Литий-ионные батареи: устройство аккумуляторов

Другое освещение
Содержание
  1. Как появились литий─ионные батареи?
  2. Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе
  3. Реакции на отрицательном электроде
  4. Реакции на положительном электроде
  5. Из чего делают литий-ионный аккумулятор
  6. Правила эксплуатации li ion аккумуляторов
  7. Устройство литий─ионных аккумуляторов
  8. Параметры Li-Ion аккумуляторов
  9. Эксплуатация литий─ионных батарей
  10. Зарядка Li─Ion аккумуляторов
  11. Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ
  12. Безопасность
  13. Как работают литий-полимерные аккумуляторы в смартфонах
  14. Особенности литий-ионных аккумуляторов.
  15. Опасность взрыва и возгорания
  16. Эффект памяти
  17. Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд
  18. Старение
  19. Оригинальные и не оригинальные
  20. Температура использования
  21. Защита литий─ионных батарей
  22. Как функционирует защита АКБ?
  23. Деградация Li─Ion аккумуляторов
  24. Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей
  25. Как уберечь Li-ионный аккумулятор, поставив его на хранение?
  26. Разновидности литиевых аккумуляторов
  27. Принцип работы и устройство
  28. Применение литий ионных аккумуляторов
  29. Как стартерные батареи
  30. Как тяговое устройство

Как появились литий─ионные батареи?

Самые первые элементы литиевых анодных батарей были произведены в семидесятых годах прошлого века. У них была высокая удельная энергоемкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно пытались разработать источник щелочных металлов, обладающий высокой активностью. В результате были достигнуты высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов велась достаточно быстро, но их практическое использование вызвало трудности. Справиться с ними удалось только в 90-х годах прошлого века.

Конструкция, работа и особенности литий-ионного аккумулятора

За эти 20 лет исследователи пришли к выводу, что литиевый электрод — основная проблема. Этот металл очень активен и во время работы произошел ряд процессов, которые в конечном итоге привели к возгоранию. Это стало известно как вентиляция пламени. По этой причине в начале 1990-х производители были вынуждены отозвать выпущенные аккумуляторы для сотовых телефонов.

Произошло это после серии инцидентов. В момент разговора ток, потребляемый батареей, достиг максимума и вентиляция началась с выбросом пламени. В результате было много инцидентов с ожогами лица от пользователей. Поэтому ученым пришлось доработать конструкцию литий-ионных аккумуляторов.

Металлический литий крайне нестабилен, особенно во время зарядки и разрядки. Поэтому исследователи начали создавать аккумуляторную батарею литиевого типа без использования лития. Стали использоваться ионы этого щелочного металла. Отсюда и их название.

Литий-ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем литий-ионные.

Но я в безопасности, если соблюдены стандарты зарядки и разрядки.

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Шагом в направлении внедрения литий-ионных аккумуляторов в бытовую электронику явилась разработка аккумуляторов, в которых отрицательный электрод был изготовлен из углеродного материала. Кристаллическая решетка углерода очень подходит в качестве матрицы для внедрения ионов лития. Для увеличения напряжения аккумулятора положительный электрод был изготовлен из оксида кобальта. Потенциал литого оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.

Большинство литий-ионных аккумуляторов имеют рабочее напряжение от 3 вольт. Во время разряда на отрицательном электроде литий деинтеркалируется от углерода и внедряется в оксид кобальта положительного электрода. В процессе зарядки все происходит в обратном порядке. Оказывается, металлического лития в системе нет, но его ионы работают, переходя от одного электрода к другому, создавая электрический ток.

Реакции на отрицательном электроде

Все существующие литий-ионные батареи на рынке имеют угольный отрицательный электрод. Сложный процесс внедрения лития в углерод во многом зависит от природы этого материала, а также от электролитического вещества. Углеродная матрица на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (природный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т.д.).

Во время интеркаляции ионы лития отталкивают углеродные слои, проникая друг в друга. Получаются различные прослойки. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем углеродной матрицы изменяется незначительно. В дополнение к углеродистому материалу в отрицательном электроде могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также стараются использовать композиты с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т.д.

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батареях) для изготовления положительного электрода часто используются различные материалы. Этого нельзя сделать с батареями, и выбор материала ограничен. Таким образом, положительный электрод литий-ионной батареи изготовлен из литий-никелевого или оксидного кобальта. Также можно использовать литий-марганцевые шпинели.

