Аккумуляторы для телефонов состав

Аккумуляторы для телефонов состав

Данная статья посвящена аккумулятором, применяемых в качестве элементов питания в сотовых телефонах. Однако общие эксплутационные характеристики применимы и для аккумуляторов, используемых в другой технике.

1. Виды аккумуляторов.

Аккумуляторы, применяемые в качестве элементов питания сотовых телефонов:

• Никель-кадмиевые (NiCd) (nickel cadmium)
• Никель-металл гидридные (NiMH) (nickel metal-hydride)
• Литий-ионные (Li-Ion) (lithium ion)

Другие виды аккумуляторов (например SLA — Sealed lead acid, герметичные свинцово-кислотные батареи) в данной статье рассматриваться не будут, т.к. они практически не применяться в современных сотовых телефонах.

Литий-полимерные (Li-Pol) (lithium polymer) аккумуляторы не будут рассмотрены по причине малой распространённости и отсутствии их точных характеристик, которые в принципе соизмеримы с характеристиками других аккумуляторов на основе лития. Данный вид аккумуляторов набирает популярность благодаря своей некритичности к форме конечного элемента питания.

2. Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы.

Достоинства: Низкая стоимость, высокая вероятность восстановления, работа в широком диапазоне температур, быстрая зарядка.

Недостатки: Высокая степень саморазряда, эффект «памяти», большие размеры, токсичность при неправильной утилизации.

Общая информация: Аккумулятор должен поставляться полностью разряженным. Аккумулятор не должен находится в зарядном устройстве значительное время (более 2х суток), т.к. это ухудшает его характеристики. Для избежания проявления эффекта «памяти» рекомендуется полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой (по крайней мере раз в неделю). Никель-кадмиевый элемент питания можно восстановить от образовавшихся кристаллов с вероятностью около 60%.

Специфика использования в мобильном телефоне: Аккумулятор более эффективен при использовании в режиме сильного разряда, т.е. если Вы много разговариваете — это предпочтительный режим разрядки.

3. Никель-металл гидридные (NiMH) аккумуляторы.

Достоинства: Низкая стоимость, незначительный эффект памяти, высокая ёмкость, низкая токсичность.

Недостатки: Высокая степень саморазряда, малое количество циклов заряда/разряда, более сложное (и дорогое) устройство зарядки (в сравнении с NiCd).

Общая информация: Аккумулятор должен поставляться полностью разряженным. Аккумулятор не должен находится в зарядном устройстве значительное время (более 2х суток), т.к. это ухудшает его характеристики. Эффект «памяти» не значителен, однако рекомендуется эксплуатировать данный вид аккумуляторов, как и NiCd (полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой (по крайней мере раз в неделю). Восстановлению NiMH аккумуляторы поддаются плохо. Вероятность около 15 процентов.

Специфика использования в мобильном телефоне: Аккумулятор более эффективен при использовании в режиме постоянного слабого (порядка 1/2 — 1/3 паспортного) разряда, в связи с чем оптимален при частом нахождении телефона в режиме ожидания. Однако частично данное свойство компенсируется высокой степенью саморазряда. Многие фирмы-производители сотовых телефонов (в том числе и уважаемая мною NOKIA) указывают в своих инструкциях что данные аккумуляторы не обладают эффектом «памяти». Отнеситесь к данным утверждениям скептически — это маркетинговый ход, который основан на том, что в сравнении с NiCd аккумуляторами данный эффект проявляется в меньшей степени.

4. Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Достоинства: Высокая ёмкость, отсутствие эффекта «памяти», малые габариты, большое количество циклов заряда/разряда.

Недостатки: Высокая стоимость, быстрое старение (через 1,5 — 2 года аккумулятор может стать непригоден к использованию) в не зависимости от интенсивности использования, потенциальная опасность при использовании (первые модели этих батарей часто взрывались при зарядке).

Общая информация: Аккумулятор должен поставляться заряженным на 80-90% . Аккумулятор может (и должен, если не используется) находиться в зарядном устройстве значительное время. Восстановлению данные аккумуляторы не подлежат (не верьте «умельцам»).

Специфика использования в мобильном телефоне: Аккумулятор эффективен при интенсивном использовании сотового телефона. На период своей службы (около года) он будет оптимален в сравнении с батареями на основе никеля.

5. Эффект «памяти».

