Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.
«С» значит Capacity
Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.
А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.
Схема простого зарядного устройства на LM317
Рис. 5.
Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).
Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.
Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.
Схема простого зарядного устройства на LTC4054
Рис. 6.
Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).
Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»
Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.
Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле
I=1000/R,
где I - ток заряда в Амперах, R - сопротивление резистора в Омах.
Индикатор разрядки литиевого аккумулятора
Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.
Рис. 8.
Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.
Нюанс долговечности
Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.Эксплуатация и меры предосторожности
Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.
Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.
Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.
Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.
Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.
Где я применяю литиевые батареи
Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.
Ставлю в светодиодные фонарики.
В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.
Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.
Где я покупаю литий и полезности по теме
Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.
Честные Sanyo 18650
- Перевод
Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и - если повезет - медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.
Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.
Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.
Введение в литий-ионные аккумуляторы
В обычной литий-ионной батарее, мы найдем катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом. Мы также найдем анод или положительный электрод, который сегодня, как правило, изготавливается из графита. Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.
Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.
Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.
Когда мёртвая батарея действительно мертва?
Когда мы говорим о «мёртвой» батарее, важно понять две метрики производительности: энергия и мощность. В некоторых случаях очень важна скорость, с которой вы можете получать энергию из батареи. Это мощность. В электромобилях высокая мощность делает возможным быстрое ускорение, а также торможение, при котором батарее требуется получить заряд в течение нескольких секунд.В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.
Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.
Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его - повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой - это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.
В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.
Что ломается и почему
Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод, в идеале хотелось бы, чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру.Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.
Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.
В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.
Проблема коррозии
Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Итак, у нас есть глина из такого «активного» материала, как литий-кобальтовый оксид (который представляет собой керамику и не является очень хорошим проводником), а также клееподобный связующий материал, нанесенный на кусок металла.Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.
Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.
Слишком много хорошего
Графит - материал, широко используемый для изготовления анодов - термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. В идеальном мире эта реакция происходила бы один раз, чтобы создать защитный слой, и на этом всё закончится.В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.
Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.
Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.
Создавая лучшие батареи
Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы функционировали подобно витаминам в нашем рационе, т.е. позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом, говорит Абрахам. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.
Сегодня для мобильной, бытовой техники, инструментов применяют специальные аккумуляторы. Они отличаются эксплуатационными характеристиками. Чтобы батарея работала долго, без сбоев, нужно учитывать требования производителей представленных изделий.
Одним из самых популярных видов сегодня являются аккумуляторы Li-Ion. Как правильно заряжать этот вид батарей, а также особенности его эксплуатации следует подробно рассмотреть перед эксплуатацией прибора.
Общая характеристика
Одним из самых распространенных видов аккумуляторов сегодня является тип Li-Ion. Такие устройства отличаются относительно невысокой стоимостью. При этом они нетребовательны к условиям эксплуатации. В этом случае у пользователя редко возникает вопрос, как правильно заряжать аккумулятор Li-Ion 18650 цилиндрической формы или иной разновидности.
Чаще всего представленные батареи устанавливают в смартфоны, ноутбуки, планшеты и прочие подобные устройства. Представленные аккумуляторы характеризуются долговечностью и надежностью. Они не боятся полной разрядки.
Одной из главных особенностей представленных изделий является отсутствие «эффекта памяти». Такие батарейки можно заряжать практически в любой удобный момент. «Эффект памяти» возникает при неполном разряде аккумулятора. Если в нем оставалось небольшое количество заряда, со временем емкость аккумулятора станет падать. Это приведет к недостаточно продолжительному питанию техники. В литий-ионных батареях «эффект памяти» сведен к минимуму.
Конструкция
Конструкция аккумулятора литий-ионного типа зависит от типа прибора, для которого она предназначена. Для мобильного телефона применяется батарея, которая называется «банкой». Она имеет прямоугольную форму и включает в себя один конструкционный элемент. Его номинальное напряжение составляет 3,7 В.
Совсем иную конструкцию имеет батарея представленного типа для ноутбука. Отдельных аккумуляторных элементов в ней может быть несколько (2-12 штук). Каждый из них имеет цилиндрическую форму. Это аккумуляторы Li-Ion 18650. Как правильно зарядить их, подробно указывает производитель техники. Такая конструкция имеет в своем составе специальный контроллер. Он выглядит в виде микросхемы. Контроллер управляет процедурой зарядки, не допускает превышения номинального значения емкости батареи.
