Современный человек не может представить своей жизни без мобильного телефона, планшета, ноутбука, портативной дрели, шуруповерта, фонарика и прочих устройств, которые могут работать как от электросети, так и от аккумулятора. Зачастую в таких приспособлениях используются литий-ионные источники питания.
Многие спросят, почему именно такой тип накопителей энергии используется чаще всего в электрических приборах. Ответ достаточно прост и очевиден – литий-ионные аккумуляторы имеют небольшие размеры, а также у них достаточно большой срок эксплуатации — от 300 до 2000 циклов заряд-разряд. Именно потому, что вокруг нас находится очень много источников питания такого типа, каждый человек должен знать, как зарядить литий-ионный аккумулятор.
Что такое Li-ion аккумулятор
Несмотря на то что каждый человек сталкивался с таким источником питания, далеко не все понимают, что это за батарея и как она устроена. Наиболее простым и распространенным вариантом является литий-ионный источник питания для мобильных телефонов. Он имеет такую конструкцию: сверху находится контролер для управления зарядом-разрядом, а ниже аккумуляторный элемент (банка).
В 99% батарей для сотовых телефонов используется только один аккумуляторный элемент, специалисты на своем жаргоне достаточно часто называют его банкой. Номинальное напряжение данного источника питания составляет 3.7 вольта.
Устройство также имеет специальный контроллер (обычная плата с микросхемой), благодаря которому не случается перезарядки аккумулятора. Потому производитель со своей стороны сделал все возможное, чтобы не случилось внештатных ситуаций, которые привели бы к быстрой поломке источника питания.
Сколько заряжать литиевый аккумулятор
Время зарядки аккумуляторов определяется процессом восстановления емкости. Различают полный и частичный заряд.
Емкость измеряется в ампер-часах. Это значит, если подать заряд, численно равный емкости, то за час на клеммах создастся нужное напряжение, а запас энергии будет 70-80 %. Если емкость измеряется в единицах С, при быстрой зарядке следует подавать ток 1С-2С. Время быстрой зарядки около часа.
Для полного цикла зарядки батарей из нескольких элементов, соединенных последовательно, используют 2 этапа – CC/CV. Этап СС длится, пока на клеммах не появится напряжение , равное рабочему, в вольтах. Второй этап: при стабильном напряжении подается в банку ток, но с увеличением емкости, он стремится к нулю. Время заряда занимает около 3 часов, независимо от емкости.
Как заряжать первый раз
Многие, наверное, помнят, как все говорили, что новую батарею необходимо довести до полного разряда, а затем полностью зарядить, и так сделать три раза. Такой процесс первых зарядок действительно есть, он на самом деле необходим, но для батарей Ni-Cd и Ni-MH. Такие элементы питания ставили еще в достаточно древние телефоны, которые сейчас практически не выпускаются.
Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор в первый раз, знает далеко не каждый и начинает проводить процедуру полной разрядки. Элементы питания такого типа устроены совершенно по-другому, и процесс глубокого разряда им очень сильно вредит. Именно поэтому такие устройства продаются с зарядом на 2/3 от емкости, а не для того, чтобы человек мог проверить телефон или другое приспособление.
К сожалению, достаточно часто потребители, перед тем как первый раз зарядить литий-ионный аккумулятор, помня старые времена, начинают полностью его разряжать, тем самым практически сразу же у них отбирая половину срока службы. Поэтому будьте внимательны и не допускайте распространенных ошибок, приводящих к поломке АКБ.
Меры безопасности
Сами по себе элементы, собранные по технологиям ионов лития, достаточно безопасны. Времена, когда такой аккумулятор мог взорваться в руках при большой нагрузке, остались в прошлом. Исключение, недавние события, когда один известный производитель в маркетинговых целях продвигал систему сверхбыстрой зарядки своих телефонов. Но определённые меры безопасности соблюдать нужно.
