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.

За это время решались в основном вопросы с безопасность использования литиевых аккумуляторов, подбором материалов и т. п. Вторичные литиевые элементы с апротонными электролитами и разновидность с твёрдым катодом похожи по электрохимическим процессам, протекающих в них. В частности, на минусовом электроде идёт анодное растворение лития. В кристаллическую решётку плюсового электрода идёт внедрение лития. Когда аккумуляторный элемент заряжается, то процессы на электродах идут в обратном направлении.

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.

Первые эксперименты по созданию литиевых гальванических элементов были зафиксированы еще в 1012 году. Реально действующую модель смогли создать в 1940 году, первые серийные экземпляры (неперезаряжаемые!), появились 70-х годах, а триумфальное шествие этого типа аккумуляторов началось с начала 90-х годов, когда японская компания Sony смогла освоить их коммерческое производство.

В настоящее время считается, что это одно из самых перспективных направлений создания автономных электрических источников энергии несмотря на их довольно высокую (на имеющемся уровне) стоимость.

Главное преимущество такого типа аккумулятора – высокая энергетическая плотность (порядка 100 вт/час на 1 кг веса) и возможность выполнения большого цикла зарядки/разрядки.

Вновь созданные батареи характеризуются и таким отличным показателем, как низкая скорость саморазряда (всего от 3-х до 5-ти % за первый месяц, с последующим снижением этого показателя). Это позволяет при

И это еще не все – по с равнению с широко распространенными Ni-Cd, новая схема при тех же габаритах обеспечивает втрое большую работоспособность при фактически отсутствующем негативном эффекте памяти.

Отрицательные характеристики

литий ионных аккумуляторов.

Прежде всего – высокая стоимость, необходимость сохранения батареи в заряженном состоянии и так называемый «эффект старения», который проявляется даже в том случае, когда гальванический элемент не был в эксплуатации. Последнее неприятное свойство проявляется в постоянном снижении емкости, которая через два года может привести к полному выходу изделия из строя.

В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.

Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.

На протяжении этих 20 лет исследователи пришли к выводу, что основной проблемой является литиевый электрод. Этот металл очень активный и при эксплуатации протекал ряд процессов, приводивших в итоге к воспламенению. Это стали называть вентиляцией с образованием пламени. Из-за этого в начале 90-х годов производители были вынуждены отозвать батареи, выпущенные для мобильных телефонов.

Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.

Металлический литий крайне нестабилен, особенно проявляется при зарядке и разрядке. Поэтому исследователи стали создавать аккумуляторную батарею литиевого типа без использования лития. Стали использоваться ионы этого щелочного металла. Отсюда и пошло их название.

Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем . Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.

Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).

При интеркаляции ионы лития раздвигают слои углерода, внедряясь между них. Получаются различные интеркалаты. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем матрицы углерода меняется несущественно. В отрицательный электрод, помимо углеродного материала, могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также пробуют использовать композитные материалы с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т. п.

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели.

Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода.

Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями:

положительный электрод

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe —

отрицательный электрод

С + xLi + + xe — → CLi x

В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.

На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод.

Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.

Li─Ion аккумуляторы призматической конструкции делаются с помощью укладывания пластин прямоугольной формы друг на друга. Такие батареи дают возможность сделать упаковку более плотной. Сложность заключается в поддержке сжимающего усилия на электродах. Есть призматические АКБ с рулонной сборкой электродов, скручиваемых в спираль.

В конструкции любых литий─ионных аккумулятор предусмотрены меры для обеспечения их безопасной работы. В первую очередь это касается предотвращения разогрева и воспламенения. Под крышкой батареи устанавливается механизм, который увеличивает сопротивление аккумулятора при увеличении температурного коэффициента. При возрастании давления внутри АКБ выше допустимого предела, механизм разрывает положительный вывод и катод.

Кроме того, для увеличения безопасности эксплуатации в Li-Ion аккумуляторах в обязательном порядке используется электронная плата. Её назначение – это контроль за процессами заряда и разряда, исключение перегрева и короткого замыкания.

Сейчас выпускается много призматических литий─ионных аккумуляторов. Они находят применение в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может отличаться у различных производителей, поскольку не имеет единой унификации. Электроды противоположной полярности разделяются сепаратором. Для его производства используется пористый полипропилен.

Конструкция Li-Ion и прочих разновидностей литиевых АКБ всегда выполняется герметичной. Это обязательное требование, поскольку вытекания электролита не допустимо. Если он вытечет, то электроника будет повреждена. Кроме того, герметичное исполнение не допускает попадания внутрь АКБ воды и кислорода. Если они попадут внутрь, то в результате реакции с электролитом и электродами разрушат аккумулятор. Производство комплектующих для литиевых аккумуляторов и их сборка находится в специальных сухих боксах в атмосфере аргона. При этом используются сложные приёмы сваривания, герметизации и т. п.