В современных аккумуляторах для планшетов, смартфонов также предусмотрена функция контроля заряда. Это значительно продлевает срок эксплуатации батареи. Она защищена от различных неблагоприятных факторов.
Особенности зарядки
Рассматривая, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы телефона, ноутбука и прочей техники, необходимо обратить внимание на особенности работы представленного устройства. Следует сказать, что литий-ионные батареи не терпят глубокого разряда и перезаряда. Этим управляет специальное устройство, которое добавляется в конструкцию (контроллер).
Идеально поддерживать заряд представленного типа батареи на уровне от 20 до 80% от полной емкости. За этим следит контроллер. Однако специалисты не рекомендуют оставлять устройство подключенным к зарядке постоянно. Это значительно сокращает срок эксплуатации батареи. На контроллер действует в этом случае постоянная нагрузка. Со временем его функциональность из-за этого может снижаться.
При этом контроллер также не допустит глубокого разряда. Он просто в определенный момент отключит батарею. Эта защитная функция крайне необходима. В противном случае пользователь мог бы случайно перезарядить или слишком сильно разрядить батарею. Также в аккумуляторах современного образца предусмотрена качественная защита от перегрева.
Принцип работы батареи
Чтобы понимать, как правильно заряжать Li-Ion аккумулятор (новый или бывший в употреблении), необходимо рассмотреть принцип его работы. Это позволит оценить необходимость контролировать уровень разряда и заряда устройства.
Ионы лития в аккумуляторе представленного типа перемещаются от одного электрода к другому. В этом случае появляется электрический ток. Электроды могут быть изготовлены из разных материалов. Этот показатель в меньшей степени влияет на эксплуатационные характеристики прибора.
Ионы лития нарастают на кристаллической решетке электродов. Последние, в свою очередь, меняют свой объем и состав. Когда батарея заряжена или разряжена, на одном из электродов ионов становится больше. Чем выше нагрузка на металлические элементы конструкции, которую оказывает литий, тем короче будет срок эксплуатации прибора. Поэтому лучше не допускать высокого процента оседания ионов на одном или другом электроде.
Варианты зарядки
Перед эксплуатацией батареи нужно рассмотреть, как правильно заряжать Li-Ion аккумулятор смартфона, планшета и прочей техники. Для этого существует несколько способов.
Одним из самых правильных решений будет применение зарядного устройства. Его поставляет в комплекте с электронной техникой каждый производитель.
Вторым вариантом является зарядка батареи от стационарного компьютера, подключенного к бытовой сети. Для этого применяется USB-кабель. В этом случае процедура зарядки будет более длительной, чем при использовании первого способа.
Можно выполнить эту процедуру при помощи прикуривателя в автомобиле. Еще одним менее популярным способом является зарядка литий-ионного аккумулятора при помощи универсального устройства. Его еще называют «лягушкой». Чаще всего такие приборы применяют для подзарядки батарей смартфонов. Контакты этого прибора можно отрегулировать по ширине.
Зарядка новой батареи
Новый аккумулятор нужно правильно ввести в эксплуатацию. Для этого телефон, планшет или иное оборудование нужно полностью разрядить. Только когда устройство выключится, его можно будет подключить к сети. Контроллер не даст батарее слишком сильно разрядиться. Именно он отключает устройство, когда аккумулятор теряет емкость до заданного уровня.
Далее нужно подключить электротехнику к сети при помощи штатного зарядного устройства. Процедуру выполняют до того времени, пока индикатор не загорится зеленым светом. Можно оставить прибор в сети еще на несколько часов. Такую процедуру проводят несколько раз. При этом специально разряжать телефон, планшет или ноутбук не нужно.
Обычная зарядка
Зная, как правильно заряжать аккумуляторы Li-Ion, можно значительно продлить срок работы батареи. Специалисты рекомендуют провести правильную процедуру этого процесса для нового элемента питания. После этого не желательно разряжать аккумулятор полностью. Когда индикатор покажет, что емкость батареи имеет заряд всего на 14-15%, его нужно подключить к сети.
При этом также не рекомендуется применять иные устройства для наполнения емкости аккумулятора, кроме штатного. Оно имеет максимально приемлемые показатели тока, допустимые для конкретной модели батареи. Прочие варианты можно использовать только в случае крайней необходимости.
