Применение литий ионных аккумуляторов. Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях

Время работы современных смартфонов без подзарядки определяется их аккумуляторной батареей и ее характеристиками.

Какие бывают аккумуляторы?

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

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

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

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

Температура во время эксплуатации. На емкость аккумулятора напрямую влияет . Высокая температура способствует более быстрому накоплению энергии, при низкой температуре емкость значительно падает. Если вы будете использовать недостаточно заряженный , то он быстро разрядится. Причем существует риск опустить заряд до нуля, что крайне нежелательно - литиевые аккумуляторы страдают от полного разряда.

И противоположная ситуация. Заряженный на 100% смартфон используется под прямыми солнечными лучами. Образно говоря, в этом случае 100% заряда превращается в 110%, и получается излишек накопленной электроэнергии, что может привести к снижению емкости.

Исходя из этого, стоит соблюдать температурные условия работы гаджета. Причем речь не идет о естественном нагреве при активном использовании - такое повышение температуры для аккумулятора не представляет опасности

Время зарядки и зарядное устройство. Каждый литиевый источник оснащен специальным контроллером, который должен предохранить его от лишнего тока. При достижении полного заряда происходит отключение поступающего тока.

В работе контроллера возможны ошибки и погрешности, которые приводят к перезаряду. Иногда это связано с использованием неоригинальных зарядных устройств для смартфона. Не рекомендуется надолго оставлять в розетке заряжающийся смартфон по достижении им полного заряда. Также нужно использовать оригинальные зарядные устройства или те, чьи параметры .

Литиевые аккумуляторы нужно заряжать, не дожидаясь полного отключения устройства, к примеру, на 10-15% остаточного заряда. Их можно подпитывать по возможности в течение дня, например, USB-порта рабочего компьютера или в машине. Добиваться полного заряда необязательно.

Хранение. Если владелец смартфона планирует длительное время не использовать устройство, рекомендуемая степень заряда АКБ в этом случае должна составлять около 50%.

Количество циклов зарядки литиевых аккумуляторов составляет примерно 1200 раз. Простая арифметика говорит о том, что ресурса АКБ хватит минимум на 3 года. При соблюдении указанных выше рекомендаций можно увеличить срок службы батареи.

• 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.

Процессы зарядки разрядки любых аккумуляторных батарей протекают в виде химической реакции. Однако заряд литий-ионных аккумуляторов — это исключение из правил. Научные исследования показывают энергетику таких батарей как хаотичное перемещение ионов. Утверждения учёных мужей заслуживают внимания. Если по науке правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, тогда эти приборы должны служить вечно.

Подтверждённые практикой факты утраты полезной ёмкости АКБ учёные видят в ионах, блокируемых так называемыми ловушками.

Поэтому, как и в случае с другими подобными системами, литий-ионные приборы не застрахованы от дефектов в процессе их применения на практике.

Зарядные устройства для конструкций Li-ion имеют некоторое сходство с приборами, предназначенными для кислотно-свинцовых систем.

Но главные отличия таких зарядных устройств видятся в подаче завышенных напряжений на ячейки. К тому же отмечаются более жесткие допуски по токам, плюс исключение заряда прерывистым или плавающим способом при полной зарядке батареи.

Относительно мощный прибор питания, который может применяться в качестве накопителя энергии для конструкций альтернативных источников энергии

Если отличаются некоторой гибкостью, с точки зрения подключений/отключений напряжения, производители литий-ионных систем категорически отвергают такой подход.

Аккумуляторы Li-ion и правила эксплуатации этих приборов не допускают возможности безграничного превышения заряда.

Поэтому не существует для литий-ионных аккумуляторов так называемого «чудесного» зарядного устройства, способного продлить срок службы на длительное время.

Невозможно получить дополнительную емкость Li-ion за счёт импульсного заряда или прочих известных трюков. Литий-ионная энергетика — это своего рода «чистая» система, принимающая строго ограниченное количество энергии.

Зарядка кобальто-купажированных АКБ

Классические конструкции литий-ионных батарей оснащены катодами, структуру которых составляют материалы:

• кобальт,
• никель,
• марганец,
• алюминий.

