Потребительский рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов огромен – около $10 млрд, при этом он довольно устойчив, темп роста составляет всего 2% в год. А как же электромобили, спросите вы? Действительно, в ближайшие годы, в связи развитием электромобилей, прогнозируется темп ежегодного роста литий-ионных аккумуляторов в 10%. На удивление, самой большой областью роста рынка Li-ion батарей по-прежнему остается «все остальное», начиная от мобильных телефонов и заканчивая вилочными погрузчиками.

«Другие» приложения для литий-ионных аккумуляторов, как правило, имеют одну общую черту – это устройства, которые получают питание от запечатанных свинцово-кислотных батарей (англ. sealed lead acid (SLA)). За последние почти 200 лет свинцово-кислотные батареи заняли лидирующую позицию на рынке электроники, но они вот уже несколько лет вытесняются с рынка литий-ионными аккумуляторами. Поскольку во многих случаях литий-ионные батареи стали заменять свинцово-кислотные батареи (аккумуляторы), стоит сравнить эти два вида накопителей энергии, подчеркнув основные технические особенности и экономическую целесообразность применения Li-ion вместо традиционных SLA устройств.

История применения аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

Химические особенности

Фундаментальные основы химических процессов в ячейках придают свинцово-кислотным и литий-ионным устройствам определенные свойства и различные степени функциональных возможностей. Ниже приведены некоторые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов, которые сделали его основным в течении десятилетий и недостатки, которые теперь приводят к его замене, а также подобные аспекты для литий-ионных устройств.

Свинцово-кислотная батарея

• СКБ проста, надежна и недорога. Ее можно использовать в широком диапазоне температур.
• Батареи должны хранится в постоянно заряженном состоянии (SoC) и они не поддаются быстрой зарядке.
• СКБ имеют большой вес. Их гравиметрическая плотность энергии очень мала.
• Жизненный цикл обычно составляет от 200 до 300 разрядов/зарядов, что очень мало.
• Кривая заряда/разряда позволяет измерять SOC с простым контролем напряжения.

Литий-ионная батарея

• Имеют максимальную плотность энергии по размеру и весу.
• Жизненный цикл обычно составляет от 300 до 500, но может измеряться и тысячами для литий-фосфатных ячеек;
• Очень мал диапазон рабочих температур;
• Доступны различные размеры ячеек, формы и другие возможности;
• Нет необходимости в техническом обслуживании. Уровень саморазряда очень мал.
• Требуется реализация схем по безопасности эксплуатации. Сложный алгоритм зарядки.
• Измерения SoC требует непростых решений из-за нелинейности кривой напряжения.

Электроника

Важно понимать различие между батарейным блоком и аккумулятором. Ячейка – основной составной элемент пакета. Помимо этого, в пакет еще входит электроника, разъемы и корпус. На рисунке выше показаны примеры данных устройств. Литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь, как минимум, реализованные схемы защиты и управления ячейкой, а зарядное устройство и система измерения напряжения гораздо сложнее, чем в свинцово-кислотных устройствах.

При использовании литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, основные отличия в электронике будут заключаться в следующем:

Зарядка

Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора довольно проста при соблюдении определенных порогов напряжений. В литий-ионных батареях используют более сложный алгоритм, за исключением пакетов на основе фосфата железа. Стандартный метод заряда для таких устройств – метод постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV). Он включает в себя двухэтапный процесс зарядки. На первом этапе происходит заряд с постоянным током. Длится это до тех пор, пока напряжение на ячейке не достигнет определенного порога, после чего напряжение остается постоянным, а ток снижается по экспоненциальному закону, пока не достигнет значения отсечки.

Подсчет заряда и связь

Как упоминалось ранее, заряд СКБ можно измерять простыми средствами измерения напряжения. При использовании литий-ионных аккумуляторов необходим контроль уровня заряда ячеек, для чего необходима реализация сложных алгоритмов и циклов обучения.