Калибровка
Существует еще один нюанс, который нужно узнать, изучая вопрос, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы. Эксперты рекомендуют периодически проводить калибровку этого устройства. Она проводится раз в три месяца.
Сначала в обычном режиме нужно разрядить электротехнику до ее выключения. Далее его подключают к сети. Зарядка продолжается до тех пор, пока индикатор не станет гореть зеленым светом (батарея заряжена на 100%). Эту процедуру нужно выполнять для правильной работы контроллера.
При проведении подобной процедуры печатная плата аккумулятора определяет предельные рамки зарядки и разрядки. Это необходимо для обеспечения нормальной работы контроллера, позволяет избежать сбоев. При этом применяется штатное зарядное устройство, которое поставляется производителем в комплекте с телефоном, планшетом или ноутбуком.
Хранение
Чтобы батарея проработала максимально долго и эффективно, нужно рассмотреть также вопрос, как правильно зарядить Li-Ion аккумулятор для хранения. В некоторых случаях может возникнуть ситуация, когда прибор для питания техники временно не эксплуатируется. В этом случае его нужно правильно подготовить для хранения.
Аккумулятор заряжают до 50%. В таком состоянии его можно хранить достаточно долго. Однако температура окружающей среды должна быть около 15 ºС. Если она повысится, скорость потери батареей своей емкости будет увеличиваться.
Если аккумулятор нужно хранить достаточно длительное время, его нужно раз в месяц полностью разряжать и заряжать. Батарея набирает 100% своей заданной емкости. Затем прибор снова разряжают и заряжают уже до 50%. При регулярном проведении такой процедуры можно хранить аккумулятор очень долго. После этого он будет полностью пригоден для эксплуатации.
Рассмотрев, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы, можно значительно продлить срок эксплуатации батареи этого типа.
В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.
Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.
На протяжении этих 20 лет исследователи пришли к выводу, что основной проблемой является литиевый электрод. Этот металл очень активный и при эксплуатации протекал ряд процессов, приводивших в итоге к воспламенению. Это стали называть вентиляцией с образованием пламени. Из-за этого в начале 90-х годов производители были вынуждены отозвать батареи, выпущенные для мобильных телефонов.
Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.
Металлический литий крайне нестабилен, особенно проявляется при зарядке и разрядке. Поэтому исследователи стали создавать аккумуляторную батарею литиевого типа без использования лития. Стали использоваться ионы этого щелочного металла. Отсюда и пошло их название.
Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем . Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.
Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе
Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.
Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.
Реакции на отрицательном электроде
Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).
При интеркаляции ионы лития раздвигают слои углерода, внедряясь между них. Получаются различные интеркалаты. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем матрицы углерода меняется несущественно. В отрицательный электрод, помимо углеродного материала, могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также пробуют использовать композитные материалы с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т. п.
Реакции на положительном электроде
В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели.
Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода.
Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями:
положительный электрод
LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe —
отрицательный электрод
С + xLi + + xe — → CLi x
В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.
На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.
Устройство литий─ионных аккумуляторов
По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод.
Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.
Li─Ion аккумуляторы призматической конструкции делаются с помощью укладывания пластин прямоугольной формы друг на друга. Такие батареи дают возможность сделать упаковку более плотной. Сложность заключается в поддержке сжимающего усилия на электродах. Есть призматические АКБ с рулонной сборкой электродов, скручиваемых в спираль.
В конструкции любых литий─ионных аккумулятор предусмотрены меры для обеспечения их безопасной работы. В первую очередь это касается предотвращения разогрева и воспламенения. Под крышкой батареи устанавливается механизм, который увеличивает сопротивление аккумулятора при увеличении температурного коэффициента. При возрастании давления внутри АКБ выше допустимого предела, механизм разрывает положительный вывод и катод.
Кроме того, для увеличения безопасности эксплуатации в Li-Ion аккумуляторах в обязательном порядке используется электронная плата. Её назначение – это контроль за процессами заряда и разряда, исключение перегрева и короткого замыкания.
Сейчас выпускается много призматических литий─ионных аккумуляторов. Они находят применение в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может отличаться у различных производителей, поскольку не имеет единой унификации. Электроды противоположной полярности разделяются сепаратором. Для его производства используется пористый полипропилен.