- категорически запрещается заряжать одноразовые литиевые элементы, т.е. первичные батарейки. Например, в форм-факторе 14500 (для обычной батарейки АА) выпускаются как аккумуляторы, так и батарейки системы Li-SOCl2. Они имеют очень похожую маркировку. Всегда следует убедится, что будет заряжаться именно аккумулятор;
- не следует пытаться разобрать литиевую батарею или прокалывать и стравливать давление у “надувшегося” элемента (неисправен клапан давления). Возгорание маловероятно, но сильный нагрев и вытекание электролита почти наверняка;
- при заряде многофункциональными зарядными устройствами с заданием параметров вручную, запрещено подавать на li ion без защитных плат (например, внутренние банки мобильных телефонов) напряжение более 5 вольт. Высокая вероятность возгорания батареи. При подобном заряде цилиндрического элемента (в любом из них есть защитная механическая пластина) он просто выйдет из строя;
- при авиаперелётах не помешает уточнить правила провоза батарей. Сейчас обычно разрешён провоз исключительно в салоне (не в багаже) аккумуляторов внутри той или иной техники. Политику провоза сменных (запасных) батарей необходимо уточнять;
- в случае попадания электролита на кожу, необходимо промыть этот участок под проточной водой.
При расчётных режимах работы, литий ионные аккумуляторы являются надёжным и долговечным источником энергии. Используя оригинальные зарядные устройства и отдавая предпочтение режиму заряда от 10-20% остаточного заряда, можно существенно продлить их срок службы. На “сегодня” это самый массовый тип автономного питания, как в бытовой электронике, так и в промышленных системах.
Литий-ионный аккумулятор 18650
Такой АКБ имеет цилиндрическую форму и по внешнему виду полностью напоминает обычную батарейку. Стоит отметить, что недобросовестные производители, всячески пытаясь увеличить продажи, начинают указывать завышенные характеристики. На сегодняшний день нет более энергоемких Li-ion аккумуляторов типа 18650, чем 3400 мАч. Если на элементе питания указывается цифра большей этой, то следует понимать, что изготовитель преднамеренно завышает характеристики своего товара. При этом существует большая вероятность, что на самом деле аккумулятор будет иметь не более 2200 мАч.
Можно ли заряжать литиевый аккумулятор обычной зарядкой
Две разных системы аккумуляторов – литиевые и свинцовые требуют разного подхода к восстановлению емкости. Свинцовый АКБ не настолько требовательны к параметрам зарядки, как литиевые. Да и критерии заряда другие.
Для зарядки на первом этапе Li-ion, Li-pol требуется постоянный ток, на втором этапе постоянное напряжение. Если не контролировать параметры на первом этапе, возможен перезаряд. Но если в батарее есть встроенная защита – BMS – она справится. Поэтому несколько добавить энергии можно даже зарядником от телефона.
В зарядном устройстве для свинцовых АКБ главный показатель – стабильное напряжение. Для литиевых зарядников на первом этапе важен стабильный ток.
Правда, появились универсальные ЗУ, которые можно перенастроить на тот или иной режим зарядки. Перед вами российская разработка «Кулон».
Чем опасен перезаряд и глубокий разряд?
Из-за того, что люди не знают, как заряжать литий-ионный аккумулятор, они часто допускают ошибки и могут его слишком долго держать на зарядке или же, наоборот, забыть про него на длительное время. Чем же опасна неправильная эксплуатация батареи? Все дело в том, что в данном случае ионы лития передвигаются от одного к другому электроду. Материал изготовления самих электродов может быть разным, но в данной теме эти подробности не столь важны.
Проще говоря, чем больше заряжена батарея, тем больше ионов лития находится в электроде. Если их значение постоянно находится на максимуме, то в таком случае происходит достаточно быстрая изнашиваемость устройства.
Характеристики при зарядке
Для зарадки литий-ионных аккумуляторов важнно два параметра:
- Ток зарядки. В батарее ток заряда начинает хим.реакции. Реакции варьируются от количества задействованой массы на пластинах и ее толщины, поверхности электродов, термального диапазона, незапланированного процесса электролиза воды. Слабый ток не активирует весь объем намазки электрода, а лишь его самый поверхностный слой.
- Напряжение. Напряжение на токовыводах не будет выше 12,5-12,6 Вольт. Такие аккумуляторы смогут полностью зарядить только специалисты. Рабочие напряжения современного аккумулятора, ниже которого не рекомендуется разряжать 10,8 В и выше которого точно нельзя подымать при зарядке 14.4 В.
Чем заряжать аккумуляторы
Li-ion аккумуляторы получили большую популярность также и потому, что существует достаточно большое количество вариантов, чем можно их зарядить.
Наиболее логичный и правильный способ, как заряжать литий-ионный аккумулятор – это штатное зарядное устройство. Благодаря специальному устройству батарея получит максимальный заряд в кратчайшие сроки. Более того, это полностью безопасно для элемента питания.