Проявляется у аккумуляторов на основе никеля, является следствием неполной зарядки. Часть аккумулятора, которая не разряжается «отмирает» (образуются кристаллические соединения).
Для избежания данного эффекта рекомендуется полностью разряжать батарею перед зарядкой. Для этого существуют специальные устройства зарядки, которые перед циклом заряда производят полный разряд аккумулятора. Настоятельно рекомендуется приобретение зарядного устройства с данным алгоритмом работы. Идеальным является разряд/заряд в специальном анализаторе. Но из-за его высокой стоимости он редко является «элементом интерьера» комнаты обычного пользователя сотового телефона ;-).
Если возможности заряжать аккумулятор на специальном зарядном устройстве нет, то необходимо перед зарядкой полностью разрядить батарею в телефоне (например позвонив в по бесплатному номеру абонентской службы Bee line. Времени, в течении которого Вы будете ждать ответа оператора, вполне хватит что бы «добить» севшую батарею ;-). В некоторых компаниях — операторах есть специальный сервисный телефон для этих целей.

6. Методы зарядки.

1. Быстрая зарядка — обычно производится самим телефоном с помощью сетевого адаптера, поставляемого в комплекте (за зарядку отвечает именно телефон, «шнурик» — это лишь преобразователь/стабилизатор). Зарядка идёт повышенным током, эффективность её ниже стандартной. Даёт выигрыш по времени, рекомендуется использовать лишь в случае необходимости.

2. Стандартная зарядка — производится специальным зарядным устройством. Процесс зарядки идёт оптимальным для данного аккумулятора током, длительность и эффективность зарядки выше, нежели «быстрой». Зачастую совмещена с процессом предварительного полного разряда батареи.

Эта информация актуальна лишь для батарей на основе никеля. Литиевые батареи к методу зарядки не критичны (конечно, необходимо, что бы зарядка осуществлялась с соответствии с требованиями производителя. Вполне допустимо заряжать только в телефоне).

Используйте оригинальные зарядные устройства.

7. Обслуживание.

1. Храните аккумулятор в прохладном месте (можно и в холодильнике, только в герметичной упаковке).
2. Старайтесь не использовать аккумулятор в предельных температурах.
3. Очищайте контакты батареи от образующихся на них окислов.
4. Перед началом эксплуатации нового аккумулятора полностью зарядите его. Не доверяйте индикации примитивных зарядных устройств (в том числе и встроенных в телефон) — заряжайте в этот период аккумулятор на 2-3 часа дольше, чем это необходимо по показанию индикаторов зарядного устройства. В идеале — данную процедуру осуществить на специализированном анализаторе.
5. Покупайте только фирменные зарядные устройства. Это тот случай, когда скупой платит дважды. Дешёвые устройства зачастую не соответствуют заявленным характеристикам, а зачастую и вовсе используют упрошённые алгоритмы зарядки/разрядки. Т.к. при зарядке аккумуляторов критична стабильность параметров заряда (при заряде аккумуляторов на основе никеля постоянен ток заряда, кислотных и литиевых — напряжение), то неверно работающим устройством Вы можете значительно сократить жизнь своей батареи.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Довольно часто, в «довесок» к телефону нерадивый продавец даёт ещё и китайскую вариацию на тему «автомобильное зарядное устройство». Категорически не рекомендую их использовать — есть довольно много фактов порчи ими аккумулятора, особенно это относится к современным низковольтовым батареям (например Nokia 61**, 3210 и т.д.). Если использовать такой аппарат с активизированными инженерными функциями (Nokia Net Monitor, 20 — 23), то можно самому проверить, нормальное ли напряжение обеспечивает адаптер питания.

6. Если есть возможность — периодически обслуживайте свой Ni** аккумулятор в специализированном сервис-центре — срок его службы продлится за счёт восстановления его первоначальных свойств на специальных анализаторах.
7. Не используйте аккумуляторы не по назначению.
8. Не разряжайте аккумуляторы кустарными способами (лампочкой и т.д.)

8. Аккумуляторы, бывшие в употреблении.

Покупка восстановленных NiCd аккумуляторов в фирмах, на этом специализирующихся вполне уместна. Требуйте полного тестирования аккумулятора.

Источник



Как устроен Li-Ion аккумулятор?