Что касается количества активной массы Li-Ion аккумулятора, то здесь производители всегда ищут компромисс. Им нужно добиться максимальной ёмкости и обеспечить безопасность функционирования. За основу принимается отношение:

А о / А п = 1,1, где

А о – активная масса отрицательного электрода;

А п — активная масса положительного электрода.

Такой баланс не допускает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.

Параметры Li-Ion аккумуляторов

Выпускаемые сегодня литий─ионные аккумуляторы имеют высокую удельную энергоёмкость и рабочее напряжение. Последнее в большинстве случаев составляет от 3,5 до 3,7 вольта. Энергоёмкость составляет от 100 до 180 ватт-час на килограмм или от 250 до 400 на литр. Некоторое время назад производители не могли выпустить АКБ с ёмкостью выше нескольких ампер-час. Сейчас проблемы, сдерживающие развитие в этом направлении, устранены. Так, что в продаже стали встречаться аккумуляторы литиевого типа с ёмкостью в несколько сотен ампер-час.

Ток разряда современных Li─Ion аккумуляторов составляет от 2С до 20С. Они работают в интервале температур окружающей среды от -20 до +60 Цельсия. Есть модели работоспособные при -40 Цельсия. Но сразу стоит сказать, что при отрицательных температурах работают специальные серии АКБ. Обычные литий─ионные батарейки для мобильных телефонов при отрицательных температурах становятся неработоспособными.

Саморазряд этого типа батарей равен 4─6 процента в течение первого месяца. Далее он уменьшается и в год составляет до процентов. Это значительно меньше, чем у никель─кадмиевых и никель─металлогидридных батарей. Срок службы примерно 400─500 циклов заряд-разряд.

Теперь поговорим об особенностях эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.

Эксплуатация литий─ионных батарей

Зарядка Li─Ion аккумуляторов

Заряд литий─ионных АКБ обычно комбинированный. Сначала они заряжаются при постоянном токе величиной 0,2─1С пока не наберут напряжение 4,1─4,2 вольта. А затем зарядка ведётся при постоянном напряжении. Первая ступень продолжается примерно около часа, а вторая около двух. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используется импульсный режим. Первоначально выпускались Li─Ion аккумуляторы с графитом и для них устанавливалось ограничение напряжения 4,1 вольта на одну банку. Дело в том, что при более высоком напряжении в элементе начинались побочные реакции, сокращающие срок эксплуатации этих аккумуляторов.

Постепенно эти минусы удалось устранить за счёт легирования графита различными добавками. Современные литий─ионные элементы без проблем заряжают до 4,2 вольта. Погрешность составляет 0,05 вольта на элемент. Существуют группы Li─Ion аккумуляторных батарей для военной и промышленной сферы, где требуется повышенная надёжность и длительный срок службы. Для таких АКБ выдерживают максимальное напряжение на элемент 3,90 вольта. У них несколько ниже энергетическая плотность, но увеличенный срок службы.

Если заряжать литий─ионную батарею током величиной 1С, то время полного набора ёмкости составит 2─3 часа. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда напряжение возрастает до максимального, а ток снижается до 3 процентов от величины в начале процесса зарядки. Это можно видеть на графике ниже.

На графике ниже представлены этапы зарядки Li─Ion батареи.

Процесс зарядки состоит из следующих этапов:

• Этап 1. На этой стадии через аккумуляторную батарею течёт максимальный ток заряда. Он продолжается до момента достижения порогового напряжения;
• Этап 2. При постоянном напряжении на АКБ ток зарядки постепенно уменьшается. Этот этап прекращается, когда величина тока уменьшается до 3 процентов от начального значения;
• Этап 3. Если аккумулятор ставится на хранение, то на этом этапе идёт периодический заряд для компенсации саморазряда. Делается ориентировочно через каждые 500 часов.
  Из практики известно, что увеличение тока заряда не сокращает время зарядки батареи. При повышении тока напряжение растёт быстрее до порогового значения. Но тогда потом второй этап зарядки длится дольше. Некоторые зарядные устройства (ЗУ) могут зарядить Li─Ion аккумулятор за час. В таких ЗУ отсутствует второй этап, но реально аккумулятор в этой точке заряжается где-то на 70 процентов.

Что касается струйной подзарядки, то для литий─ионных батарей она неприменима. Это объясняется тем, что этот тип АКБ не может при перезарядке поглощать избыточную энергию. Струйная подзарядка может привести к переходу части ионов лития в металлическое состояние (валентность 0).