Тем, кто не знает, как заряжать литий-ионный аккумулятор, если под рукой не оказалось штатного зарядного устройства, сообщаем, что сделать это можно и при помощи компьютера и шнура USB. Однако в таком случае ток будет достигать лишь 0.5 ампера.
Также возможно зарядить Li-ion батарею через прикуриватель в автомобиле. На сегодняшний день во многих магазинах продаются специальные USB-переходники, которые выдают различную силу тока. Каким током заряжать литий-ионные аккумуляторы, лучше всего узнать в документации, которая предоставляется вместе с телефоном, ноутбуком или другим устройством. Основная масса батарей заряжается от 3.7 до 19 вольт. Однако существуют модели батарей, которым необходимо больше или меньше напряжения. В любом случае не стоит рисковать, а лучше лишний раз заглянуть в инструкцию по эксплуатации.
Если ни один из предыдущих способов зарядки не подошел, можно воспользоваться старым, но все же актуальным и по сегодняшний день устройством, которое получило в народе название «лягушка». Такие приспособления в большей мере предназначены для батарей из сотовых телефонов. Конструкция «лягушки» достаточно простая: здесь есть один док, куда устанавливается литий-ионный аккумулятор, а также контакты, регулирующийся по ширине. Таким образом, эта зарядка подойдет практически под любую батарею данного типа.
Как видите, способов зарядки элемента питания достаточно много. Но перед тем как зарядить литий-ионный аккумулятор, следует убедиться, что действительно нет возможности воспользоваться штатной зарядкой. Остальные методы используются в случае необходимости. Они не приносят вред батарее, но все же оригинальная зарядка должна быть в приоритете в сравнении с остальными.
Если человек не знает, как зарядить литий-ионный аккумулятор шуруповерта, то сообщаем, что делать это нужно только специализированной зарядкой, которая поставляется в комплекте с устройством. Стоит отметить, если зарядка выходит из строя, а приобрести новую нет возможности, к примеру, больше данная модель не производится, то в таком случае можно соединить между собой несколько аккумуляторов типа 18650 и вставить в короб с оригинальной зарядкой. Сколько нужно АКБ типа 18650, сказать невозможно, все зависит от вольтажа шуруповерта.
Параметры типичных аккумуляторных элементов
Напоследок в качестве справочной информации приведем официальные характеристики тех же популярных аккумуляторных элементов Sanyo UR18650W2, которые упоминались выше:
| емкость минимальная / типичная, мА·ч | 1500 / 1600 |
| номинальное напряжение, В | 3,7 |
| минимальное напряжение, В | 2,75 |
| метод зарядки | CC-CV (постоянный ток, затем постоянное напряжение) |
| максимальное напряжение зарядки, В | 4,2 |
| ток зарядки, А | 1,5 |
| время зарядки, ч | 2,5 |
| максимальный продолжительный ток разряда, А | 15 |
| температура при зарядке, град. | 0 — +40 |
| рабочая температура | -20 — +60 |
| температура хранения | -20 — +50 |
—
Нижняя оранжевая линия – работа при температуре -20°C.
Ну а чтобы быть уверенными, что Sanyo UR18650W2 не являются каким-то исключением из общего правила, выложим их график разряда током 10 А в сравнении с двумя другими аккумуляторами производства Samsung и AW:
Калибровка
Примерно один раз в три месяца необходимо производить калибровку. Для этого следует допустить полную разрядку аккумулятора. В таком случае контролер элемента питания сможет самостоятельно откалибровать границы полного заряда и разряда приспособления. Это необходимо для того, чтобы на устройстве, в котором установлена Li-ion батарея, отображалась актуальная информация о ее заряде. Если долго не было полной разрядки, может показываться недостоверная информация о процентном заряде батареи.
После того как АКБ будет полностью разряжена, ее нужно зарядить полностью до 100% при выключенном устройстве. Посмотреть время зарядки аккумулятора можно в инструкции. Если по окончании этого времени вы включили устройство, а заряд показывает менее 100%, то нужно его снова выключить и продолжить зарядку до тех пор, пока не будет полного уровня заряда.
Эксплуатация Li─Ion батарей
Теперь коротко расскажем об основных правилах эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.
Калибровка
Эту процедуру следует проводить раз в 3 месяца. Она заключается в полной разрядке и последующей полной зарядке АКБ. Это необходимо делать, чтобы контроллер аккумулятора «откалибровал» границы заряда и разряда батареи.