Автономную работу всевозможных устройств,отмобильных гаджетов до персонального электротранспорта, обеспечивают аккумуляторы. С учетом необходимых значений емкости и напряжения, они объединяются в аккумуляторные батареи. Ключевые характеристики АКБ – емкость, напряжение, масса, время восполнения заряда, допустимый температурный режим – зависят от типа используемой химии.

Для автономного питания современной техники успешно используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют большой циклический ресурс, малый саморазряд, широкий температурный диапазон и солидную удельную емкость. Катод у таких элементов выполнен из производных лития, а заряд переносят ионы Li. Далее мы подробнее рассмотрим устройство Li-ion аккумуляторов и принцип их работы.

Как устроена литий-ионная батарея?

В основе конструкции литий-ионного аккумулятора– 2 составляющие: анод, выполненный из пористого углерода на фольге из меди, и катод – из оксида лития на фольге из алюминия. Их разделяет пористый сепаратор из полипропилена, обильно пропитанный электролитом, который выполняет функции проводника. Система находится в герметичном корпусе. Электроды подключены к токосъемникам. Некоторые аккумуляторы дополнительно имеют клапан-предохранитель для сброса внутреннего давления.

Пластины из меди и алюминия, смазанные электролитом и разделенные пористой прослойкой, обычно сворачиваются в рулон. В итоге получается элемент цилиндрической формы. При другом способе укладки пластин получаются изделия в форме призм и пакетов. Состав катода бывает разным: LiMn2O4, LiFePO4, LiCoO2,LiMnO2, LiMnRON, LiC6, LiNiO2и т.д.

Типы Li-ionаккумуляторов

В зависимости от используемого материала катода литиевые элементы бывают:

1. Литий-марганцевые (LiMn2O4, LNO). Имеют меньшее внутреннее сопротивление, высокую мощность и умеренную емкость – 100–150 Вт·ч/кг. Стандартные токи заряда и разряда – до 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С и С-рейтингом разряда до 10С, а в импульсном режиме – до 50С. Ресурс – около 500 циклов. Применяются такие накопители в электроинструменте, силовых агрегатах, медицинском оборудовании.
2. Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO). Имеют высокую энергоемкость (150–200 Вт·ч/кг), но уступают аналогам по термической стабильности и сроку службы (500–1000 циклов). Токи заряда и разряда для таких элементов не должны превышать 1С. Накопители энергии на основе кобальта встречаются все реже, но еще используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC, NCM). Обеспечивают высокую мощность и емкость – 150–220 Вт·ч/кг, выдерживают 1000–2000 циклов. Стандартные токи заряда и разряда – 1С. Используются в медицинском и промышленном оборудовании, электровелосипедах и других видах электротранспорта.
4. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA). Отличаются высокой удельной энергоемкостью – 200–260 Вт·ч/кг. Имеют ресурс около 500 циклов, зарядные токи 0,7С и разрядные 1С. Обеспечивают автономное питание промышленного и медицинского оборудования, электрических силовых агрегатов и других устройств, требующих высокой емкости.
5. Литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO4). Отличаются большим ресурсом (более 2000 циклов), термической и химической стабильностью, высокой безопасностью эксплуатации и малым внутренним сопротивлением. Их удельная энергоемкость составляет 90–120 Вт·ч/кг, ток зарядки – 1С, ток разрядки – до 25С. Используются такие элементы питания в устройствах, для которых важна выносливость аккумов, способность работать на морозе и выдерживать высокие токи нагрузки.
6. Литий-титанатные (LiTi). Отличаются низким номинальным напряжением (2,4 В) и удельной энергоемкостью 70–80 Вт·ч/кг, но быстро заряжаются, имеют широкий температурный диапазон и ресурс 3000–7000 циклов. Номинальные токи зарядки 1С, максимум – 5С. Допустимые разрядные токи – 10С, а при импульсной подзарядке – 30С. Литий-титанатные элементы считаются самыми безопасными. Используются они в уличном освещении, ИБП, электротранспорте.

Как работает литиевый аккумулятор?

Принцип работы Li-ion аккумуляторов идентичен для элементов всех типов, независимо от материала катода.Когда на электроды подается напряжение – «плюс» на оксид лития и «минус» на графит – положительно заряженные ионы лития отцепляются от молекул оксида и переходят на углеродную пластинку. В результате протекает окислительная реакция, и аккумулятор заряжается.