В настоящее время ведутся исследования материалов для катода, состоящих из смешанных фосфатов или оксидов. Как удалось продемонстрировать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Также разрабатываются методы нанесения оксидов на поверхность катода.

Реакции, которые происходят в литий-ионном аккумуляторе, когда он заряжен, можно описать следующими уравнениями:

положительный электрод

LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe—

отрицательный электрод

С + xLi + + xe— → CLix

В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.

На рисунке ниже схематично показаны процессы, происходящие в литий-ионном аккумуляторе во время зарядки и разрядки.

Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В настоящих литий-ионных батареях графит и оксид лития покрыты слоем меди и алюминия. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас графит, а на тонком листе алюминия — оксид лития.

Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор

Минус аккума убран с медной фольги и больше всего с алюминиевой.

Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор

ну между ними еще и сепаратор пропитанный электролитом

Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор

Для уменьшения объема все эти три слоя сворачиваются».

Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор

цилиндрическая конструкция аккумулятора
цилиндрическая конструкция аккумулятора

таким образом образуя знакомую всем нам цилиндрическую литий-ионную батарею

тесла аккумулятор

Правила эксплуатации li ion аккумуляторов

На срок службы литиевой батареи влияет множество факторов, знание которых значительно увеличит ресурс. При использовании этого типа аккумулятора вам необходимо:

  1. Старайтесь не разряжать аккумулятор полностью. Несмотря на высокую устойчивость аккумулятора к подобным воздействиям, желательно не выжимать из него все «соки». Будьте особенно осторожны при обращении с такими батареями с ИБП и электродвигателями большой мощности. Если аккумулятор полностью разряжен, нужно немедленно его оживить, то есть подключить к специальному зарядному устройству. Аккумулятор можно трясти даже после длительного нахождения в состоянии глубокой разрядки, для чего необходимо провести качественную зарядку в течение 12 часов, а затем разрядить аккумулятор.
  2. Не перегружайте. Перегрузка отрицательно сказывается на характеристиках продукта. Встроенный контроллер не всегда может вовремя выключить аккумулятор, особенно когда зарядка производится в холодном помещении.

В дополнение к перезарядке и чрезмерной разрядке аккумулятор необходимо защищать от чрезмерного механического воздействия, которое может привести к протечке корпуса и возгоранию внутренних компонентов аккумулятора. По этой причине почтовые расходы запрещены для аккумуляторов, в которых содержание чистого лития превышает 1 г.

Применение
Используется как аккумулятор для отверток, ноутбуков и телефонов

Читайте также: Что можно сделать из старого музыкального центра

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своей конструкции литий-ионные аккумуляторы выполнены в цилиндрической и призматической конструкции. Цилиндрическая конструкция представляет собой электродный валок с разделительным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещен в алюминиевый или стальной корпус. К нему прикреплен отрицательный электрод.

Положительный контакт выполнен в виде контактной площадки на конце батареи.

Цилиндрический литий-ионный аккумулятор

Цилиндрический литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы призматической конструкции изготавливаются путем наложения прямоугольных пластин друг на друга. Такие аккумуляторы позволяют сделать упаковку более плотной. Сложность заключается в поддержании сжимающей силы на электродах. Батареи призматические с группой спирально скрученных электродов.

Литий-ионный призматический аккумулятор

Литий-ионный призматический аккумулятор

Любая литий-ионная батарея разработана с учетом мер, обеспечивающих безопасную работу. В первую очередь это касается предотвращения нагрева и возгорания. Под крышкой аккумуляторного отсека установлен механизм, увеличивающий сопротивление аккумулятора при увеличении температурного коэффициента. Когда давление внутри батареи превышает допустимый предел, механизм ломает положительный вывод и катод.

Кроме того, для повышения эксплуатационной безопасности литий-ионных аккумуляторов необходима электронная плата. Его цель — контролировать процессы зарядки и разрядки, предотвращать перегрев и короткое замыкание.

Сегодня в производстве выпускается много призматических литий-ионных аккумуляторов. Они используются в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может варьироваться от производителя к производителю, поскольку не существует единой стандартизации. Электроды противоположной полярности разделены разделителем. Для его производства используется пористый полипропилен.