Калибровка литий─ионного аккумулятора
При ручной калибровке вам нужно дождаться выключения телефона, планшета или другого гаджета. Потом в выключенном состоянии ставите устройство на зарядку. Продолжительность до полной зарядки вы можете посмотреть по паспорту. После вынимаете и вставляете аккумуляторную батарею, включаете устройство и смотрите уровень заряда. Если он меньше 100%, то выключаете устройство и снова заряжаете. Так нужно делать до тех пор, пока при включении не будет показан полный уровень заряда.
Для калибровки также можно использовать утилиты, которые существуют для iOS и Андроид.
Если вам интересна переделка шуруповёрта на литиевые аккумуляторы 18650, можете прочитать статью по ссылке.
Хранение
Перед тем как отправить литий─ионную АКБ на хранение, её также нужно заряжать. Но уровень заряда должен быть около 50 процентов. Это считается оптимальным значением. Температура хранения батареи в идеале должна составлять 15 градусов Цельсия. В таких условиях литиевый аккумулятор лучше всего сохраняет ёмкость. Чем выше температура хранения, тем больше будут потери ёмкости при хранении.
При длительном хранении раз в три месяца проводите полный заряд-разряд аккумулятора и снова заряжайте его до 50%.
Чего не нужно делать с литий─ионными аккумуляторами?
- Первое, чего не переносят Li─Ion батареи, это нагрев. Литий является чрезвычайно активным металлом и при нагреве в аккумуляторе может начаться неуправляемая реакция. В результате батарея просто воспламениться. Поэтому не держите Li─Ion аккумулятор рядом с источниками тепла, под солнечными лучами и у открытого огня;
- Литий─ионные аккумуляторные батареи также чувствительны к отрицательным температурам, но таких плачевных последствий, как при нагреве, нет. Просто на холоде АКБ теряет заряд;
- Не следует разбирать аккумуляторный элемент. Разгерметизация банки аккумулятора может привести к воспламенению;
- Также не следует заряжать банку АКБ в обход контроллера. Исключение можно сделать в тех случаях, когда вам требуется толкнуть аккумулятор. При этом нужно соблюдать все меры предосторожности и постоянно контролировать процесс.
Теперь вы знаете, как заряжать литий─ионный аккумулятор, и правила его эксплуатации. Если статья была полезной для вас, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения по теме оставляйте в комментариях.
Хранение
Если на протяжении долгого периода времени не планируется использование АКБ, то следует обратить особое внимание на то, как его необходимо хранить. Оптимальным зарядом считается 30-60% от емкости. Аккумулятор должен находиться в достаточно прохладном помещении, где температура воздуха сохраняется около 15 градусов. Если же элемент питания хранится в полностью заряженном состоянии, то при последующем включении вы обнаружите, что его емкость значительно снизилась.
Когда устройство оставляют полностью разряженным, то это еще хуже. С большой долей вероятности через полгода его нужно будет сдавать на утилизацию. Литий-ионные аккумуляторы запрещается хранить длительное время в глубокой разрядке.
Особенности использования
Как мы убедились, характеристики очень даже неплохие, но для их обеспечения необходимо соблюдать правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов. Рассмотрим основные нюансы правильного использования и обслуживания элементов этого типа.
Как заряжать
Заряжаются литий-ионные аккумуляторы по разным алгоритмам, но классическим является следующий:
- Если батарея сильно разряжена, зарядка идет напряжением 2.9 В и током 0.1С (десятая часть емкости).
- При достижении напряжения 2.9 В на клеммах АКБ зарядный ток увеличивается до 0.4-0.3С.
- Как только элемент зарядится до 3.9-4.0 В, ток снова снижается до 0.1-0.05С, и зарядка продолжается, пока напряжение на клеммах не достигнет 4.2 В.
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Важно! Литиевые элементы могут поддерживать режим быстрой зарядки током 1С, но злоупотреблять таким режимом не нужно – он сокращает срок службы аккумулятора.
Ну и при обслуживании Li-ion аккумуляторов необходимо учитывать, что они не переносят перезарядку. В лучшем случае перезаряженная батарея потеряет емкость или выйдет из строя, в худшем — может загореться. Чтобы такого не произошло, в элементы встраивают специальные контроллеры, которые отключают аккумулятор от ЗУ, если напряжение на его клеммах превысит 4.2 В или температура корпуса достигнет 45 градусов Цельсия.
