Литий-ионные Li-ion аккумуляторы и батареи

Необходимость дорогостоящих технологий

Использование литиево-ионного аккумулятора для пусковой системы авто обладает неоспоримыми преимуществами. Однако также неопровержимы и недостатки. К наиболее ощутимым достоинствам данной категории батареи относится её малый вес. Если тысячемильные гонки не являются мечтой всей вашей жизни, то пара-тройка килограмм, потерянных при замене источника питания, не сыграют особой роли для автомобиля, томящегося на городских улочках.

Если же вес аккумулятора при выборе играет для вас решающую роль, и несмотря ни на что вы готовы за литиевый комплект отвалить немалую сумму, значит данная технология, предназначена для вас. Учитывая, что подобные устройства, предназначенные для запуска обычных авто, имеют достаточно высокую цену, чтобы избавиться от свинцово-кислотного АКБ, придётся платить.

Правила эксплуатации

Литий-ионные аккумуляторы считаются гораздо более простыми в эксплуатации, чем гибридные никель-металлические батареи. Однако и они нуждаются в определенном уходе. Для того, чтобы эти устройства работали долго и не теряли своих возможностей, их нужно уметь правильно заряжать. Это позволит продлить их жизненный цикл и время работы мобильных приборов без подзарядки. Для того, чтобы правильно эксплуатировать литий ионные аккумуляторы, необходимо учитывать 5 основных правил.

Не допускать полного разряда

Литий-ионные аккумуляторы не имеют эффекта памяти, поэтому их необходимо заряжать до того, как они разрядятся до нуля. Большинство производителей рассчитывают время жизни батареи количеством циклов их полной разрядки до нуля. Как правило, это от 400 до 600 зарядов для качественных аккумуляторов. Поэтому для увеличения срока службы батареи следует почаще заряжать свой телефон или другое мобильное устройство. Как только показатель заряда уменьшается до 10-20 процентов, следует ставить прибор на зарядку. Благодаря этому можно существенно увеличить количество циклов разряда до тысячи и более.

Разряжать не менее 1 раза в 3 месяца

Если вы хотите правильно ухаживать за литий-ионным аккумулятором, то его необходимо разряжать хотя бы 1 раз в 3 месяца. Это связано с тем, что полный заряд на протяжении длительного промежутка времени приносит батарее не меньший вред, чем постоянный разряд до нуля. Поскольку процесс заряда зачастую происходит нестабильно, то специалисты советуют хотя бы раз в 2-3 месяца полностью заряжать батарею и оставлять ее заряженной до 12 часов. Такая процедура позволяет сбросить верхние и нижние флаги аккумуляторного заряда.

Хранить аккумуляторы частично заряженными

Специалисты считают, что наиболее правильно хранить аккумуляторы в частично заряженном состоянии. Наиболее оптимальный вариант — это хранение батарей с уровнем заряда до 50 процентов, но не менее 30 процентов. При этом температура хранения должна быть около 15 градусов. Это самый удачный способ хранения, так как даже если литий ионный аккумулятор находится в состоянии полной зарядки, его емкость может со временем значительно уменьшаться. Однако еще хуже оставлять батареи надолго в разряженном виде. Если она пробыла в таком состоянии длительное время, то тогда ее смело можно отправлять в утиль. Сегодня существуют специальные таблицы, по которым можно рассчитать остаток емкости в зависимости от уровня заряда и температуры окружающей среды.

Использовать только оригинальное зарядное устройство

Не каждый пользователь знает, что большинство мобильных телефонов имеет встроенное внутрь зарядное устройство. В то же время, наружный сетевой адаптер здесь используется только для снижения напряжения и выпрямления тока электросети. Поэтому напрямую на батарею внешний адаптер не влияет и его качество не оказывает существенного влияния на работу аккумулятора. Однако во многих гаджетах, например в цифровых камерах, такого встроенного зарядного устройства нет. В связи с этим литий ионные аккумулятора непосредственно вставляются во внешнее зарядное устройство. Поэтому использование неоригинальных сомнительных адаптеров может существенно снизить работоспособность батареи.