I 2 C является наиболее распространенным и экономичным протоколом связи, используемым в литий-ионных аккумуляторах, но он имеет ограничения в отношении помехоустойчивости, целостности сигнала на расстоянии и общей полосы пропускания. SMBus (шина управления системой), производная от I 2 C, очень распространена в батареях меньшего размера, но в настоящее время не имеет какой-либо эффективной поддержки для мощных или более крупных пакетов. CAN прекрасно подходит для сред с высоким уровнем шума или там, где требуются длительные прогоны, например во многих СКБ-приложениях, но это стоит довольно дорого.

Прямые замены

Следует подчеркнуть, что ныне существует несколько стандартных форматов свинцово-кислотных батарей. Например - U1, стандартный форм-фактор, используемый в приложениях резервного питания медицинского оборудования. Литий-железо-фосфатный аккумулятор оказался вполне достойной заменой свинцово-кислотным. Фосфат железа обладает замечательным жизненным циклом, хорошей проводимостью зарядов, улучшенной безопасностью и низким импедансом. Напряжения литий-железо-фосфатных аккумуляторов также хорошо согласуются с напряжениями свинцово-кислотных (12 В и 24 В), что позволяет использовать одни и те же зарядные устройства. Программные пакеты для обслуживания и контроля батарей включают в себя интеллектуальные функции, такие как отслеживание заряда, счетчик циклов заряда/разряда и другие.

Литий-железо-фосфатные батареи сохраняют 100% емкости при хранении, в отличие от СКБ батарей, которые теряют емкость в течение нескольких месяцев хранения. На рисунке выше сравниваются два продукта и типы достижений, достигнутых при переходе от СКБ к Li-ion.

Выводы

Очень мало существует батарей, которые способны хранить столько же энергии, как свинцово-кислотные, что делает данный вид аккумуляторов экономически выгодным для многих мощных устройств. Литий-ионная технология постоянно снижается в цене, а также постоянные совершенствование их химических структур и систем безопасности делает их достойным конкурентом свинцово-кислотной технологии. Устройства для их применения могут быть самые различные, начиная от устройств бесперебойного питания, до электромобилей и беспилотников.

Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чем главное отличие от ионной батареи?

Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.

Срок службы литий-полимерного аккумулятора

В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.

Недостатки

Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать - Li-pol или Li-ion, - не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

Оптимальный метод зарядки

Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос - как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.

Меры предосторожности

В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания - разумеется, при условии поддержания их герметичности.

Какой аккумулятор лучше - Li-pol или Li-ion?

Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.

Заключение

Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.

Какие есть типы литиевых аккумуляторов и особенности их конструкции?

Литиевые аккумуляторы на современном рынке прочно заняли несколько различных ниш. В основном они используются во всевозможной потребительской электронике, портативном инструменте и мобильных устройствах, бытовой технике и т. п. Существуют даже литиевые аккумуляторы 12 вольт для авто. Хотя широкого распространения в автомобилестроении они пока не получили. Использование литиевых аккумуляторов в различных отраслях народного хозяйства привело к тому, что на рынке появилось много разновидностей этих аккумуляторных батарей. Основные типы литиевых АКБ мы рассмотрим в сегодняшней статье.

Мы здесь не будем писать о принципе работы Li аккумуляторных батарей и истории их возникновения. Подробно о можно прочитать в статье по указанной ссылке. Также можете прочитать материалы отдельно про и . А в этом материале хотелось бы рассмотреть именно различные типы Li аккумуляторов в зависимости от их характеристик и назначения.

Итак, что касается мощности и ёмкости литиевых батарей. Деление здесь достаточно условное. Для того чтобы выпускать аккумуляторы различной ёмкости, с разными токами разряда, производители изменяют ряд параметров. Например, они регулируют толщину слоя электродной массы на фольге (в случае рулонной конструкции). В большинстве случаев этот электродный слой наносится медную (минусовой электрод) и алюминиевую (плюсовой) фольгу. Благодаря такому увеличению электродного слоя растут удельные параметры аккумулятора.

