следует использовать песок, соль, а также с помощью плотной ткани.

Процесс зарядки

Литиевая батарея, зарядное от которой подключается к постоянному току, заряжается при напряжении от 5 В и выше.

При этом существует минус — они неустойчивы к перезаряду. Повышение температуры внутри корпуса приводит к его повреждениям.

В инструкции к эксплуатации указан специальный уровень. При его достижении следует производить его зарядку. Если повышать напряжение при зарядке свойства литиевого аккумулятора существенно снизятся.

Как говорилось ранее, батареи составляет 3 года. Чтобы сохранить данный срок, необходимо придерживаться условий эксплуатации, зарядки и хранения. Кроме того, они должны постоянно функционировать, а не храниться.

Перезаряд

В конструкции батареи предусмотрена система перезаряда, поэтому зарядное устройство можно не отключать и не бояться, что состав внутри закипит, как это случается с автомобильными АКБ.

Если оборудование будет храниться более одного месяца, его необходимо полностью разрядить. Это существенно продлит срок эксплуатации.

Стоимость

Цена литий-ионной батареи зависит от емкости и технических характеристик.

В среднем она варьируется в пределах от 100 до 500 рублей. Несмотря на такую стоимость, многие пользователи оставляют положительные отзывы. Среди положительных сторон выделяют большой диапазон рабочих температур, высокую мощность и способность работы более чем на 1000 циклов (порядка 3 лет интенсивного пользования). Устройства широко используются в разных сферах, поэтому их пользу может оценить каждый человек.

Итак, мы выяснили, что представляют собой литиевые батареи.

Ключевым элементом мобильности электронных устройств является аккумуляторная батарея (АКБ). Растущие требования к обеспечению наиболее длительной их автономности стимулируют постоянные исследования в этой области и ведут к появлению новых технологических решений.

Широко применяемым никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлогидридным (Ni-MH) батареям появилась альтернатива – сначала литиевые аккумуляторы, а затем более совершенные литий-ионные (Li-ion) АКБ.

История появления

Первые подобные аккумуляторы появились еще в 70-е гг. прошлого века. Они сразу получили востребованность благодаря более совершенным характеристикам. Анод элементов был изготовлен из металлического лития, свойства которого позволили повысить удельную энергию. Так появились литиевые аккумуляторы.

У новых батарей был весомый недостаток – повышенная опасность взрыва и воспламенения. Причина крылась в образовании на поверхности электродов литиевой пленки, которая приводила к нарушению температурной стабильности. В момент максимальной нагрузки батарея могла взорваться.

Доработка технологии привела к отказу от чистого лития в компонентах АКБ в пользу использования его положительно заряженных ионов. Литий-ионный аккумулятор оказался удачным решением.

Данному типу ионных аккумуляторов свойственна более высокая безопасность, которая получена за счет небольшого снижения энергетической плотности, но постоянный технологический прогресс позволил свести проигрыш по этому показателю к минимуму.

Устройство

Внедрение литий-ионных аккумуляторов в производство бытовой электроники получило прорыв после разработки батареи с катодом из углеродного материала (графита) и анодом из оксида кобальта.

В процессе разряда батареи происходит выведение ионов лития из материала катода и их включение в оксид кобальта противоположного электрода, при зарядке процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, электрический ток создают ионы лития, перемещаясь от одного электрода к другому.

Li-Ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и призматическом исполнении. В цилиндрической конструкции две ленты плоских электродов, разделенных пропитанным электролитом материалом, свернуты в рулон и помещены в герметичный металлический корпус. Катодный материал нанесен на алюминиевую фольгу, анодный – на медную фольгу.

Призматическую конструкцию аккумулятора получают при укладывании прямоугольных пластин друг на друга. Такая форма батареи дает возможность сделать компоновку электронного устройства более плотной. Также выпускаются призматические АКБ с рулонными электродами, скрученными в спираль.

Эксплуатация и срок службы

Долгая, полноценная и безопасная работа литий-ионных аккумуляторов возможна при соблюдении правил эксплуатации, пренебрежение ими не только сократит срок службы изделия, но может привести к негативным последствиям.