Конструкция литий-ионных аккумуляторов и других типов литиевых аккумуляторов всегда герметична. Это обязательное требование, так как потеря электролита не допускается. В случае утечки электроника будет повреждена. Кроме того, герметичная конструкция предотвращает попадание воды и кислорода в аккумулятор. Попадая внутрь, они разрушают аккумулятор из-за реакции с электролитом и электродами. Производство компонентов для литиевых батарей и их сборка происходит в специальных сухих боксах в атмосфере аргона. В этом случае используются сложные приемы сварки, герметизации и т.д.
Когда речь идет об активной массе литий-ионного аккумулятора, производители всегда ищут компромисс. Они должны достигать максимальной мощности и обеспечивать безопасную работу. За основу взято отношение:

Ao / Ap = 1.1, где

Ao — активная масса отрицательного электрода;

Ap — активная масса положительного электрода.

Этот баланс предотвращает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.

Параметры Li-Ion аккумуляторов

Производимые сегодня литий-ионные аккумуляторы обладают высокой удельной энергоемкостью и рабочим напряжением. Последнее в большинстве случаев составляет от 3,5 до 3,7 вольт. Потребляемая мощность колеблется от 100 до 180 ватт-часов на килограмм или от 250 до 400 на литр. Некоторое время назад производители не могли производить батареи емкостью более нескольких ампер-часов. Теперь проблемы, мешающие развитию в этом направлении, устранены. Таким образом, в продаже стали появляться литиевые батареи емкостью в несколько сотен ампер.

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор

Ток разряда современных литий-ионных аккумуляторов составляет от 2С до 20С. Работают в диапазоне температур окружающей среды от -20 до +60 градусов Цельсия. Есть модели, которые работают при -40 градусах Цельсия. Но сразу стоит сказать, что при низких температурах работают аккумуляторы особой серии. Обычные литий-ионные аккумуляторы для сотовых телефонов становятся непригодными для использования при отрицательных температурах.

Саморазряд этого типа АКБ составляет 4-6% в течение первого месяца. Затем он уменьшается и составляет процент в год. Это значительно ниже, чем у никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батарей. Продолжительность около 400-500 циклов заряда-разряда.

Эксплуатация литий─ионных батарей

Зарядка Li─Ion аккумуляторов

Зарядка литий-ионных аккумуляторов обычно комбинированная. Сначала их заряжают постоянным током 0,2–1 ° С до получения напряжения 4,1–4,2 вольта. Итак, зарядка происходит при постоянном напряжении. Первый этап длится около часа, второй — около двух. Импульсный режим используется для более быстрой зарядки аккумулятора. Изначально выпускались литий-ионные аккумуляторы с графитом, и для них было установлено ограничение по напряжению 4,1 вольта на одну банку. Дело в том, что при более высоком напряжении в ячейке начались побочные реакции, сокращающие срок службы этих аккумуляторов.

Постепенно эти недостатки устранялись легированием графита различными добавками. Современные литий-ионные элементы могут легко заряжаться до 4,2 вольт. Погрешность составляет 0,05 вольт на ячейку. Существуют литий-ионные аккумуляторные батареи для военного и промышленного применения, где требуется большая надежность и длительный срок службы. Для таких батарей максимальное напряжение на элемент составляет 3,90 вольт. У них немного меньшая плотность энергии, но больший срок службы.

Если зарядить литий-ионный аккумулятор током 1С, время полного набора емкостей составит 2─3 часа. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда напряжение повышается до максимального значения, а ток падает до 3% от значения в начале процесса зарядки. Это можно увидеть на графике ниже.

Заряжает ток и напряжение литий-ионного аккумулятора во время зарядки

Заряжает ток и напряжение литий-ионного аккумулятора во время зарядки

В приведенной ниже таблице показаны фазы зарядки литий-ионного аккумулятора.

Фазы зарядки литий-ионного аккумулятора

Фазы зарядки литий-ионного аккумулятора

Процесс зарядки состоит из следующих этапов:

  • Фаза 1. В этой фазе через батарею протекает максимальный зарядный ток. Продолжайте до достижения порогового напряжения;
  • Фаза 2. При постоянном напряжении на аккумуляторе зарядный ток постепенно уменьшается. Эта фаза прерывается, когда ток снижается до 3% от начального значения;
  • Шаг 3. Если аккумулятор хранится, на этом шаге выполняется периодическая зарядка для компенсации саморазряда. Ходит примерно каждые 500 часов.
    из практики известно, что увеличение зарядного тока не приводит к сокращению времени зарядки аккумулятора. По мере увеличения тока напряжение быстрее повышается до порогового значения. Но тогда вторая фаза зарядки длится дольше. Некоторые зарядные устройства (зарядные устройства) могут зарядить литий-ионный аккумулятор за один час. В таких зарядных устройствах вторая ступень отсутствует, но реально аккумулятор к этому моменту заряжен примерно на 70 процентов.