Однако при наращивании активной массы приходится уменьшать толщину проводящей основы (фольгу). В результате аккумулятор может пропустить меньший ток, не перегреваясь при этом. Кроме того, увеличение слоя электродной массы приводит к увеличению сопротивления элемента. Чтобы снизить сопротивление, часто для активной массы используют более активные и дисперсные вещества. Этими параметрами производители «играют» при выпуске АКБ с теми или иными параметрами. Аккумуляторный элемент с тонкой фольгой и толстой активной массой показывает высокие значения запасаемой энергии. А его мощность будет низкой, и наоборот. И это можно регулировать, не изменяя типоразмера изделия.

Аккумуляторные батареи с разными значениями ёмкости и разрядного тока получаются при изменении следующих параметров:

• Толщина фольги;
• Толщина сепаратора;
• Материал плюсового и минусового электрода;
• Размер частиц активной массы;
• Толщина электрода.

При этом модели аккумуляторов, рассчитанных на более высокую мощность, оснащаются токовыводами больших размеров и массы. Это делается для предотвращения перегрева. Также для наращивания тока разряда используются всевозможные вещества, добавляемые в электролит или в электродную массу. У аккумуляторов с большой ёмкостью токовыводы, как правило, небольшие. Они рассчитываются на разрядный ток до 2С (обычно ток заряда-разряда аккумулятора указывается от его ёмкости) и зарядный ─ до 0,5С. Для литиевых АКБ большой ёмкости эти значения до 20С и до 40С, соответственно.

Модели литиевых аккумуляторов с высокой мощностью предназначены для питания стартёров, с высокой ёмкостью – для питания различной портативной аппаратуры. Что касается разработки литиевых батарей, то производители всевозможной электроники заказывают их в специальных фирмах. Те разрабатывают их с учётом предложенных условий, а затем размещают их в серийное производство. При разработке современных литиевых аккумуляторов учитываются следующие параметры:

• Ёмкость;
• Штатный и максимальный ток разряда;
• Размеры;
• Условия расположения внутри устройства;
• Рабочая температура;
• Ресурс (количество циклов заряд-разряд) и прочие.

Различные конструкции литиевых аккумуляторных батарей

По конструктивным особенностям литиевые аккумуляторы можно разделить по двум признакам:

• Конструкция корпуса;
• Конструкция электродов.

Конструкция электродов

Рулонного типа

На изображении ниже можно посмотреть Li─Ion аккумулятор с конструкцией рулонного типа.

Элементы рулонной конструкции изготавливаются двух типов:

• Рулон электродов скручивается вокруг виртуальной пластины. В одном корпусе могут размещаться несколько рулонов, подключённых параллельно;
• Цилиндрические. Различной высоты и диаметра.

Рулонная конструкция применяется там, где требуется аккумулятор небольшой ёмкости и мощность. Эта технология имеет небольшую трудоёмкость, поскольку скручивание электродных лент и сепаратора полностью автоматизировано. Недостатком такой конструкции является плохое теплоотведение от электродов. Фактически тепло отводится только через торец элемента.

Из набора электродов

Литиевые аккумуляторы со сборкой из отдельных электродов применяются при производстве призматических АКБ.

Тепло здесь также отводится с торца электрода. Производители стараются улучшить теплоотвод посредством регулировки состава и дисперсности активной массы.

Конструкция корпуса

Цилиндрические

Стоит уделить внимание цилиндрическим литиевым аккумуляторам. Они широко распространены в различной бытовой технике и электронике. Особенно популярны аккумуляторные элементы .

В качестве плюсов цилиндрического корпуса специалисты называют отсутствие изменения объёма при длительной эксплуатации. Это происходит за счёт того, что АКБ немного меняет объём в процессе заряда-разряда. Конструкция электродов в таком корпусе всегда рулонного типа. К недостаткам относят плохое теплоотведение.

Цилиндрические литиевые аккумуляторы могут иметь следующие токовыводы:

• Винтовые борны;
• Обычные контактные площадки.