Не допускать перегревания

Чтобы правильно эксплуатировать литий ионные аккумуляторы, необходимо помнить об их температурной чувствительности. В частности, главным врагом таких батарей считается высокая температура. То есть они в принципе не переносят перегревания. Поэтому желательно полностью исключить попадание на ваше мобильное устройство прямых лучей солнца. Кроме того, эти приборы не следует оставлять слишком близко от источников тепла, например электрических обогревателей.

Почему контроллер блокирует работу литиевых батарей

Одна из причин — короткое замыкание, которое возникает при превышении допустимых потенциалов тока внутри АКБ. Защитная плата разрывает электрическую цепь и не восстановит ее до момента устранения КЗ. Для того чтобы разблокировать батарею, в данном случае, бывает достаточно ее подсоединения к заряднику.

Также система защиты срабатывает в том случае, если в аккумуляторе произошел глубокий разряд. Если разряд глубокий, но некритичный, зарядное устройство также может спасти батарейку. Но если она разрядилась до определенного предела, система защиты просто не даст ей «включиться» в работу — в целях обеспечения безопасности. Химические процессы внутри нее могут протекать весьма опасным способом — с образованием внутри металлических литиевых кристаллов. Кристаллы образуют взрывоопасный контакт между плюсовым и минусовым полюсом АКБ, и, если на такую батарейку подать напряжение, может произойти взрыв, который и предотвращает система защиты.

Недостатки

При всех своих положительных свойствах Li-ion батареи имеют и отрицательные стороны. Вот основные:

• Главными недостатками современных литий-ионных батарей является их высокая стоимость и все еще низкая экологичная безопасность;
• Использование Li-ion аккумуляторов в электромобиле не может иметь массовый характер, так как производство лития ограниченно;
• Литиевые батареи достаточно быстро стареют, вне зависимости от того работает ли аккумулятор или просто лежит без дела.
• Холод способствует быстрому разряду батареи. В тоже время низкая температура (3-5 C) является важным фактором, сдерживающим потерю емкости при их хранении.

У литий-инного аккумулятора ограниченный потенциал, который современная наука пока ещё не достигла. Поиски наилучшего материала для катода привели к появлению целого семейства химических источников тока на основе лития, различающихся друг от друга энергоёмкостью и параметрами режимов разряда/заряда. Работа над созданием идеального аккумулятора продолжается.

Новости по теме

Глава альянса Renault-Nissan Карлос Гон официально заявил, что в конце следующего года на рынок выйдет модифицированная версия Leaf,…

Недавно зарубежные СМИ подтвердили готовность альянса Renault-Nissan инвестировать более 5 млрд. долларов США в развитие электрических…

Многие специалисты уже называют открытие Игоря Лузинова и Глеба Юшина прорывом века. Американские ученые русского происхождения обнаружили…

Долгое время область применения воздушно-цинковых элементов питания не выходила за рамки медицины. Высокая емкость и длительный срок…

Технология, разработанная в стенах Массачусетского технологического института (MIT), возможно окажется одним из самых значительных…

После трех с половиной лет исследований компания Volvo продемонстрировала первый прототип S80 с уникальным накопителем энергии,…

Достоинства и недостатки литиевых батарей

Как и любое электрическое оборудование батарейки на основе лития имеют плюсы и минусы в процессе применения. К достоинствам относятся:

• низкий уровень самостоятельного разряда;
• высокая емкость заряда;
• повышенное значение рабочего напряжения аккумуляторных батарей;
• можно ли зарядить литиевую батарею – да;
• высокая надежность;
• просты в применении.

К недостаткам причисляют:

• Повышенную стоимость. Сложная конструкция аккумуляторов, состоящих из батарей. Невозможность использования без контроля за показателями напряжения и тока. В качестве защиты устанавливают контроллер.
• Наступление срока службы с первого дня изготовления. С течением времени элемент теряет свои полезные свойства.
• Пагубное влияние широкого диапазона перепада температур применения.