Что касается непрерывной зарядки, то она не применима к литий-ионным аккумуляторам. Это связано с тем, что этот тип батареи не может поглощать избыточную энергию во время зарядки. Зарядка струи может привести к переходу части ионов лития в металлическое состояние (валентность 0).

Короткий заряд хорошо компенсирует саморазряд и потерю электроэнергии. Третью ступень можно заряжать каждые 500 часов. Как правило, это происходит при падении напряжения аккумулятора до 4,05 вольт на элемент. Зарядка производится до повышения напряжения до 4,2 вольт.

Стоит отметить слабую стойкость литий-ионных аккумуляторов к перегрузкам. В результате подачи избыточного заряда на углеродную матрицу (отрицательный электрод) может начаться осаждение металлического лития. Он обладает очень высокой химической активностью и взаимодействует с электролитом. В результате у катода начинается выделение кислорода, что грозит повышением давления в организме и разгерметизацией. Поэтому, если вы заряжаете литий-ионный элемент в обход контроллера, не допускайте повышения напряжения во время зарядки сверх рекомендованного производителем аккумулятора. Непрерывная зарядка аккумулятора сокращает срок его службы.

Производители уделяют пристальное внимание безопасности литий-ионных аккумуляторов. Зарядка прекращается, когда напряжение поднимается выше допустимого уровня. Также установлен механизм отключения заряда при температуре аккумулятора выше 90 градусов Цельсия. Некоторые современные модели аккумуляторов имеют в своей конструкции переключатель механического типа. Он активируется при повышении давления внутри аккумуляторного отсека. Механизм контроля напряжения электронной платы отключает судно от внешнего мира на минимальное и максимальное напряжение.

Есть литий-ионные аккумуляторы без защиты. Это модели, содержащие марганец. Этот элемент при перегрузке помогает подавить металлизацию лития и выделение кислорода. Поэтому в таких батареях защита становится бесполезной.

Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ

Литиевые батареи хранятся достаточно хорошо и саморазряд за год составляет всего 10-20%, в зависимости от условий хранения. Но в то же время деградация элементов аккумулятора продолжается, даже если он не используется. В целом, все электрические параметры литий-ионного аккумулятора могут отличаться для каждого конкретного случая.

Литий-ионный аккумулятор

Например, напряжение разряда изменяется в зависимости от состояния заряда, силы тока, температуры окружающей среды и т.д. На срок службы батареи влияют токи и режимы цикла разряд-заряд, температура. Одним из основных недостатков литий-ионных аккумуляторов является их чувствительность к режиму заряда-разряда, поэтому они обеспечивают множество различных типов защиты.

В следующих таблицах показаны разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов. Они рассмотрели зависимость напряжения от тока разряда и температуры окружающей среды.

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных токах разряда

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных токах разряда

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных температурах

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных температурах

Как видите, при увеличении тока разряда падение емкости незначительно. Но при этом значительно снижается рабочее напряжение. Похожая картина наблюдается при температуре ниже 10 градусов Цельсия. Также стоит отметить начальное падение напряжения аккумулятора.

Безопасность

В общем, к настоящему времени проблема защиты литий-ионных аккумуляторов уже решена. Электронная защита контролирует процесс зарядки и разрядки. Кроме того, материал катода постоянно совершенствуется, в том числе в сторону термической стабильности.

Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенную защиту от внутренних коротких замыканий. Некоторые категории аккумуляторов также оснащены внешней защитой от короткого замыкания. Внутренняя защита выполнена в виде двухслойного разделителя. Один слой выполнен из полипропилена, а второй — из аналога полиэтилена. Если из-за появления дендритов лития происходит короткое замыкание, этот второй слой плавится из-за нагрева. В результате он становится непроницаемым, что предотвращает дальнейший рост дендритов лития по направлению к положительному электроду.

Как работают литий-полимерные аккумуляторы в смартфонах

Литий-полимерный аккумулятор Google Pixel 2 (Источник изображения: Reichelt)

Технология изготовления литий-полимерных батарей значительно новее, чем литий-ионные: она была разработана в 1970-х годах и относительно недавно вошла в смартфоны. Например, Samsung только начала массово использовать его с выпуском Galaxy S20, но в Galaxy Note 20 они вернулись к литий-ионным батареям.