Там, где более высокие требования к съёму тока, используются винтовые борны. Это АКБ с большим разрядным током и большой ёмкостью (более 20 Ач). Многочисленные испытания показывают, что цилиндрические литиевые аккумуляторы с винтовыми борнами выдерживают токи не более 10─15С. И это значения кратковременной нагрузки, при которой элемент быстро перегревается. При длительной работе они выдерживают разрядные токи 2─3С. В основном используют в портативном электроинструменте.

Аккумуляторные элементы с контактными площадками обычно используются для объединения в батареи. Для этого их сваривают лентой при помощи контактной сварки. Иногда производители уже выпускают элементы с лепестками под самостоятельную пайку. Причём вид лепестков может быть различным в зависимости от типа пайки.

В обозначении типоразмера цилиндрических литиевых аккумуляторов обычно присутствуют их размеры. Например, литий─ионные элементы 18650 имеют высоту 65, а диаметр ─ 18 мм.

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.

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.

Эксплуатация и срок службы

Эксплуатация

Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.

Для начала следует запомнить, что литиевый аккумулятор должен иметь напряжением от 2,7 до 4,2 вольта. Нижнее значение здесь говорит о минимальном уровне заряда, верхнее – о максимальном. В современных Li батареях электроды выполняются из графита и в их случае нижняя граница напряжения составляет 3 вольта (2,7 – это значение для электродов из кокса). Электрическая энергия, которую отдаёт аккумулятор при падении напряжения от верхней границы к нижней, называется его ёмкостью.

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.

Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.

В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.

Процесс зарядки

Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.

Процесс состоит из трёх этапов:

• продолжительность первого этапа около одного часа. При этом ток зарядки держится на постоянном уровне до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет значения 4,2 вольта. По окончании степень заряженности равна 70%;
• второй этап также идёт около часа. В это время контроллер поддерживает постоянное напряжение 4,2 вольта, а ток зарядки при этом снижается. Когда сила тока падает примерно до 0,2*C, запускается заключительный этап. По окончании степень заряженности равна 90%;
• на третьем этапе ток постоянно снижается при напряжении 4,2 вольта. В принципе, эта стадия повторяет второй этап, но имеет строгое ограничение по времени в 1 час. После этого контроллер отключает батарею от зарядного устройства. По окончании степень заряженности равна 100%.

Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.

Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.

Помните, что через разъём USB ноутбука, десктопа, переходника от прикуривателя в машине зарядка идёт значительно медленнее, чем от штатного ЗУ. Это объясняется ограничением интерфейса USB по току в 500 мА.

Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.

Приветствую, любезные мои друзья и почитатели, данного блога читатели. Вместо очередного урока , правильней сказать статьи в копилку фотошколы , решил я написать статью про тему наболевшую и для всех важную.

Думаю многим, в том числе и вам, много уважаемые мои читатели, будет и интересно, и полезно узнать, что же такого принципиального представляют из себя литий-ионные аккумуляторы , каковы их предельные характеристики, как их нужно использовать, что можно получить при правильном использовании, и конечно же, каков должен быть уход, для длительной жизни аккумулятора . Итак вперед.

Нафига?- вы спросите меня, я вообще затеял писанину на эту тему. Ну батарейка и батарейка и что с нее. Так? Ан нет. Литий-ионный аккумулятор , это по сути топливный бак для многих наших любимых девайсов, а в простонародье устройств. Ну и что? — скажете мне вы, — нам то какая разница? А разница вам большая и важная. Идея написать эту статью появилась после того, как мы со студентами фотошколы ходили на . Погодные условия вполне себе заурядные около -7 -10 по цельсию, солнышко, легкий ветерок, ясно. Приятная в общем погода, для пытливого глаза фотолюбителя. Однако, многие студенты забеспокоились: А для камеры это не опасно? А она не замерзнет? А что будет если замерзнет? (о температурных режимах работы камеры я буду писать отдельную заметку) А что будет с аккумулятором камеры? Мы слышали, что аккумулятор камеры сильно боится холода и может выйти из строя, это правда? Правда, но не вся и не совсем. Давайте разбираться.