Стоит заметить, что такие контроллеры встраиваются не во все аккумуляторы. В ноутбуках, к примеру, используются батареи из элементов 18650 без контроллеров. За их зарядку, а заодно и балансировку (об этом ниже) отвечает один общий контроллер. Поэтому прежде чем использовать АКБ, необходимо точно узнать, есть ли у них собственный контроллер.
Можно ли разряжать полностью
Есть у литиевых батарей еще один «бзик» — они не переносят глубокий разряд. При снижении напряжения на клеммах ниже 2.3 В, емкость элемента существенно уменьшается, а если делать это регулярно, то аккумулятор через месяц можно будет выбросить.
Значит, сидеть с вольтметром и постоянно контролировать уровень разряда? Совсем нет. Тот самый контролер, который следит за тем, чтобы не произошло перезарядки (см. выше), контролирует и степень разряда. Если напряжение на элементе упадет ниже 2.5 В (обычно 2.8 В), схема просто отключит нагрузку.
Но даже до такой величины не стоит разряжать Li-ion. Максимум до 10% от емкости — и пора заряжать. Это существенно продлит срок службы батареи. Как раз до такого уровня разряжают свои аккумуляторы большинство телефонов, смартфонов и планшетов. При этом предупреждают пользователя о низком заряде, а если реакции не последовало, просто отключаются. Так что, в принципе, никаких проблем с использованием лития у нас нет – все делает электроника.
Важно. За состоянием своей батареи следят только «умные» гаджеты. Если мы воткнем в «глупый» фонарик элементы без контроллера, то могут возникнуть проблемы. Но тут уже винить будет некого.
Отчего может взорваться
Первые аккумуляторы, анод которых изготавливался из металлического лития, были в прямом смысле взрывоопасны. По достижении максимального числа циклов заряд/разряд, а нередко и раньше происходило замыкание между электродами. А поскольку Li-ion – довольно энергоемкий элемент, он тут же сильно разогревался и либо загорался, либо взрывался.
Проблему решили заменой лития на графит, но при неправильной эксплуатации проблемы могут быть и с современными элементами. Практически все батареи этого типа боятся механических повреждений, которые могут вызвать замыкание между электродами. Их нельзя перегревать и, конечно, перезаряжать выше нормы.
Все это может вызвать возгорание и взрыв. Причем горит литиевый аккумулятор не хуже термита и без доступа кислорода. Его не зальешь водой и не накроешь тканью. Ниже представлено видео, подтверждающее, что сдуру можно и аккумулятор сломать.
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Все эти неприятности могут произойти лишь при неправильной эксплуатации или по глупости. Просто чудо, что никто не пострадал. Если пользоваться элементом как положено, то в этом плане он вполне безопасен. Исключение может составлять только брак, но от этого, увы, никто не застрахован.
Как соединять в аккумуляторные батареи
С отдельным аккумулятором мы разобрались. Теперь выясним, как их можно соединить в батарею и для чего это делать. Если мы хотим увеличить емкость, то отдельные элементы просто соединяем параллельно. При этом емкость такой литиевой АКБ будет равняться сумме емкостей элементов.
Ничего сложного, но даже при таком включении нужно соблюдать некоторые правила:
- Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии.
- Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов.
Если нам нужно повысить выходное напряжение, то элементы придется соединить последовательно. В этом случае емкость батареи будет равняться емкости самого «слабого» аккумулятора, а выходное напряжение — равняться сумме напряжений на каждом элементе.
Здесь тоже существуют определенные правила:
- Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии.
- Вместо контроллера необходимо использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).
Для чего нужна такая плата с балансировкой? Она следит, как было сказано выше, за состоянием каждого аккумулятора в отдельности. Если какой-то аккумулятор разрядится ниже нормы, вся батарея будет отключена от нагрузки. Если зарядится до нормы, то будет отключен от ЗУ только он, остальные продолжат заряжаться. Это позволяет исключить перезаряд и переразряд каждого из элементов.
Теперь о маркировке уже готовых батарей, которые есть в продаже. В частности, многих интересует, что значит 3s2p и подобные обозначения? Тут все просто. Цифра перед символом P показывает, сколько аккумуляторов в каждой ячейке соединены параллельно. А цифра после символа S – сколько ячеек соединены последовательно. Рисунок ниже довольно хорошо поясняет вышесказанное.