В литий-полимерных батареях используются аналогичные электроды с положительным и отрицательным зарядом, но жидкость не используется в качестве электролита — ее заменяют пористым химическим электролитом или гелем (ранее также использовалось сухое твердое вещество, но в конечном итоге от него отказались). В результате такие батареи могут быть выполнены в гораздо большем количестве вариантов по форме, а не только в виде одного или нескольких параллелепипедов, соединенных между собой. Кроме того, конструкция литий-полимерных аккумуляторов более надежна и безопасна — вероятность протечки и возгорания в этом случае значительно ниже, поэтому элементы можно упаковать не только в прочный корпус.

Конечно, у этой технологии есть и существенные недостатки. Во-первых, при использовании другого типа электролита производственные затраты резко возрастают. Это также сокращает срок службы батареи и не позволяет ей накапливать столько энергии.

Интересный факт: некоторые производители называют литий-полимерные батареи литий-ионными полимерными батареями. В данном случае имеется в виду корпус: вместо традиционного жесткого пластика для литий-ионных аккумуляторов в данном случае используется мягкий полимер.

Особенности литий-ионных аккумуляторов.

Некоторые плюсы и минусы, а также особенности литий-ионных аккумуляторов стоит разбирать отдельно. Во-первых, те, которые существенно влияют на работу и срок службы аккумулятора.

Опасность взрыва и возгорания

Считается, что это одна из ключевых проблем. Поэтому в самолетах их запрещено провозить в зарегистрированном багаже. Однако на данный момент опасность преувеличена (хотя, в случае с авиацией, лучше перестраховаться, и здесь запрет имеет смысл). Литий-ионные аккумуляторы первого поколения, в которых анод был сделан из лития, часто взрывались. После циклов заряда и разряда на нем образовались дендриты, что привело к короткому замыканию, которое вызвало пожар или взрыв. Материал анода заменен на графит, и этот недостаток устранен.

Сегодня такое случается редко, но в СМИ часто можно увидеть новости о взрыве смартфонов и т.д. Причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, некачественные аккумуляторы, короткие замыкания внутри аккумулятора (они и есть не пришлось полностью устранить эту проблему). В настоящее время наиболее опасным компонентом является электролит, который при повышении температуры способен разлагаться на легковоспламеняющиеся материалы.

В принципе, при использовании качественного литий-ионного аккумулятора соблюдаются все правила эксплуатации, поэтому вероятность взрыва или пожара крайне мала. Это как если бы тебя ударила молния — никто не застрахован, но такое случается очень редко.

О вымирании поговорим отдельно. В процессе горения протекают нетрадиционные химические реакции, поэтому литий-ионный аккумулятор может гореть даже без кислорода. Кроме того, литий может образовывать водород при контакте с водой. Если небольшую батарею можно потушить водой, то в случае большой (например, в электромобилях) это будет неэффективным способом тушения.

Литиевая батарея в машине

Эффект памяти

К достоинствам литий-ионных аккумуляторов традиционно можно отнести отсутствие эффекта памяти, особенно по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Однако недавние исследования показали, что это ошибка, но эффект настолько мал, что его можно игнорировать.

Это ионы лития, которые теряют свои свойства, когда они не полностью заряжены. Некоторые из них остаются на катоде, переходят в предельное состояние. То есть они действительно подошли к барьеру освобождения, но не переступили его. Следовательно, во время зарядки, когда свободные ионы пытаются вернуться на свое место, они встречаются с ионами, находящимися в предельном состоянии, и, таким образом, процесс усложняется, а структура электрода изменяется. Есть несколько советов, как избавиться от этого эффекта, но, опять же, они несущественны.

Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд

Выше мы писали, что данные батареи использует контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это очень важно, так как напряжение батареи может снижаться по мере увеличения напряжения. Нормальная зарядка выглядит следующим образом:

  • На первом этапе используется небольшой ток с напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
  • Номинальный ток, напряжение до 4,2В;
  • В завершающей стадии напряжение тоже 4,2В, но ток минимальный.

В принципе, обычному пользователю знать не нужно, контроллер и зарядное устройство автоматически поддерживают эти режимы. Эта схема стандартна и автоматически предусмотрена в современных устройствах.