А непродолжительный заряд хорошо компенсирует саморазряд и потери электрической энергии. Зарядка на третьем этапе может делаться каждые 500 часов. Как правило, выполняется при снижении напряжения АКБ до 4,05 вольта на одном элементе. Заряд ведётся до поднятия напряжения до 4,2 вольта.

Стоит отметить слабую стойкость литий─ионных аккумуляторов к перезаряду. В результате подачи лишнего заряда на углеродной матрице (минусовой электрод) может начаться осаждение металлического лития. Он имеет очень высокую химическую активность и взаимодействует с электролитом. В результате на катоде начинается выделение кислорода, что грозит ростом давления в корпусе и разгерметизацией. Поэтому если вы заряжаете Li─Ion элемент в обход контроллера, не допускайте подъёма напряжения при заряде выше, чем рекомендует производитель батареи. Если постоянно перезаряжать аккумулятор, срок его службы сокращается.

Безопасности Li-Ion АКБ производители уделяют серьёзное внимание. Заряд прекращается при увеличении напряжения выше допустимого уровня. Также установлен механизм выключения заряда при увеличении температуры батареи выше 90 Цельсия. Некоторые современные модели батарей имеют в своей конструкции выключатель механического типа. Он срабатывает при росте давления внутри корпуса АКБ. Механизм контроля напряжения электронной платы отключает банку от внешнего мира по минимальному и максимальному напряжению.

Существуют литий─ионные батареи без защиты. Это модели, содержащие в своём составе марганец. Этот элемент при перезаряде способствует торможению металлизации лития и выделению кислорода. Поэтому в таких аккумуляторах защита становится не нужна.

Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ

Аккумуляторы литиевого типа хранятся достаточно хорошо и саморазряд в год составляет всего 10─20% в зависимости от условий хранения. Но при этом деградация элементов батареи продолжается даже, если она не используется. Вообще, все электрические параметры литий─ионного аккумулятора могут отличаться для каждого конкретного экземпляра.

К примеру, напряжение при разряде меняется в зависимости от степени зарядки, тока, температуры окружающей среды и т. п. На срок эксплуатации АКБ оказывают влияние токи и режимы цикла разряд-заряд, температура. Один из главных недостатков Li-Ion батарей ─ это чувствительность к режиму заряд-разряд, из-за чего в них и предусматривается много разных видов защит.

На графиках ниже представлены разрядные характеристики литий─ионных аккумуляторов. На них рассмотрена зависимость напряжения от тока разряда и температуры окружающей среды.

Как можно видеть, при увеличении разрядного тока падение ёмкости незначительно. Но при этом рабочее напряжение заметно уменьшается. Аналогичная картина наблюдается при температуре меньше 10 градусов Цельсия. Стоит также отметить начальную просадку напряжения аккумулятора.

Среди самых современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. В химии литий из металлов самый активный.

Он обладает огромным ресурсом хранения энергии. 1 кг лития способен хранить 3860 ампер-часов. Хорошо известный цинк сильно отстаёт. У него этот показатель равен 820 ампер-часов.

Элементы на основе лития могут вырабатывать напряжение до 3,7V. Но лабораторные образцы способны вырабатывать напряжение около 4.5V.

В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не применяется.

Сейчас распространены 3 типа литиевых аккумуляторов:

Литий-ионные (Li-ion ). Номинальное напряжение (U ном.) - 3,6V;

Литий-полимерные (Li-Po , Li-polymer или «липо»). U ном. - 3,7V;

Литий-железо фосфатные (Li-Fe или LFP ). U ном. - 3,3V.

Все эти типы литиевых аккумуляторов различаются материалом катода или электролита. В Li-ion используется катод из кобальтата лития LiCoO 2 , в Li-Po применён электролит из гелеобразного полимера, а в Li-Fe используется катод из литий-ферро-фосфата LiFePO 4 .

Любой литиевый аккумулятор (или устройство в котором он работает) оснащён небольшой электронной схемой - контроллером заряда/разряда. Так как аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к перезаряду и глубокому разряду, это необходимо. Если "расковырять" любой литиевый аккумулятор от сотового телефона, то в нём можно обнаружить небольшую электронную схему - это и есть защитный контроллер (Protection IC ).

Если встроенного контроллера (или супервизора заряда) в литиевой батареи нет, то такой аккумулятор называют незащищённым. В таком случае контроллер встроен в прибор, который питается от такой батареи, а зарядка возможна только от прибора или от специального зарядного устройства.