То есть, если на аккумуляторной сборке написано 3S2P, значит, у неё 3 аккумулятора соединены последовательно и две таких цепи соединены параллельно. А 4S4P — 4 последовательно и 4 параллельно. Нужное напряжение набирается последовательным соединением нескольких элементов, а нужная ёмкость — параллельным соединением. Допустим, у вас есть 12 аккумуляторов ёмкостью 3000 мАч, тогда 4S3P сборка будет иметь такие параметры: номинальное напряжение — 4х3.7В=14.8В, а ёмкость — 3000 мАч х 3 = 9000 мАч. При этом максимальное напряжение полностью заряженной сборки составит около 4.2Вх4=16.8В, а минимальное напряжение полностью разряженной — 2.5Вх4=10В.
Защита литий─ионных батарей
Выше мы несколько раз упоминали о защите Li─Ion аккумуляторов. Давайте, суммируем всю информацию.
В аккумуляторных батареях литиевого типа применяется полевой транзистор для размыкания цепи, когда напряжение банки возрастает до 4,3 вольта. Термическая защита разъединяет цепь при нагреве АКБ выше 90 градусов Цельсия. Ещё в литий─ионных батареях можно встретить предохранитель, срабатывающий при увеличении давления в корпусе до 1034 кПа. Также устанавливаются схемы, предохраняющие элемент от глубокого разряда. Их назначение – разорвать цепь при снижении напряжения элемента до 2,5 вольта.
Как функционирует защита АКБ?
Схема защиты литий─ионной аккумуляторной батареи при включённом телефоне имеет сопротивление 0,05─0,1 Ом. Это два ключа, которые соединены последовательно. Первый предназначен для срабатывания на верхнем, а второй ─ на нижнем значении напряжения АКБ. Сопротивление увеличивает в 2 раза внутреннее сопротивление АКБ. Аккумулятор отдаёт максимальный ток при низком внутреннем сопротивлении. Схема защиты сделана, как препятствие для бесконтрольного роста тока (как зарядки, так и разрядки) аккумулятора.
Также схема защиты может быть реализована с помощью химических добавок. Для этого используется марганец. В таких АКБ вместо схемы защиты ставится только предохранитель. И всё это не сказывается на безопасности. Марганец не даёт аккумулятору перегреться и воспламениться. В результате отказа от электронной схемы снижается цена литий─ионных батарей, но это порождает другую проблему. Такую АКБ пользователь может заряжать «неродной» зарядкой. И в этом случае может случиться так, что ЗУ не остановит процесс при полной зарядке. Тогда без схемы пойдёт перезаряд и выход аккумулятора из строя. Такие вещи заканчиваются вздутием корпуса.
Как появились литий─ионные батареи?
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 литиевые аккумуляторы. Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.
Плюсы и минусы
У литий ионных аккумулятор есть свои преимущества и недостатки перед другими батареями. К плюсам относят такие моменты, как:
- высокий уровень энергоемкости;
- эффект памяти настолько минимален, что практически отсутствует;
- срок эксплуатации очень большой;
- нет нужды дополнительно обсуживать АКБ;
- корректно выполняет свои функции в большом диапазоне температур;
- уровень саморазряда очень низок.
Несмотря на все преимущества у литий ионных батарей есть и свои минусы, например, как:
- возможность самовозгорания и взрыва, вздутие и выход из строя;
- емкость понижается при температуре эксплуатации ниже нуля;
- стоимость продукта значительно выше чем у предшествующих АКБ;
- для повышения безопасности использования устройства необходим контроллер заряда;
- плохо переносит глубокий разряд.
Кстати, большинство минусов купируются. Например, при желании можно найти батарейку с контроллером, что уже устраняет возможность перегрева и самовозгорания. А при постоянной подзарядке, глубокий разряд также исключается. Также производители с каждым годом выпускают более совершенные варианты литий ионных аккумуляторов. Недостатки постепенно купируются и в скором времени возможно совсем исчезнут, что сделает этот тип совершенным.
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.
Цилиндрический литий─ионный аккумулятор
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.
Призматический литий─ионный аккумулятор
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:
Ао / Ап = 1,1, где
Ао – активная масса отрицательного электрода;
Ап — активная масса положительного электрода.
Такой баланс не допускает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.