О глубоких выделениях существует очень четкое мнение: допускать их нельзя. В идеале аккумулятор не нужно разряжать ниже 20%, это значительно продлит срок его службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, его количество циклов разрядки и заряда будет примерно 500, а если только 10%, то 4500 и более. То есть разница будет в 9 раз.

Многое зависит от типа устройства, в котором используется аккумулятор. Конечно, для смартфона или электроинструмента зарядка до уровня даже 70-80% емкости аккумулятора кажется невозможной, это просто усложнит эксплуатацию. Но допускать разряд менее 20% стоит только в крайнем случае, это действительно значительно продлевает срок службы батареи.

Компактный литий-ионный аккумулятор

Старение

Аккумулятор данного типа подвержен процессу старения, это довольно серьезный недостаток. С этой точки зрения нет смысла покупать «запасные» аккумуляторы и долго хранить их, но не использовать. Поэтому, если вы покупаете литий-ионный аккумулятор отдельно, вам следует внимательно следить за датой производства. Подавляющее большинство не может служить более пяти лет (среднее значение).

Кроме того, условия хранения также существенно влияют на время хранения. Оптимальные условия: заряд 40%, температура от 0 до +10 градусов Цельсия. А срок хранения до 5 лет означает снижение емкости до 80% от номинала.

Оригинальные и не оригинальные

Литий-ионные аккумуляторы производят многие компании, и каждый видел картину, когда аккумулятор от производителя устройства намного дороже аналогичного. В этом случае емкость может быть такой же. Стоит экономить? Вопрос сложный, это зависит от того, какое устройство использует аккумулятор.

Давайте посмотрим на примере смартфонов. Выше мы писали, что при зарядке используется контроллер, но в случае со смартфонами он не в аккумуляторе, а в самом телефоне. То есть все функции, которые должны обеспечивать эффективную работу, делегируются самому устройству. Это было сделано намеренно, подобный подход изначально создает худшие условия, чем оригинальные батареи.

Но есть устройства (например, электроинструмент, некоторые ноутбуки), где эта проблема не актуальна и вы не заметите там никакой разницы. Поэтому идея о том, что «дешевые литий-ионные аккумуляторы в Китае — это плохо», отчасти является мифом. Да, есть продукты низкого качества, но часто падение производительности происходит из-за факторов, на которые производитель аккумуляторов никак не может повлиять.

Температура использования

У большинства литий-ионных аккумуляторов рабочая температура составляет от -20 до +50 градусов. Не допускаются перегревание и переохлаждение. Также нельзя заряжать при низких температурах. Также при понижении температуры емкость уменьшается. При отрицательных температурах аккумулятор может потерять до 50% своей емкости, а это означает, что он будет разряжаться в два раза быстрее.

Есть батареи с внутренним подогревом (если имеется в виду работа при очень низких температурах), а некоторые устройства сами могут выступать в роли обогревателя во время работы, что немного расширяет диапазон значений. Лучшая температура для литий-ионных аккумуляторов +20 градусов. Изменения, как положительные, так и отрицательные, отрицательно влияют на мощность и ресурсы.

Литий-ионные аккумуляторы

Защита литий─ионных батарей

Выше мы несколько раз говорили о защите литий-ионных аккумуляторов. Обобщим всю информацию.

В литиевых батареях используется полевой транзистор для размыкания цепи при повышении напряжения элемента до 4,3 вольт. Термозащита отключает цепь, когда батарея нагревается выше 90 градусов Цельсия. Даже в литий-ионных аккумуляторах можно найти предохранитель, который срабатывает при повышении давления в корпусе до 1034 кПа. Кроме того, устанавливаются схемы, защищающие элемент от глубоких разрядов. Их цель — разорвать цепь при падении напряжения на ячейке до 2,5 вольт.

Как функционирует защита АКБ?

Схема защиты литий-ионного аккумулятора имеет сопротивление 0,05-0,1 Ом при включении телефона. Это два ключа, соединенные последовательно. Первый предназначен для работы при более высоком значении, а второй — при более низком значении напряжения батареи. Сопротивление удваивает внутреннее сопротивление батареи. Аккумулятор обеспечивает максимальный ток при низком внутреннем сопротивлении. Схема защиты действует как препятствие для неконтролируемого роста тока (как зарядки, так и разрядки) аккумулятора.