Эксплуатация

Ключевое требование к эксплуатации Li-Ion батарей касается температуры – нельзя допускать перегрева. Высокая температура способна причинить максимальный вред, причем причиной перегрева может быть как внешний источник, так и стрессовые режимы заряда и разряда батареи.

Например, нагрев до 45°C приводит к снижению способности удержания заряда АКБ в 2 раза. Такая температура легко достигается при долгом пребывании устройства на солнце или при работе энергетически затратных приложений.

Для наилучшего сохранения работоспособности АКБ в условиях летней жары стоит использовать энергосберегающий режим, который имеется на большинстве мобильных устройств.

Низкие температуры тоже отрицательно действуют на ионные аккумуляторы, при температуре ниже -4°C батарея уже не может отдавать полную мощность.

Но холод не так вреден для Li-Ion батарей, как высокая температура, и чаще всего не приводит к необратимому ущербу. Несмотря на то что после прогрева до комнатной температуры рабочие свойства АКБ полностью восстанавливаются, о снижении емкости на холоде не стоит забывать.

Еще одна рекомендация по эксплуатации Li-Ion аккумуляторов – не допускать их глубокой разрядки. Многие АКБ предыдущих поколений обладали эффектом памяти, который требовал разрядки до нуля с последующей полной зарядкой. Li-Ion батареи лишены такого эффекта, при этом единичные случаи полной разрядки не приводят к негативным последствиям, но постоянная глубокая разрядка вредна. Рекомендуется подключать зарядное устройство при уровне зарядки 30%.

Срок службы

Неправильная эксплуатация Li-Ion аккумуляторов способна сократить срок их службы в 10-12 раз. Этот срок напрямую зависит от количества зарядных циклов. Считается, что АКБ Li-Ion типа могут выдерживать от 500 до 1000 циклов с учетом полной разрядки. Более высокий процент остающегося заряда перед началом следующей зарядки существенно увеличивает срок службы АКБ.

Поскольку длительность сохранения работоспособности Li-Ion аккумуляторов в немалой степени определяется условиями эксплуатации, невозможно назвать точный срок службы этих батарей. В среднем, можно ожидать, что батарея такого типа прослужит 7-10 лет при соблюдении требуемых правил.

Процесс зарядки

При зарядке следует избегать избыточно долгого подключения АКБ к зарядному устройству. Нормальное функционирование литий-ионного аккумулятора проходит при напряжении, не превышающем 3,6 В. Зарядные устройства в процессе зарядки подают на вход АКБ 4,2 В. Если превысить время заряда, в аккумуляторе могут начаться нежелательные электрохимические реакции, которые повлекут за собой перегрев со всеми вытекающими последствиями.

Разработчики учли такую особенность – безопасность заряда современных Li-Ion батарей контролируется специальным встроенным устройством, останавливающим процесс зарядки при увеличении напряжения выше допустимого уровня.

Для литиевых АКБ правильным является двухступенчатый способ заряда. На первом этапе батарею нужно заряжать, обеспечивая постоянный зарядный ток, второй этап должен проходить с обеспечением постоянного напряжения и постепенным снижением зарядного тока. Такой алгоритм аппаратно реализован в большинстве бытовых зарядных устройств.

Хранение и утилизация

Литий-ионный аккумулятор может храниться достаточно долго, саморазряд составляет 10-20% в год. Но при этом происходит постепенное снижение характеристик изделия (деградация).

Процесс утилизации литий-ионных элементов должен проводиться на специализированных предприятиях, имеющих соответствующую лицензию. Около 80% материалов утилизированных АКБ может использоваться повторно в производстве новых батарей.

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор даже миниатюрных размеров таит в себе риски взрывного самовозгорания. Такая особенность этого типа АКБ требует соблюдения мер безопасности на всех этапах, от разработки до производства и хранения.