Разница между щелочными и литиевыми элементами питания

При выборе между алкалиновыми и литиевыми батарейками следует учитывать условия, при которых они будут использоваться.

Важно помнить, что для приборов и аппаратов в которых необходимо питание повышенной мощности, а также если присутствует вероятность возникновения импульсных токов следует использовать элемент питания либо аккумуляторы на основе реакций лития. Нет необходимости приобретать взамен несколько алкалиновых

Напротив, оборудование, где нет импульсных потреблений повышенной мощности обычно применяют щелочные элементы.

Заряжать или не заряжать литиевые батарейки

При покупке необходимо обратить внимание на маркировку указывающую возможность многократного перезаряда. Обычно на элементе указывается надпись «rechargeable», что значит перезаряжаемая

Отсутствие соответствующих указаний на корпусе говорит об одноразовости батарейки. Приобретение заряжаемых элементов может значительно сэкономить затраты на покупку запаса из одноразовых.

В их конструкции зарядных устройств используются средства контроля и защиты. Заряд протекает в два этапа и занимает время от 3 до 8 часов.

Появление литиевых элементов значительно упростило использование переносных приборов и аппаратов с отдельным питанием. Соблюдение правил эксплуатации, хранения и перезарядки таких батареек надолго сохранит их работоспособность и срок службы.

LiFEPO4

Еще один тип, про который я решил поговорить отдельно, считаю его самым перспективным из всех для установки под капот автомобиля.

LiFEPO4, LFP (литий-феррофосфат, либо литий-железо-фосфатный). Катод здесь другой, с применениями фосфатов и железа, основные плюсы:

• Длительный срок службы, медленнее теряет емкость (уже через пару лет он будет иметь большую емкость, чем Li-ion оппонент).
• Стабильное напряжение разряда, напряжение на ячейки 3,2-3,3В (если соединить 4 штуки, дает очень правильное напряжение 12,8В, как раз для автомобиля),
• Здесь нет применения «кобальта» (как в обычных Li-ion), а значит нет такой высокой токсичности и вреда окружающей среде
• Имеет более высокие пиковые токи (чем оппоненты)
• Меньшая скорость разряда
• Термическая стабильность, менее подвержен взрыву и возгоранию
• Переносит крайне низкие температуры, до -40,-50 градусов Цельсия

Есть конечно и минусы, например если сравнить новые элементы, но у него удельная плотность энергии будет ниже чем у обычного литиевого АКБ, примерно на 14-15%. Также для него обязательно нужно использовать платы защиты.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Основные параметры работы такого типа батарей зависят от их химического состава и варьируются в широких пределах. Чтобы при превышении напряжения во время зарядки аккумулятор не загорелся, в его корпус встраивается контроллер заряда. Он защищает устройство от превышения допустимого напряжения заряда. Кроме того, во многих системах этот контроллер опционально может отслеживать температуру батареи и отключать ее при перегревании или же ограничивать ток потребления и глубину заряда. Однако не все современные аккумуляторы такого типа оснащаются подобной защитой

Многие производители стараются гнаться за себестоимостью и емкостью, но при этом не уделяют должное внимание защите

Литий-ионные аккумуляторы Li-ion

Если вы сейчас читаете эту статью с ноутбука, то следующее будет именно для вас. Часто ли вы задаёте себе вопрос : какая аккумуляторная батарея находится у меня в ноутбуке? Наверняка именно в вашем ноутбуке стоит литий-ионная батарея, которая обрела свою популярность как питающий элемент для ноутбуков, мобильных телефонов, фотоаппаратов, видеокамер и т.д. Такое признание эти батареи получили вследствие того, что их не нужно обслуживать и эти батареи имеют очень высокую энергетическую плотность.