История появления
Первый литий ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Ведущей компанией по производству данного типа АКБ стала Sony. Но батареи были разработаны в 70-х. Это были первые устройства с высокой энергоёмкостью, что сделало их востребованными. Но не было возможности применять их практически в массовом масштабе.
В составе батареи присутствует два электрода. На фольге из алюминия размещен катод, анод же поместили на медную. Их разделяет специальный сепаратор, который состоит из жидкого электролита, в некоторых случаях материал гелеобразный. Положительные заряды переносятся ионами лития. Они способы проникать внутрь других материалов и химических элементов, что провоцирует электрохимическую реакцию. Этим свойством они и обеспечивают заряд или питание устройств (телефонов, ноутбуков и т.д.).
В первые годы после создания литиево ионного накопителя они были известны своей взрывоопасностью. Это происходило из-за использования в конструкции накопителя металлического лития, а также по причине образования химических соединений в виде газа. При большом количестве разряда и заряда происходило замыкание, что влекло за собой взрыв аккумулятора.
Также взрывы происходили и потому, что ионы лития реагировали с другими соединениями и веществами в составе батарейки. Реакция была опасной и влекла за собой выделение большого количества тепла, после чего происходило возгорание и взрыв АКБ. В ходе улучшения было принято решение заменить анод на графитовый аналог. Такая рокировка позволила устранить проблему с взрывоопасностью аккумулятора. А производителю после выявления недостатка пришлось отозвать всю партию для мобильных телефонов.
Интересный факт! В зарядных устройствах, посредством которых накопители получают заряд, есть функция предохранения перегрева АКБ и защита от «переполнения» током.
Чтобы разработать полностью безопасную литий ионную батарейку понадобилось более чем 20 лет активных исследований и совершенствований. Это привело к выпуску более инновационного вида АКБ, а именно литий фосфатных. Они не перегреваются, а также в составе отсутствуют компоненты с опасными реакциями друг на друга. Также многие производители встраивают в корпус контроллер для заряда аккумуляторов во избежание эксцессов с возгоранием.
Конструкция
Конструкция аккумулятора литий-ионного типа зависит от типа прибора, для которого она предназначена. Для мобильного телефона применяется батарея, которая называется «банкой». Она имеет прямоугольную форму и включает в себя один конструкционный элемент. Его номинальное напряжение составляет 3,7 В.
Совсем иную конструкцию имеет батарея представленного типа для ноутбука. Отдельных аккумуляторных элементов в ней может быть несколько (2-12 штук). Каждый из них имеет цилиндрическую форму. Это аккумуляторы Li-Ion 18650. Как правильно зарядить их, подробно указывает производитель техники. Такая конструкция имеет в своем составе специальный контроллер. Он выглядит в виде микросхемы. Контроллер управляет процедурой зарядки, не допускает превышения номинального значения емкости батареи.
В современных аккумуляторах для планшетов, смартфонов также предусмотрена функция контроля заряда. Это значительно продлевает срок эксплуатации батареи. Она защищена от различных неблагоприятных факторов.
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
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, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.
Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе
Что не допускается при зарядке аккумулятора телефона
Все аккумуляторы без исключения не терпят:
- переохлаждения;
- перегрева;
- ударов и других физических повреждений;
- резкой смены температуры;
- использования неродных ЗУ;
- постоянного подключения к электросети.
В зависимости от типа, у них есть и еще кое-какие «пристрастия».
C li-ion батареей
С АКБ такого типа нельзя допускать следующее:
- частая полная разрядка;
- постоянный 100% заряд;
- хранение в разряженном виде;
- слишком частая калибровка заряда;
- перегрев и переохлаждение.
Лучше поддерживать заряд батареи на уровне до 90%, а раз в несколько месяцев устраивать «тренировку», и все будет хорошо.
C li-pol батареей
С АКБ такого типа нельзя допускать следующее:
- полный разряд;
- тренировка или калибровка;
- полный заряд;
- постоянное подключение к электросети;
- перегрев и переохлаждение.
Так же, как и с li-on оптимальный заряд будет в диапазоне от 20 до 90%.
С ni-mh батареей
С АКБ такого типа нельзя допускать следующее:
- перезарядка;
- частый заряд «по чуть-чуть»;
- хранение в полностью заряженном или полностью разряженном виде;
- перегрев.
Чтобы не терять емкость такого телефона, рекомендуется заряжать его полностью, а разряжать настолько, насколько это возможно. Периодически «тренировать».