Конструкция Li-Ion и прочих разновидностей литиевых АКБ всегда выполняется герметичной. Это обязательное требование, поскольку вытекания электролита не допустимо. Если он вытечет, то электроника будет повреждена. Кроме того, герметичное исполнение не допускает попадания внутрь АКБ воды и кислорода. Если они попадут внутрь, то в результате реакции с электролитом и электродами разрушат аккумулятор. Производство комплектующих для литиевых аккумуляторов и их сборка находится в специальных сухих боксах в атмосфере аргона. При этом используются сложные приёмы сваривания, герметизации и т. п.
Что касается количества активной массы Li-Ion аккумулятора, то здесь производители всегда ищут компромисс. Им нужно добиться максимальной ёмкости и обеспечить безопасность функционирования. За основу принимается отношение:
А о / А п = 1,1, где
А о – активная масса отрицательного электрода;
А п — активная масса положительного электрода.
Такой баланс не допускает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.
Параметры Li-Ion аккумуляторов
Выпускаемые сегодня литий─ионные аккумуляторы имеют высокую удельную энергоёмкость и рабочее напряжение. Последнее в большинстве случаев составляет от 3,5 до 3,7 вольта. Энергоёмкость составляет от 100 до 180 ватт-час на килограмм или от 250 до 400 на литр. Некоторое время назад производители не могли выпустить АКБ с ёмкостью выше нескольких ампер-час. Сейчас проблемы, сдерживающие развитие в этом направлении, устранены. Так, что в продаже стали встречаться аккумуляторы литиевого типа с ёмкостью в несколько сотен ампер-час.
Ток разряда современных Li─Ion аккумуляторов составляет от 2С до 20С. Они работают в интервале температур окружающей среды от -20 до +60 Цельсия. Есть модели работоспособные при -40 Цельсия. Но сразу стоит сказать, что при отрицательных температурах работают специальные серии АКБ. Обычные литий─ионные батарейки для мобильных телефонов при отрицательных температурах становятся неработоспособными.
Саморазряд этого типа батарей равен 4─6 процента в течение первого месяца. Далее он уменьшается и в год составляет до процентов. Это значительно меньше, чем у никель─кадмиевых и никель─металлогидридных батарей. Срок службы примерно 400─500 циклов заряд-разряд.
Теперь поговорим об особенностях эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.
Эксплуатация литий─ионных батарей
Зарядка Li─Ion аккумуляторов
Заряд литий─ионных АКБ обычно комбинированный. Сначала они заряжаются при постоянном токе величиной 0,2─1С пока не наберут напряжение 4,1─4,2 вольта. А затем зарядка ведётся при постоянном напряжении. Первая ступень продолжается примерно около часа, а вторая около двух. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используется импульсный режим. Первоначально выпускались Li─Ion аккумуляторы с графитом и для них устанавливалось ограничение напряжения 4,1 вольта на одну банку. Дело в том, что при более высоком напряжении в элементе начинались побочные реакции, сокращающие срок эксплуатации этих аккумуляторов.
Постепенно эти минусы удалось устранить за счёт легирования графита различными добавками. Современные литий─ионные элементы без проблем заряжают до 4,2 вольта. Погрешность составляет 0,05 вольта на элемент. Существуют группы Li─Ion аккумуляторных батарей для военной и промышленной сферы, где требуется повышенная надёжность и длительный срок службы. Для таких АКБ выдерживают максимальное напряжение на элемент 3,90 вольта. У них несколько ниже энергетическая плотность, но увеличенный срок службы.
Если заряжать литий─ионную батарею током величиной 1С, то время полного набора ёмкости составит 2─3 часа. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда напряжение возрастает до максимального, а ток снижается до 3 процентов от величины в начале процесса зарядки. Это можно видеть на графике ниже.
На графике ниже представлены этапы зарядки Li─Ion батареи.
Процесс зарядки состоит из следующих этапов:
- Этап 1. На этой стадии через аккумуляторную батарею течёт максимальный ток заряда. Он продолжается до момента достижения порогового напряжения;
- Этап 2. При постоянном напряжении на АКБ ток зарядки постепенно уменьшается. Этот этап прекращается, когда величина тока уменьшается до 3 процентов от начального значения;
- Этап 3. Если аккумулятор ставится на хранение, то на этом этапе идёт периодический заряд для компенсации саморазряда. Делается ориентировочно через каждые 500 часов.