Все они обычно заряжаются напряжением до 4,20В/я. Допускаемое отклонение составляет не более +/- 50 мВ/я. Но есть также отдельные виды литий-ионных аккумуляторов на основе никеля, которые допускают величину заряда напряжением до 4.10В/я.

Кобальт-купажированные литий-ионные аккумуляторные батареи оснащаются внутренними защитными цепями, но этот момент редко спасает от взрыва аккумулятора в режиме чрезмерного заряда

Также есть разработки литий-ионных АКБ, где увеличена процентная доля лития. Для них напряжение заряда может достигать значения 4,30В/я и выше.

Что же, увеличение напряжения увеличивает емкость, но выход напряжения за пределы спецификации чреват разрушением структуры АКБ.

Поэтому в массе своей литий-ионные аккумуляторы оснащаются защитными цепями, цель которых держать установленную норму.

Полный или частичный заряд

Однако практика показывает: большинство мощных литий-ионных АКБ могут принимать более высокий уровень напряжения при условии его кратковременной подачи.

При таком варианте эффективность зарядки составляет около 99%, а ячейка остается холодной в процессе всего времени заряда. Правда, некоторые литий-ионные батареи всё таки нагреваются на 4-5C при достижении полного заряда.

Возможно, это связано с защитой или объясняется высоким внутренним сопротивлением. Для таких АКБ следует останавливать заряд при росте температуры более 10ºC на умеренной норме заряда.

Литий-ионные батареи в зарядном устройстве на зарядке. Индикатор показывает полную зарядку аккумуляторов. Дальнейший процесс грозит повредить батареи

Полная зарядка кобальто-купажированных систем наступает с пороговым значением напряжения. При этом ток падает на величину до 3 -5% от номинала.

Аккумулятор будет показывать полный заряд и при достижении какого-то уровня ёмкости, остающегося неизменным в течение продолжительного времени. Причиной этому может стать повышенный саморазряд батареи.

Увеличение тока заряда и заряд насыщения

Следует отметить: увеличение тока заряда не ускоряет достижение состояния полного заряда. Литий- достигнет пика напряжения быстрее, но заряд до полного насыщения ёмкости требует больше времени. Тем не менее, зарядка аккумулятора большим током быстро увеличивает ёмкость батареи примерно до 70 %.

Литий-ионные аккумуляторы не поддерживают обязательной полной зарядки, как в случае с кислотно-свинцовыми приборами. Мало того, именно такой вариант зарядки нежелателен для Li-ion. Фактически, лучше зарядить АКБ не полностью, потому что высокое напряжение «напрягает» аккумулятор.

Выбор порога более низкого напряжения или полного съёма заряда насыщения способствуют продлению срока службы литий-ионной батареи. Правда, такой подход сопровождается уменьшением времени отдачи энергии АКБ.

Здесь следует отметить: зарядные устройства бытового назначения, как правило, работают на максимальной мощности и не поддерживают регулировки зарядного тока (напряжения).

Производители бытовых зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов считают продолжительный срок службы менее важным фактором, чем затраты на усложнение схемных решений.

Зарядные устройства литий-ионных батарей

Некоторые дешевые зарядные устройства бытового назначения часто работают по упрощенной методике. Заряжают литий-ионный аккумулятор в течение одного часа и менее, без перехода на заряд насыщения.

Индикатор готовности на таких устройствах загорается, когда батарея достигает порога напряжения на первом этапе. Состояние заряда при этом составляет около 85%, что нередко удовлетворяет многих пользователей.

Это зарядное устройство отечественного производства предлагается для работы с разными аккумуляторами, в том числе с литий-ионными АКБ. Аппарат имеет систему регуляции напряжения и тока, что уже хорошо

Зарядные устройства профессионального назначения (дорогостоящие) отличаются тем, что устанавливают порог зарядного напряжения ниже, тем самым продлевая срок службы литий-ионной батареи.