Для повышения безопасности Li-Ion аккумуляторов при изготовлении в их корпус помещают небольшую электронную плату – систему контроля и управления, которая призвана исключить перегрузки и перегрев. Электронный механизм увеличивает сопротивление цепи при росте температуры выше заданного предела. Некоторые модели батарей имеют встроенный механический выключатель, разрывающий цепь при росте давления внутри АКБ.

Также в корпусах батарей часто устанавливают предохранительный клапан, сбрасывающий давление в экстренных случаях.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

высокая энергетическая плотность;
отсутствие эффекта памяти;
длительный срок эксплуатации;
низкий показатель саморазряда;
отсутствие необходимости обслуживания;
обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

риск самовозгорания;
более высокая, чем у предшественников, стоимость;
необходимость наличия встроенного контроллера;
нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Область применения

Высокий показатель энергоплотности литий-ионных батарей определяет основную сферу их применения – мобильные электронные устройства: ноутбуки, планшеты, смартфоны, видеокамеры, фотоаппараты, навигационные системы, различные встроенные датчики и ряд других изделий.

Существование цилиндрического форм-фактора этих аккумуляторов позволяет использовать их в фонариках, стационарных телефонах и прочих устройствах, ранее потреблявших энергию от одноразовых батареек.

Литий-ионный принцип построения АКБ имеет несколько разновидностей, виды отличаются по типу применяемых материалов (литий-кобальтовый, литий-марганцевый, литий-никель-марганец-кобальт-оксидный и др.). Каждый из них находит свою сферу применения.

Помимо мобильной электроники, группа литий-ионных АКБ применяется в следующих областях:

электроинструменты ручного типа;
портативное медицинское оборудование;
источники бесперебойного электропитания;
охранные системы;
модули аварийного освещения;
станции на солнечных батареях;
электромобили и электровелосипеды.

Учитывая постоянное совершенствование литий-ионной технологии и успехи в создании АКБ большой емкости при малых размерах, можно прогнозировать расширение областей применения таких аккумуляторов.

Маркировка

Параметры литий-ионных нанесены на корпус изделия, при этом применяемая кодировка может существенно отличаться для разных типоразмеров. Единый для всех производителей стандарт маркировки АКБ пока не разработан, но самостоятельно разобраться с самыми важными параметрами все же возможно.

Буквы в строке маркировки указывают на тип элемента и использованные материалы: первая буква I означает литий-ионную технологию, следующая буква (C, M, F или N) уточняет химический состав, третья буква R означает, что элемент является перезаряжаемым (Rechargeable).

Цифры в названии типоразмера означают размер аккумулятора в миллиметрах: две первые цифры – диаметр, а две другие – длина. Например, 18650 указывает, что диаметр составляет 18 мм, а длина – 65 мм, 0 обозначает цилиндрический форм-фактор.

Последние в ряду буквы и цифры – специфическая для каждого производителя маркировка емкости. Для указания даты изготовления также не существует единых стандартов.

Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.

Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.

За это время решались в основном вопросы с безопасность использования литиевых аккумуляторов, подбором материалов и т. п. Вторичные литиевые элементы с апротонными электролитами и разновидность с твёрдым катодом похожи по электрохимическим процессам, протекающих в них. В частности, на минусовом электроде идёт анодное растворение лития. В кристаллическую решётку плюсового электрода идёт внедрение лития. Когда аккумуляторный элемент заряжается, то процессы на электродах идут в обратном направлении.

Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.

Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.

Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:

TiS2 (дисульфид титана);
Nb(Se)n (селенид ниобия);
сульфиды и диселениды ванадия;
сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.

Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.

С анодом возникли главные сложности при создании литиевых аккумуляторов. Точнее в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение Li. При этом образуется поверхность с очень высокой активностью. Литий осаждается на поверхности катода в виде дендритов и в результате образуется пассивная плёнка.

Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.

В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.

Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.

Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.

Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

Как показали исследования, лучше всего подходят сплав Li с тяжёлыми металлами. Примером может служить сплав Вуда. Они хорошо показали себя в плане сохранения удельного объёма, но удельные характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.

В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про по указанной ссылке.