Из практики известно, что увеличение тока заряда не сокращает время зарядки батареи. При повышении тока напряжение растёт быстрее до порогового значения. Но тогда потом второй этап зарядки длится дольше. Некоторые зарядные устройства (ЗУ) могут зарядить Li─Ion аккумулятор за час. В таких ЗУ отсутствует второй этап, но реально аккумулятор в этой точке заряжается где-то на 70 процентов.
Что касается струйной подзарядки, то для литий─ионных батарей она неприменима. Это объясняется тем, что этот тип АКБ не может при перезарядке поглощать избыточную энергию. Струйная подзарядка может привести к переходу части ионов лития в металлическое состояние (валентность 0).
А непродолжительный заряд хорошо компенсирует саморазряд и потери электрической энергии. Зарядка на третьем этапе может делаться каждые 500 часов. Как правило, выполняется при снижении напряжения АКБ до 4,05 вольта на одном элементе. Заряд ведётся до поднятия напряжения до 4,2 вольта.
Стоит отметить слабую стойкость литий─ионных аккумуляторов к перезаряду. В результате подачи лишнего заряда на углеродной матрице (минусовой электрод) может начаться осаждение металлического лития. Он имеет очень высокую химическую активность и взаимодействует с электролитом. В результате на катоде начинается выделение кислорода, что грозит ростом давления в корпусе и разгерметизацией. Поэтому если вы заряжаете Li─Ion элемент в обход контроллера, не допускайте подъёма напряжения при заряде выше, чем рекомендует производитель батареи. Если постоянно перезаряжать аккумулятор, срок его службы сокращается.
Безопасности Li-Ion АКБ производители уделяют серьёзное внимание. Заряд прекращается при увеличении напряжения выше допустимого уровня. Также установлен механизм выключения заряда при увеличении температуры батареи выше 90 Цельсия. Некоторые современные модели батарей имеют в своей конструкции выключатель механического типа. Он срабатывает при росте давления внутри корпуса АКБ. Механизм контроля напряжения электронной платы отключает банку от внешнего мира по минимальному и максимальному напряжению.
Существуют литий─ионные батареи без защиты. Это модели, содержащие в своём составе марганец. Этот элемент при перезаряде способствует торможению металлизации лития и выделению кислорода. Поэтому в таких аккумуляторах защита становится не нужна.
Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ
Аккумуляторы литиевого типа хранятся достаточно хорошо и саморазряд в год составляет всего 10─20% в зависимости от условий хранения. Но при этом деградация элементов батареи продолжается даже, если она не используется. Вообще, все электрические параметры литий─ионного аккумулятора могут отличаться для каждого конкретного экземпляра.
К примеру, напряжение при разряде меняется в зависимости от степени зарядки, тока, температуры окружающей среды и т. п. На срок эксплуатации АКБ оказывают влияние токи и режимы цикла разряд-заряд, температура. Один из главных недостатков Li-Ion батарей ─ это чувствительность к режиму заряд-разряд, из-за чего в них и предусматривается много разных видов защит.
На графиках ниже представлены разрядные характеристики литий─ионных аккумуляторов. На них рассмотрена зависимость напряжения от тока разряда и температуры окружающей среды.
Как можно видеть, при увеличении разрядного тока падение ёмкости незначительно. Но при этом рабочее напряжение заметно уменьшается. Аналогичная картина наблюдается при температуре меньше 10 градусов Цельсия. Стоит также отметить начальную просадку напряжения аккумулятора.
В современных мобильных телефонах, фотоаппаратах и других устройствах чаще всего используются литий-ионные батареи, сменившие щелочные и никель-кадмиевые, которые они превосходят по многим параметрам. Впервые аккумуляторы с анодом из лития появились в 70-е годы предыдущего столетия и сразу стали очень востребованы благодаря высокому напряжению и энергоемкости.
История появления
Разработки были недолгими, но на практическом уровне возникали трудности, которые разрешили только в 90-е годы прошлого века. Из-за высокой активности лития внутри элемента протекали химические процессы, которые приводили к возгоранию.
В начале 90-х произошел ряд несчастных случаев - пользователи телефонов, разговаривая, получали сильные ожоги в результате самопроизвольного воспламенения элементов, а затем и самих устройств связи. В связи с этим батареи полностью сняли с производства и вернули из продажи выпущенные ранее.