Кроме того, схема защиты может быть реализована с использованием химических добавок. Для этого используется марганец. В таких аккумуляторах вместо схемы защиты установлен только предохранитель. И все это никак не сказывается на безопасности. Марганец предохраняет аккумулятор от перегрева и воспламенения. Отказ от электронных схем снижает стоимость литий-ионных батарей, но это создает другую проблему. Пользователь может зарядить этот аккумулятор «неродным» зарядом. И в этом случае может случиться так, что зарядное устройство не останавливает процесс при полной зарядке. Значит, без схемы будет перезарядка и выход аккумулятора из строя. Подобные вещи заканчиваются раздутым корпусом.

Деградация Li─Ion аккумуляторов

Каковы причины деградации литий-ионных аккумуляторов и какие факторы приводят к снижению емкости? Этот:

  • расслоение графитовой матрицы;
  • разрушение катодной конструкции;
  • образование частиц металлического лития;
  • появление пассивирующей пленки на электродах. Снижает поверхностную активность;
  • разрушение механической структуры электрода из-за изменения объема электродов в процессе заряда-разряда.

Специалисты еще не пришли к единому мнению, какой электрод (катод или анод) больше всего меняется в процессе эксплуатации. На конечный результат влияет материал электрода и его чистота. Заявленный ресурс современных литий-ионных аккумуляторов составляет от 500 до 1000 циклов разряд-заряд до снижения емкости на 20 процентов. Но результат сильно зависит от величины зарядного напряжения. Результаты поиска специалистов показали следующие результаты.

Зависимость от емкости литий-ионного аккумулятора при разных пороговых напряжениях зарядки

Зависимость от емкости литий-ионного аккумулятора при разных пороговых напряжениях зарядки

Следует отметить, что с уменьшением «ширины цикла» продолжительность увеличивается. Что это означает? То есть нет необходимости разряжать телефон перед выключением и зарядкой до 100%. Это снижает механическую нагрузку на электроды, вызванную изменением объема из-за введения ионов лития. Чем глубже разряд и чем полнее заряд, тем большее механическое напряжение испытывают электроды.

Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей

Литий-ионные аккумуляторы уже превратились в полноценное семейство аккумуляторов, например щелочные или автомобильные. Они выделяются среди остальных аккумуляторных блоков высоким энергопотреблением, режимами заряда-разряда и рядом других особенностей. Их работа требует использования электронных схем управления зарядом-разрядом и других средств защиты.

В случае литиевых батарей задача их безопасного использования осложняется требованиями к размерам. Они должны быть максимально компактными, поскольку используются в портативной электронике. Из-за близости электродов и стремления достичь максимальной удельной емкости литий-ионные аккумуляторы долгое время не могли выпускаться на рынок для коммерческого использования.

Новые электродные материалы находятся в стадии активной разработки. Кроме того, при использовании нового материала проходит много времени, прежде чем его можно будет внедрить в массовое производство.

Литиевые батареи на рынке представлены довольно широко по электрическим характеристикам, габаритам и т.д. Отчасти это связано с тем, что в этом направлении нет единых стандартов. Кроме того, рынок наводнили товары из Китая и других стран азиатского региона. Эти производители часто не придерживаются каких-либо стандартов, стараясь выпустить максимум из имеющихся аккумуляторов.

Куда пойдет развитие литий-ионных аккумуляторов? Специалисты в этой области считают, что основным направлением их развития являются «умные батареи». Эта тенденция сейчас четко прослеживается в различных электронных устройствах. То есть идентификация аккумулятора, состояние заряда, допустимое напряжение, температура — все эти аккумуляторы необходимо заменить мобильным устройством.

Кроме того, усовершенствование литий-ионных аккумуляторов будет осуществляться в направлении уменьшения габаритов, увеличения энергопотребления, более гибких решений с точки зрения формы и т.д. Кроме того, ведутся работы в направлении разработки катодных материалов на основе соединений лития. Их цель — создать модели литиевых батарей, которые могут заменить никель-кадмиевые батареи в устройствах, потребляющих большой ток (портативные электроинструменты).

Как уберечь Li-ионный аккумулятор, поставив его на хранение?

Аккумуляторы
Перед хранением литий-ионного аккумулятора нужно последовательно соблюдать несколько правил:

  1. Правило 1. Лучше всего хранить аккумулятор в не влажном и не жарком месте.
  2. Правило 2. Выньте аккумулятор из электроприбора.
  3. Правило 3. Обязательно загрузите товар перед тем, как поставить его на хранение. Для предотвращения коррозии внутренних элементов минимальное напряжение U = 2,5В на элемент.