Из истории этих аккумуляторов, можно сказать, что литий-ионные аккумуляторы имеют 3 поколения развития.

Изначально в качестве отрицательных пластин активно применялся литий, но тем самым они были подвержены взрывному эффекту. Этот эффект возникал вследствие многократного использования, на аноде появлялись образования, которые приводили к замыканию электродов, что в свою очередь вело к воспламенению или взрыву.

Эту проблему пытались решить применяя каменноугольный кокс-2 поколение литий-ионных аккумуляторов, и окончательно это было завершено при замене материала анода на графит.

Литий-ионные аккумуляторы применяются вместе с системой контроля и управления – BMS(СКУ), которая входит в комплект любого литий-ионного аккумулятора. Эта система применяется для того, что бы обеспечить максимальный срок жизни этим батареям, ограничивая ток заряда сверху на уровне 95%, и разряда на 15-20%, ибо если литий-ионный аккумулятор будет полностью разряжен, то он потеряет возможность опять зарядится при подключении номинального зарядного напряжения. Эту проблему можно решить путем приложения импульса напряжения, которое является более высоким по сравнению с номинальным зарядным. Но этот метод очень сильно сказывается на дальнейших характеристиках литий-ионных батарей. То есть, эта система предотвращает перезарядку и перегрев вследствие интенсивного заряда.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы имеют рабочее напряжение равное 3,5-3,7 В. Рабочие температуры могут варьироватьсяот -20 до +60 °С, хотя стоит заметить, что в настоящее время разработали аккумуляторы, которые могут работать и при -40 °С, а так же теперь стало возможно расширение температур и до более высоких.

Саморазряд данного типа аккумуляторов составляет 4-6% в первый месяц, затем уменьшается. За год аккумулятор теряет 10-20% емкости. Так же, можно смело сказать, что Li-ion аккумуляторы имеют потери емкости в разы меньше, чем потери у никель-кадмиевых аккумуляторов.

Ресурс работы составляет 500-1000 циклов.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов

Li-ion аккумуляторы могут заряжаться в комбинированном режиме: с самого начала при постоянном токе (величиной 0.2С до 1С) до напряжения в 4.2 В (это значение зависит от производителя батареи), а далее зарядка будет проходить при постоянном напряжении.

При зарядке литий-ионных батарей током равным 1С время необходимое для заряда будет состовлять 2-3 часа, и по достижению напряжения отсечки, ток будет значительно уменьшаться и будет составлять примерно 3% от начального зарядного тока. Это мы можем наглядно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного (Li-ion) аккумулятора.

Так же хочу заметить, что заряд батареи невозможен, при отрицательных температурах.

Было обнаружено, что линий-ионные аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, что сводит на нет его достоитсва, но сейчас появились литий-полимерные аккумуляторы на базе литий-ионных, в которых этот эффект памяти отсутствует.

Хранение литий-ионных аккумуляторов

Самыми лучшими условиями для хранения литий-ионных аккумуляторов – это заряд на уровне 40-75% ёмкости, и при довольно низкой температуре в 5 °C. При этом, следует заметить, что при хранение именно в холодном месте, существенно снижает саморазряд. Срок хранение варьируется от 24 до 60 месяцев.

Одной из отличительных особенностей по сравнению с никелевыми и никель-металлогидридными, литий-ионные аккумуляторы снижат ёмкость под воздействием заряда. То есть, чем больше будет заряд аккумлятора, тем меньше будет его срок эксплуатации и службы.

Какие бывают аккумуляторы

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы уже неактуальны — они исправно работали долгое время, но имели ряд недостатков. В наших гаджетах в большинстве случаев используются батареи на основе лития — литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol).

Одна из основных характеристик АКБ — емкость. Она определяет, сколько электроэнергии способен накопить аккумулятор, и как долго устройство сможет работать автономно. Наиболее часто встречаются батареи с емкостью от 2000 до 3000 мАч (миллиампер/час). Габариты литий-ионных источников остаются весьма компактными в отличие от предшественников.