В современных литиево-ионных аккумуляторах чистый металл не используется, только его ионизированные соединения, так как они более стабильны. К сожалению, ученым пришлось пойти на существенное снижение возможностей аккумулятора, однако удалось добиться главного - люди больше не страдали от ожогов.
Кристаллическая решетка различных соединений углерода оказалась подходящей для интеркаляции ионов лития на отрицательном электроде. При зарядке они переходят с анода на катод, а при разряде наоборот.
Принцип действия и разновидности
В каждом литий-ионном аккумуляторе основу минусового электрода составляют углеродсодержащие вещества, структура которых может быть упорядоченной или частично упорядоченной. В зависимости от материала меняется процесс интеркаляции Li в C. Плюсовой электрод в основном выполняется из латированного оксида никеля или кобальта.
Суммируя все реакции, их можно представить в следующих уравнениях:
- LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - для катода.
- С + xLi+ + xe → CLix - для анода.
Уравнения представлены для случая разряда, при заряде они протекают в обратную сторону. Ученые проводят работы по исследованию новых материалов, состоящих из смешанных фосфатов и оксидов. Эти материалы планируется использовать для катода.
Выделяют два вида Li-Ion аккумуляторов:
- цилиндрический;
- призматический.
Главное отличие - расположение пластин (в призматическом - друг на друге). От этого зависит размер литионного аккумулятора. Как правило, призматические плотнее и компактнее.
Кроме того, внутри существует система безопасности - механизм, который при возрастании температуры увеличивает сопротивление, а при повышенном давлении разрывает цепь анод-катод. Благодаря электронной плате становится невозможным замыкание, так как она контролирует процессы внутри АКБ.
Противоположные по полярности электроды разделяются сепаратором. Корпус должен быть герметичным, вытекание электролита или попадание внутрь воды и кислорода разрушат и батарею и само электронное устройство-носитель.
У различных производителей литионный аккумулятор может выглядеть абсолютно по-разному, нет единой формы изделия. Отношение активных масс анода к катоду должно быть примерно 1:1, иначе возможно образование металла лития, которое приведет к возгоранию.
Достоинства и недостатки
АКБ обладают превосходными параметрами, различающимися у разных производителей. Номинальным напряжением является 3,7−3,8 В при максимальном 4,4 В. Энергетическая плотность (один из главных показателей) составляет 110−230 Вт*ч/кг.
Внутреннее сопротивление составляет от 5 до 15 мОм/1Ач. Срок службы по количеству циклов (разряд/заряд) равен 1000−5000 единиц. Время для быстрой зарядки - 15−60 минут. Один из самых значимых плюсов - медленный процесс саморазряда (всего 10−20% за год, из которых 3−6% за первый месяц). Диапазоном рабочих температур является 0 С - +65 С, при температурах ниже нуля заряд невозможен.
Зарядка происходит в несколько этапов:
- до определенного момента протекает максимальный ток заряда;
- при достижении рабочих параметров ток постепенно уменьшается до 3% от максимального значения.
При хранении примерно каждые 500 часов необходима периодическая подзарядка, направленная на компенсацию саморазряда. При перезаряде может осаждаться металлический литий, который, взаимодействуя с электролитом, образует кислород. Таким образом повышается риск разгерметизации вследствие повышения внутреннего давления.
Частые перезарядки сильно снижают срок службы батареи. Кроме того, влияет окружающая среда, температура, ток и т. д.
У элемента есть недостатки, среди которых выделяют следующие:
Условия эксплуатации
Лучше всего хранить аккумулятор при следующих условиях
: заряд должен быть не менее 40%, а температура - не очень низкой или высокой. Лучшим вариантом является диапазон от 0С до +10С. Обычно за 2 года теряется около 4% емкости, из-за чего не рекомендуется покупать аккумуляторы более ранних дат изготовления.
Ученые изобрели способ, позволяющий увеличить срок годности. В электролит добавляют соответствующий консервант. Однако для таких батарей следует провести «тренинг» в виде 2−3 циклов полного разряда/заряда, чтобы впоследствии они смогли работать в обычном режиме. В противном случае возможно возникновение «эффекта памяти» и последующее вздутие всей конструкции. При правильном использовании и соблюдении всех норм хранения аккумулятор может служить долгое время, при этом его емкость останется на высоком уровне.