Саморазряд литий-ионных аккумуляторов низкий, поэтому о его хранении много лет можно не беспокоиться. Однако следует помнить, что емкость продукта также будет постепенно уменьшаться.

Разновидности литиевых аккумуляторов

В современном мире существует огромное количество изменений литиевых аккумуляторных батарей. На данный момент в производстве более широко используются лишь некоторые из них:

  • фосфат лития-железа, известный своей износостойкостью, высокой термической стабильностью, безопасностью эксплуатации и длительным сроком эксплуатации;
  • литий-кобальтовые, выделяющиеся на фоне аналогов показательными удельными энергозатратами, но низкой термической стабильностью и коротким жизненным циклом;
  • литий-марганцевые, главное преимущество которых заключается в умеренном расходе удельной энергии, хотя и с низким сопротивлением
  • оксид лития-никеля-кобальта-алюминия хорошей плотности и энергоемкости, перспективный срок службы;
  • титанат лития, обеспечивающий быструю зарядку, хорошие характеристики, способность не терять свою способность при критических температурах;
  • оксид лития-никеля-марганца-кобальта дает низкое внутреннее сопротивление, высокую удельную емкость.

Аккумуляторы используются для создания различных продуктов: Li-Co — в ноутбуках, смартфонах, видео и фотоаппаратах, Li-Mn — в медицинском оборудовании и специальных инструментах, LiNiMnCoO2 — в электромобилях, электровелосипедах, телекоммуникациях, электростанциях, системах безопасности; LiFePO4 — в оборудовании, рассчитанном на большие токи нагрузки, LiTi — в уличном освещении, источниках бесперебойного питания, электромобилях; LiNiCoAlO2 — в блоках питания, медицинские исследования.

Усовершенствованной версией литиевых батарей считается полимерная батарея, в которой используется гелеобразный электролит, сухой или изготовленный из полимерной матрицы. В таких устройствах электролит размещен на полимерной пленке, что обеспечивает хороший ионный обмен. Такая конструкция определяет микроразмеры ячеек, безопасность их работы и простоту изготовления, что позволяет многим специалистам сказать: будущее за полимерными аккумуляторами!

Принцип работы и устройство

Литий-ионный аккумулятор имеет следующий принцип работы:

  • После подачи тока на контакты батареи катионы лития переходят в анод;
  • Во время использования и прямого разряда ионы лития покидают анод и проникают в диэлектрик на глубину примерно 50 нм.

Количество циклов заряда за весь срок службы аккумулятора может составлять 1000. Примечательно, что при глубоком разряде пластины истока не окисляются. Но не все типы литий-ионных аккумуляторов полностью разряжены. Например, если установлена ​​в телефоне или фотоаппарате, при глубоком разряде карта блокирует возможность зарядки. Зарядить можно будет только с помощью специального устройства.

А вот литиевые тяговые аккумуляторы для лодочных моторов совершенно не боятся полной потери заряда. Литий-ионный аккумулятор обычно состоит из нескольких источников питания, соединенных параллельно или последовательно.

Применение литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы используются в большинстве мобильных устройств. Дело в том, что у них нет аналогов в тех случаях, когда необходимо выделить электричество практически в полном объеме. Они также необходимы для длительного использования, так как способны выдерживать большое количество циклов разряд-заряд без снижения своей емкости.

Преимуществом литий-ионных аккумуляторов является их небольшой вес, так как нет необходимости использовать свинцово-кислотные сети. Благодаря отличным характеристикам устройства используются в различных формах.

Как стартерные батареи

Литиевые батареи дешевеют с каждым годом. Это связано с новыми разработками, снижающими производственные затраты. Но на данный момент литий-ионные автомобильные аккумуляторы достаточно дороги и купить их может далеко не каждый автовладелец. Также не рекомендуется использовать этот тип аккумуляторов в северных регионах, так как при низких температурах мощность падает и использовать их будет нецелесообразно.

Как тяговое устройство

Этот тип довольно устойчив к сильным разрядам, хотя делать это не рекомендуется. Их ставят на моторные лодки. Если мотор не слишком мощный, батареи обычно хватает на 5-6 часов непрерывной работы. Кроме того, на зарядном оборудовании, работающем в помещении, устанавливается литий-ионный аккумулятор.

Оцените статью
Блог про электронику