Литий-полимерные АКБ отличаются от литий-ионных разнообразием геометрических форм и, что сейчас особенно актуально, минимальной толщиной, которая начинается от 1 мм. Это позволяет использовать их в весьма тонких смартфонах.

Литиевые аккумуляторы отличаются длительным сроком службы при условии правильной эксплуатации. Производители многих известных смартфонов предусмотрели замену АКБ только в сервисном центре, сделав корпус устройства монолитным, а заднюю крышку и батарею — несъемными. Без специального оборудования и знаний самостоятельно пользователь не сможет провести эту операцию.

Особенности литий-ионных аккумуляторов

Прежде чем переходить к разговору о том, возможно ли восстановить такой тип батарей, следует ознакомиться с определенными особенностями их внутреннего устройства. Как и любая АКБ, Li ion аккумулятор превращает химическую энергию в электрическую, благодаря чему становится возможной подача тока для работы того или иного бытового устройства.

Кроме электролита любая литий-ионная батарея снабжена специальной защитной платой, главная задача которой — контролировать уровень нагрева АБК и циклы заряда-разряда. Если батарея перегрелась, контроллер автоматически прекратит ее работу. Также, если напряжение внутри неиспользуемого Ion аккумулятора 18650 упадет ниже 2,7 вольт, система сработает так, что АКБ прекратит свое функционирование.

Такая защитная плата установлена внутри литий-ионных батарей по причине их высокой взрывоопасности. Если батарейки использовать правильно, то никаких неприятных вещей не произойдет, потому что технически они рассчитаны на большое количество «заряд-разрядных» циклов. Следует иметь в виду, что если литиевую батарею долго не использовать, после глубокого разряда восстанавливать ее будет довольно проблематично: в таких случаях, она сама по себе разряжается через два-три года.Восстановление литий-ионных аккумуляторов можно попытаться сделать, но долго они после этого проработать не смогут. Однако любителям электроники известны довольно интересные способы «реанимирования» таких аккумуляторов, несмотря на проблематичность самого процесса — хотя бы по причине установленной внутри защитной платы, с которой так и так придется столкнуться, если появится желание ненадолго «поднять» емкость литий-ионной АКБ.

Индустриальный гигант

Буквально через месяц после этого A123 заключила судьбоносный контракт со знаменитой компанией Black & Decker. Оказалось, что Black & Decker уже несколько лет вела разработку нового поколения строительного электроинструмента — мобильных и мощных переносных устройств. Но внедрение новинки задерживалось из-за отсутствия подходящего источника тока. NiMH и NiCd батареи не подходили компании по весу, размеру и рабочим характеристикам. Обычные Li-ion аккумуляторы были достаточно емкими, но не обеспечивали высокий ток нагрузки и при быстром разряде так нагревались, что могли загореться. Кроме того, время, нужное для их заряда, было слишком велико, а переносной инструмент должен быть всегда наготове. Аккумуляторы А123 идеально подходили для этих целей. Они были очень компактны, мощны и абсолютно безопасны. Время заряда до 80% емкости составляло всего 12 минут, а при пиковых нагрузках LiFePO4 батареи развивали мощность, превышающую мощность сетевых инструментов! Одним словом, Black & Decker нашел именно то, что искал.

К тому времени у А123 был только опытный образец батареи размером с десятицентовую монету, а Black & Decker нуждался в миллионах реальных аккумуляторов. Фулап и Райли провели гигантскую работу по созданию собственных производственных мощностей и уже через год после подписания контракта начали серийный выпуск товарной продукции в Китае. Энергия и напор Фулапа в сделке с Black & Decker позволили A123 в кратчайшие сроки войти в большую индустриальную обойму. За неполные шесть лет компания из Массачусетса выросла из чистой идеи до крупного научно-производственного комплекса с шестью заводами и штатом из 900 сотрудников. Сегодня A123 Systems является обладателем 120 патентов и патентных заявок в области электрохимии, а ее исследовательский центр по литий-ионным технологиям считается самым лучшим в Северной Америке.