В таблице показаны расчетные мощности при заряде такими устройствами на разных пороговых значениях напряжения, с зарядом насыщения и без такового:

Напряжение заряда, В/на ячейку	Ёмкость при отсечке высокого напряжения, %	Время заряда, мин	Ёмкость при полном насыщении, %
3.80	60	120	65
3.90	70	135	75
4.00	75	150	80
4.10	80	165	90
4.20	85	180	100

Как только литий-ионный аккумулятор начинает заряжаться, отмечается быстрый рост напряжения. Такое поведение сравнимо с подъёмом груза резиновой лентой, когда имеет место эффект отставания.

Емкость, в конечном итоге, будет набрана, когда аккумулятор полностью зарядится. Такая характеристика заряда типична для всех АКБ.

Чем выше ток заряда, тем ярче эффект резиновой ленты. Низкая температура или наличие ячейки с высоким внутренним сопротивлением лишь усиливают эффект.

Структура литий-ионной аккумуляторной батареи в самом простейшем виде: 1- минусовая шина из меди; 2 — плюсовая шина из алюминия; 3 — анод из оксида кобальта; 4- катод из графита; 5 — электролит

Оценка состояния заряда путем считывания напряжения заряженной батареи нецелесообразна. Измерение напряжения разомкнутой цепи (холостой ход) после того, как батарея покоилась несколько часов, является лучшим оценочным индикатором.

Как и для других батарей, температура влияет на холостой ход точно так же, как влияет на активный материал литий-ионной АКБ. , ноутбуков и других устройств оценивается путем подсчета кулонов.

Литий-ионный АКБ: порог насыщения

Литий-ионный аккумулятор не способен поглощать избыточный заряд. Поэтому при полном насыщении аккумулятора ток заряда сразу необходимо снять.

Постоянный текущий заряд может привести к металлизации элементов лития, что нарушает принцип обеспечения безопасности эксплуатации таких АКБ.

Чтобы свести к минимуму образование дефектов, следует как можно быстрее отключать литий-ионный аккумулятор при достижении пика заряда.

Этот аккумулятор уже не возьмёт заряда ровно столько, сколько ему положено. По причине неправильной зарядки он утратил свои главные свойства накопителя энергии

Как только заряд прекращается, напряжение литий-ионного аккумулятора начинает падать. Проявляется эффект уменьшения физического напряжения.

Некоторое время напряжение холостого хода будет распределяться между неравномерно заряженными ячейками с напряжением 3,70 В и 3,90 В.

Здесь также обращает на себя внимание процесс, когда литий-ионная батарея, получившая полностью насыщенный заряд, начинает заряжать соседнюю (если таковая включена в схему), не получившую заряд насыщения.

Когда литий-ионные батареи требуется постоянно держать в зарядном устройстве с целью обеспечения их готовности, следует делать ставку на зарядные устройства, имеющие функцию кратковременного компенсационного заряда.

Зарядное устройство с функцией кратковременного компенсационного заряда включается, если напряжение разомкнутой цепи падает до 4.05 В/я и выключается при достижении напряжения 4.20 В/я.

Зарядные устройства, предназначенные для оперативной готовности или для работы в режиме ожидания, часто позволяют снизить напряжение батареи до 4,00В/я и заряжают литий-ионные АКБ только до уровня 4,05В/я, не давая достичь полного уровня 4.20В/я.

Подобная методика снижает напряжение физическое, неотъемлемо связанное с напряжением техническим, и способствует продлению срока службы батареи.

Заряд безкобальтовых аккумуляторов

Аккумуляторы в традиционном исполнении имеют номинальное напряжение ячейки равное 3,60 вольта. Однако для приборов, не содержащих кобальта, номинал другой.

Так, литий-фосфатные аккумуляторы обладают номиналом 3,20 вольта (зарядное напряжение 3,65В). А новые литий-титанатные аккумуляторы (производство Россия) имеют номинальное напряжение ячейки 2,40В (зарядное 2,85).

Литий-фосфатные аккумуляторные батареи относятся к накопителям энергии, которые не содержат в своей структуре кобальт. Этот факт несколько меняет условия зарядки таких аккумуляторов

Для таких батарей традиционные зарядные устройства не подходят, так как перегружают АКБ с угрозой взрыва. И наоборот, система зарядки для безкобальтовых батарей не обеспечит достаточным зарядом на 3,60В традиционный литий-ионный аккумулятор.