В наших с вами камерах, стоят литий-ионные аккумуляторы. Что бы это значило? А вот что. У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры использования, в сравнении с другими типами аккумуляторов. Не буду вдаваться в подробности, но в наше время, большинство производителей бытовой электроники, стараются снабдить свои изделия именно Li-ion аккумуляторами, так как они более просты и дешевы в производстве и менее вредны для окружающей среды.

Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем — щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет

После множества испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых аккумуляторов закручена вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процессы, происходившие при эксплуатации, в конце концов, приводили к бурной реакция, получившей название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых аккумуляторных батарей, которые впервые использовали в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавший лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за свойственной металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумулятора без применения Li, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, тем не менее Li-ion аккумуляторы безопасны при обеспечении правильных режимов заряда и разряда.

Если дальше, кому то важна и интересна часть про то какие химические процессы были и есть в литий-ионных аккумуляторах, как эти самые процессы укрощали, то путь вам в гугль. Я в химии и физике не настолько силен, чтоб писать статью от чтения которой буду засыпать сам.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение — 3,5-3,7 В.

Если еще несколько лет назад разработчики-производители считали максимально достижимой — емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов(вспоминаем школьный курс физики), то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов, а то и тысячи.

Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные — до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс литий-ионных аккумуляторов: 500-1000 циклов заряд-разряда.

И вот тут то многие скажут: -Ааааа. Вот почему можно снимать камерой при умеренно низких температурах. Да, — отвечу вам я. Плюс к этому, когда аккумулятор работает, отдавая энергию, в нем происходят химические реакции, побочным эффектом которых является выделение тепловой энергии, что позволяет аккумулятору дольше сохранять рабочий диапазон температуры. К тому же, когда мы вынимаем камеру из кофра, на улице, она(камера, фотокамера) у нас тоже имеет положительную температуру, то есть мы еще увеличиваем временной ресурс, в течении которого можем проводить съемку на улице при -7 ..-15 °С. Добавьте к этому температурный нагрев процессора камеры во время съемки, нагрев матрицы, даже тепло рук, которыми мы держим камеру и ей передаем, продлевает тепловой и временной ресурс работы камеры при умеренно низких температурах.

Это что касается использования аккумуляторов в работе. Теперь давайте немного поглядим на сторону заряда и хранения. Литий-ионные батареи не требуют какого-то особенного ухода. Основные правила их эксплуатации можно найти в инструкции к телефону/ноутбуку/камере, а все остальное берут на себя схема BMS и контроллер заряда в питаемом устройстве. Тем не менее при покупке часто можно услышать от продавца или приятеля-«гуру» следующие утверждения:

«…первая зарядка - 12–15 часов…» или, как вариант, «…просто оставляете устройство подключенным всю ночь…»;

«…нужно сделать 3–5 полных цикла, чтобы аккумулятор набрал емкость…»;

«…батарею желательно заряжать и разряжать полностью…»;

«… ну и что, что аккумулятору уже год, он же не использовался; срок его службы зависит исключительно от количества циклов «заряд–разряд»…».

Давайте посмотрим, насколько вышесказанное соответствует действительности.

Первое утверждение попросту лишено смысла – управляющая электроника не позволит зарядить батарею больше положенного.

Совет №2 тоже несостоятелен. Литий-ионные аккумуляторы после первой же зарядки работают с полной отдачей, а разряжаются поначалу быстрее просто потому, что владелец устройства настраивает и изучает его, демонстрирует друзьям и знакомым и т. п. Через неделю-две гаджет входит в нормальный режим, что, естественно, положительно сказывается на автономности. Но одна полная зарядка перед началом использования все-таки желательна. Это нужно не для аккумулятора, а для того, чтобы аппарат мог определить ее реальную емкость и в дальнейшем правильно отображать остаток заряда.