Но компания не останавливается на достигнутом. За последние полтора года были радикально улучшены свойства исходного нанофосфата и разработаны новые виды электролитов. Созданы более совершенные и надежные электронные системы управления зарядом. Разработаны несколько видов дизайна пакетов батарей для применения в различных областях техники. Но главный шаг вперед — это, конечно же, разработка аккумулятора для будущего гибридного автомобиля Chevrolet Volt.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№7, Июль 2008).

Характеристики батарейки литиевой

1. Напряжение

Прежде всего, стоит знать, что напряжение литиевых элементов питания в большинстве (но не всегда) случаев кратно 3 Вольтам. Что фактически предопределяет их отличие от щелочных и солевых источников тока. А для потребителя это означает:

!Литиевыми батарейками нельзя заменить солевые или алкалиновые элементы питания, и наоборот!

Т.е. батарейки из лития — это совершенно индивидуальный класс токоносителей, применяемый лишь там, где это предусмотрено заранее.

Примечание и исключение: последние утверждения не касаются литиевых батареек с напряжением 1,5 Вольта и обычной «пальчиковой» (АА) или «мизинчиковой» (ААА) формой.

Если литиевый элемент питания дает 1,5 Вольта и имеет стандартные размеры, его можно применять повсеместно. И даже там, где традиционно используются солевые или щелочные батарейки. Но это единственное исключение.

2. Состав

Название данного класса источников тока происходит от металла Лития, задействованного на катоде. Кроме лития в схему батарейки входит органический электролит и анод, представленный самыми разнообразными материалами.

Основное достоинство лития заключено в его максимальном отрицательном потенциале по отношению к прочим металлам.

Говоря иначе, литий позволяет добиться большого номинального напряжения даже с минимальными размерами компонент батареи.

3. Срок хранения и эксплуатации

Срок хранения без использования для батареек с использованием лития очень высок.

При максимальной внутренней плотности энергии источник тока способен поддерживать широкие рабочие температуры, оставаясь одинаково эффективным и в холод, и в жару.

Собственно, данное свойство предопределяется структурой и составом литиевых элементов питания, лишенных жидких и гелеобразных смесей (нет влаги).

4. Прочие достоинства

Батарейки (литиевые) характеризуются малым внутренним сопротивлением, что на практике означает:

• малый нагрев батареек при работе;
• экономию внутренних энергоресурсов, которые не расходуются на выделение тепла;
• ничтожную зависимость емкости от тока нагрузки.

Если вспомнить щелочные батарейки, то там такая зависимость очень высока, что является безусловным недостатком для алкалиновых источников тока.

И если щелочную и литиевую батарею подвергнуть одинаково высокой нагрузке, то первая выйдет из строя значительно раньше, чем это случится с литиевым элементом!
Причем разница скорости разряда отличается в разы.

5. Цена и целесообразность

Стоимость рядовой батарейки (литиевой) очень высока и сопоставима с ценой щелочного аккумуляторного блока (блок здесь рассматривается, как возможность достичь одинакового напряжения в 3 Вольта путем суммирования 2-х батареек по 1,5 В).
Иными словами, чтобы заменить литиевую батарейку потребуется 2 щелочные или 2 солевые батарейки по 1,5 Вольта, что неизбежно отражается в цене литиевых источников тока.

При этом 2 алкалиновые батарейки, конечно же, займут больше места, чем 1 литиевая батарея на 3 Вольта.

Литиевые аккумуляторы обойдутся покупателю значительно дороже щелочных, т.к. и здесь литий получает высокие показатели. В частности, количество циклов «разряд/заряд» у лития больше!

6. Применение

Батарейки (литиевые элементы питания в 3В, 3,6В и т.д.) используются везде, где требуется повышенный ток, максимальное напряжение и длительный срок службы при компактных размерах потребляемого мобильного устройства.