На фото показан незащищённый Li-Po аккумулятор Turnigy 2200 mAh 3C 25C Lipo Pack . Данная акк.батарея состоит из 3 последовательно включенных ячеек (3C - 3 cell) по 3,7V и поэтому имеет балансировочный разъём. Продолжительный ток разряда может достигать 25С, т.е. 25 * 2200 мА = 55000 мА = 55 А! А кратковременный ток разряда (10 сек.) - 35С!

Для литиевых батарей, которые представляют собой несколько последовательно включенных ячеек, требуется сложное зарядное устройство, оснащённое балансиром. Такой функционал реализован, например, в таких универсальных зарядных устройствах , как Turnigy Accucell 6 и IMAX B6.

Балансир нужен для того, чтобы во время заряда составной литиевой батареи выровнять напряжение на отдельных ячейках. Из-за различий между ячейками одни могут заряжаться быстрее, а другие медленнее. Поэтому применяется специальная схема шунтирования зарядного тока.

Вот такую распайку имеют балансировочный и силовой шлейф у LiPo-аккумулятора на 11,1V.

Как известно, перезаряд ячейки литиевого аккумулятора (особенно Li-Polymer) свыше 4,2V может привести к взрыву или самовозгоранию. Поэтому во время заряда необходимо контролировать напряжение на каждой ячейке составной батареи аккумулятора!

Правильная зарядка литиевых аккумуляторов.

Литиевые аккумуляторы (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) заряжаются по методу CC/CV («постоянный ток/постоянное напряжение»). Метод заключается в том, что сначала, когда напряжение на элементе мало, его заряжают постоянным током (constant current) определённой величины. При достижении напряжения на элементе (например, до 4,2V - зависит от типа аккумулятора), контроллер заряда поддерживает постоянное напряжение (constant voltage) на нём.

Первая стадия заряда литиевого аккумулятора - CC - реализуется за счёт обратной связи. Контроллер так подбирает напряжение на элементе, чтобы ток заряда был строго постоянной величины.

В течение первой стадии заряда литиевый аккумулятор накапливает большую часть мощности (60 - 80 %).

Вторая стадия заряда - CV - начинается тогда, когда напряжение на элементе достигает определённого порогового уровня (например, в 4,2V). После этого контроллер просто поддерживает постоянное напряжение на элементе и отдаёт ему тот ток, который ему необходим. К концу заряда ток снижается до значения 30 - 10 мА. При таком токе элемент считается заряженным.

Во время второй стадии аккумулятор накапливает оставшиеся 40 - 20 % мощности.

Стоит отметить, что превышение порогового напряжения на литиевом аккумуляторе чревато его чрезмерным перегревом и даже взрывом!

При зарядке литиевых аккумуляторов рекомендуется помещать их в невозгораемый пакет. Это особенно актуально для аккумуляторов, которые не имеют специального бокса. Например, такие, которые применяются в радиоуправляемых моделях (авто-, авиа- моделирование).

Недостатки литий-ионных аккумуляторов.

Основным и самым пугающим недостатком аккумуляторов на основе лития, я бы назвал их пожароопасность при превышении рабочего напряжения, перегреве, неправильном заряде и безграмотной эксплуатации. Особенно много нареканий относительно литий-полимерных (Li-Polymer) аккумуляторов. Однако, литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы не имеют такой негативной особенности - они пожаробезопасны.

Также литиевые аккумуляторы очень боятся холода - быстро теряют свою ёмкость и перестают заряжаться. Это относится к Li-ion и Li-Po аккумуляторам. Литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы более устойчивы к морозу. Собственно, это одно из положительных качеств Li-Fe аккумуляторов.

Недостатком литиевых аккумуляторов является и то, что они требуют наличия специального контроллера заряда - электронной схемы. А в случае составной аккумуляторной батареи и балансира.

При глубоком разряде литиевые аккумуляторы теряют свои первоначальные свойства. Особенно глубокого разряда боятся Li-ion и Li-Po аккумуляторы. Даже после восстановления такой аккумулятор будет иметь меньшую ёмкость.

Если литиевый аккумулятор не будет "работать" долгое время, то сначала напряжение на нём снизится до порогового уровня (как правило 3,2-3,3V). Электронная схема полностью отключит ячейку аккумулятора, а затем начнётся глубокий разряд. Если напряжение на ячейке снизится до 2,5V, то это может привести к выходу её из строя.

Поэтому стоит время от времени подзаряжать аккумуляторы ноутбуков, сотовых телефонов, mp3-плееров во время длительного простоя.

Обычно срок службы рядового литиевого аккумулятора составляет 3 - 5 лет. Спустя 3 года ёмкость аккумулятора начинает довольно заметно уменьшаться.