У рекомендации №3 «ноги растут» еще из правил эксплуатации никель-кадмиевых батарей, которые нужно было предварительно полностью разряжать, иначе необратимо терялась часть емкости. Их литий-ионные собратья не имеют подобного «эффекта памяти», мало того – им противопоказан глубокий разряд. При частом применении это неактуально, так как система BMS не дает аккумулятору разрядиться до конца, но если он будет пребывать в разряженном состоянии месяц и более, остатки заряда «утекут», схема защиты заблокирует процесс зарядки и отключится, после чего зарядка будет уже невозможна. Избыточный заряд тоже вреден, но в большинстве устройств это уже учтено, и они заряжают батарею не до 100%.

Встречается также совет типа «заряжайте как хотите, но хотя бы раз в неделю (месяц) проведите цикл полностью». Такая схема работы оптимальна для никель-металлгидридных аккумуляторов – они тоже обладают эффектом памяти, но намного меньшим, чем Ni-Cd, и восстанавливают емкость после 1–2 полных циклов. Для литий-ионных батарей это справедливо лишь частично, так, например, рекомендуется сделать после длительного хранения.

Из утверждения номер 4 следует логичный, казалось бы, вывод: раз время жизни батареи измеряется количеством циклов, значит, лучше использовать по максимуму. Это ошибка. Полные заряд и разряд быстрее изнашивают ее, а неполные циклы, напротив, продлевают жизнь. К тому же литий-ионные аккумуляторы теряют емкость даже без использования. Уже после года «на полке» их ресурс уменьшается на 5–10%, после 2 лет – на 20–30%. Поэтому, приобретая новое портативное устройство, обращайте внимание на дату выпуска источника питания. Очевидно также, что покупка батареи «впрок», даже если ее трудно найти в продаже, бесполезна.

Очень важно соблюдать температурный режим работы литий-ионных батарей. На морозе ниже -20 °С они просто перестают отдавать ток, а при жаре выше +45 °С хотя и функционируют, но такие климатические условия активизируют процесс старения, значительно сокращая срок жизни аккумулятора. А вот заряжать его можно только при положительных (по Цельсию) температурах, иначе велик риск выхода устройства из строя. Вообще, оптимальная рабочая температура литий-ионных АКБ составляет +20 °С.

Литий-ионные батареи постоянно совершенствуются, производители активно экспериментируют с материалами электродов и электролита. В 1994 г. появились аккумуляторы с литий-марганцевыми, а в 1996 – с литий-железо-фосфатными катодами. Они гораздо стабильнее и легко переносят большой разрядный ток, поэтому нашли применение в электроинструментах и электромобилях. С 2003 г. выпускаются батареи, использующие сложный состав катода (LiNiMnCoO2) и обладающие наилучшим сочетанием характеристик среди всех перечисленных. Но по удельной емкости и цене литий-кобальтовые экземпляры пока никому превзойти не удалось, а преимущества новых типов не востребованы в мобильных телефонах и ноутбуках, потребляющих относительно небольшой ток.

Если вы временно отложили свой аппарат, но хотите сберечь его аккумулятор в рабочем состоянии, – знайте, что лучше всего литий-ионные аккумуляторы хранятся при температуре около +5 °С. Чем она выше и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее стареет батарея и теряет емкость. Лучше всего зарядить ее до 40–50%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет, положить в холодильник (но не в морозильную камеру!) и периодически подзаряжать.

Вот и все, что я хотел сказать по поводу элементов питания, наших с вами друзья, электронных питомцев. Будь то телефон, плеер или фотокамера.

Данная статья подготовлена по материалам найденным на просторах интернета и собранным тут в кучку для удобства и понимания сути процесса.

Есть вопросы? Пишите в комментариях, и Я обязательно отвечу.

P.S. Друзья, если статья понравилась вам или стала вам полезной. Сделайте и мне взаимное добро. Поделитесь ссылкой на статью на своих страничках «Вконтакте», «Одноклассниках», «Facebook», «Tweeter» и других страничках. Для этого нужно всего лишь нажать кнопки внизу страницы и следовать простым шагам инструкции. Так же приглашаю вас подписаться на мою рассылку, тогда вы точно не пропустите следующую, надеюсь интересную и полезную, статью. Форма подписки находится в верхнем правом углу страницы.