Превышенный заряда литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор безопасно работает в пределах заданных рабочих напряжений. Однако работа батареи становится нестабильной, если она заряжается выше рабочих норм.

Длительная зарядка литий-ионной батареи напряжением выше 4,30В, предназначенной под рабочий номинал 4.20В, чревата металлизацией анода литием.

Материал катода, в свою очередь, приобретает свойства окислителя, утрачивает стабильность состояния, выделяет углекислый газ.

Давление аккумуляторной ячейки нарастает и если заряд продолжается, устройство внутренней защиты сработает при давлении от 1000 кПа до 3180 кПа.

Если же рост давления продолжается и после этого, открывается защитная мембрана при уровне давления 3,450 кПа. В таком состоянии ячейка литий-ионного аккумулятора находится на грани взрыва и в конечном итоге именно так и происходит.

Структура: 1 — верхняя крышка; 2 — верхний изолятор; 3 — стальная банка; 4 — нижний изолятор; 5 — вкладка анода; 6 — катод; 7 — сепаратор; 8 — анод; 9 — вкладка катода; 10 — отдушина; 11 — PTC; 12 — прокладка

Срабатывание защиты внутри литий-ионного аккумулятора связано с повышением температуры внутреннего содержимого. Полностью заряженная аккумуляторная батарея имеет более высокую внутреннюю температуру, чем частично заряженная.

Поэтому литий-ионные батареи видятся более безопасными при условии низкоуровневой зарядки. Вот почему власти некоторых стран требуют использовать в самолётах Li-ion АКБ, насыщенные энергией не выше 30% от их полной ёмкости.

Порог внутренней температуры батарей при полной загрузке составляет:

• 130-150°C (для литий-кобальтовых);
• 170-180°C (для никель-марганец-кобальтовых);
• 230-250°C (для литий-марганцевых).

Следует отметить: литий-фосфатные аккумуляторы обладают лучшей температурной устойчивостью, чем литий-марганцевые АКБ. Литий-ионные батареи не единственные из числа тех, что представляют опасность в условиях энергетической перегрузки.

К примеру, свинцово-никелевые аккумуляторы также предрасположены к расплавлению с последующим возгоранием, если насыщение энергией выполняется с нарушениями паспортного режима.

Поэтому применение зарядных устройств, идеально подходящих к батарее, имеет первостепенное значение для всех литий-ионных аккумуляторов.

Некоторые выводы от анализа

Зарядка литий-ионных батарей отличается упрощённой методикой по сравнению с никелевыми системами. Схема зарядки прямолинейная, с ограничениями напряжения и тока.

Такая схема значительно проще, чем схема, анализирующая сложные сигнатуры напряжения, изменяющиеся по мере эксплуатации батареи.

Процесс насыщения энергией литий-ионных батарей допускает прерывания, эти аккумуляторы не нуждается в полном насыщении, как в случае с кислотно-свинцовыми АКБ.

Схема контроллера для маломощных литий-ионных аккумуляторов. Простое решение и минимум деталей. Но схема не обеспечивает условия цикла, при которых сохраняется длительный срок службы

Свойства литий-ионных аккумуляторов обещают преимущества в работе возобновляемых источников энергии (солнечных панелей и ветряных турбин). Как правило, или ветрогенератор редко обеспечивают полный заряд аккумулятора.

Для литий-иона отсутствие требований стабильной подзарядки упрощает схему контроллера заряда. Литий-ионный аккумулятор не требует контроллера, выравнивающего напряжение и ток, как того требуют свинцово-кислотные АКБ.

Все бытовые и большинство промышленных литий-ионных зарядных устройств полностью заряжают аккумулятор. Однако существующие устройства зарядки литий-ионных батарей в массе своей не обеспечивают регуляцию напряжения в конце цикла.

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.

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:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - для катода.
2. 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:

1. цилиндрический;
2. 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:

1. до определенного момента протекает максимальный ток заряда;
2. 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.