При работе литиевого аккумулятора под нагрузкой протекает обратный процесс. Ионы Li + возвращаются на пластинку из оксида лития, в свое стандартное состояние. Графитовая пластинка на фольге из меди становится «минусом», а оксид лития на фольге из алюминия – «плюсом».

Особенности зарядкиLi-ionэлементов

Литий-ионные элементы питания чувствительны к перезаряду. На поверхности анода при чрезмерном заряде осаждается металлический литий. Он выглядит как мелкий мшистый осадок и способен вступать в реакцию с электролитом. На катоде при перезаряде активно выделяется кислород. Внешне это может проявляться в виде интенсивного нагрева, роста давления и разгерметизации элемента.

Заряжаются Li-ionаккумуляторы в 2 этапа:

1. При стабильном значении тока 0,2С–1С до рекомендованного производителем напряжения, обычно – 4,1–4,2 В. Длится эта стадия около 40 минут.
2. При неизменном напряжении. Процесс зарядки завершается, когда значение зарядного тока уменьшается до величины, составляющей 3% от начального значения.

Быстрее происходит зарядка в импульсном режиме.Но для продления срока службы литиевых элементов их рекомендуется заряжать током, номинал которого составляет 50% от значения емкости, т.е. 0,5С.

Защита литиевых аккумуляторов

Элементы питания на основе лития защищены от коротких замыканийвнутри системы, например, с помощью 2-слойного сепаратора. Один из его слоев выполняется не из полипропилена, а из аналога полиэтилена. При риске короткого замыкания, к примеру, если дендриты лития прорастают к катоду, защитный слой локально нагревается, частично плавится, становится непроницаемым и блокирует последующее прорастание дендритов.

Для защиты от избыточного заряда и глубокого разряда накопители энергии снабжаются специальными ограничителями – платами защиты по току и напряжению. Они не допускают выхода напряжения за границы рекомендованного диапазона и в критических ситуациях автоматически отключают элемент от питания или нагрузки.

Поэтому для безопасной работы элементов и аккумуляторных батарей важно использовать BMSплаты. В противном случае высок риск повреждения аккумуляторов и их преждевременного выхода из строя. Такой контроллер зарядно-разрядного процесса может устанавливаться и на отдельные аккумуляторы, и на собранную из них батарею.

Производство литиевых элементов питания

Сырье для основных элементов в схеме Li-ion аккумуляторов – катода и анода – имеет вид мелкофракционного черного порошка. Чем мельче частицы, тем больше получается эффективная площадь электродов. Оптимальная форма частиц – сферическая, с гладкими краями, т.к. неровности чувствительны к токовым нагрузкам.

Производственный процесс состоит из следующих этапов:

1. Порошковидные материалы наносятся в виде суспензии на фольгу. Аноды и катоды обычно производятся в различных цехах, чтобы обеспечить максимальную чистоту материалов. Металлическая фольга играет роль токоприемника.
2. Фольга с нанесенными материалами сушится, разделяется на полоски и складывается в несколько слоев. Процесс сворачивания строго контролируется, т.к. любые дефекты способны привести к коротким замыканиям внутри системы.
3. Между пластинами анода и катода зажимается сепаратор, обработанный электролитом.
4. Пластинки сворачиваются рулоном или по другой схеме и помещаются в корпус.

Готовые изделия проходят тестирование – контролируемый цикл заряда-разряда. Подзарядку начинают с минимального напряжения и с постепенным его повышением.Протестированные изделия заряжаются до оптимального уровня, чтобы исключить риск значительного падения напряжения из-за саморазряда, и поставляются в продажу.

Предыдущая статья нашего блога посвящена сигнализации для электровелосипедов.

Источник

Из чего сделаны аккумуляторы для сотовых телефонов

Разд е л: Новичкам, Аккумулятор Дата: 18.04.2020 Автор: Александр Мойсеенко . Комментариев: 0

Последнее обновление: 07/05/2021

В телефонах, а так же различных мобильных аксессуарах используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. В статье описана конструкция обоих типов источников питания, а так же принцип работы.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Аккумулятор литий-ионного типа выполнен в герметичном корпусе. Внутри располагаются два электрода – анод и катод, разделенные пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Оба электрода соединены с индивидуальными токосъемниками и выведены наружу. Отрицательный анод изготавливается из медной фольги, а положительный катод из алюминиевой. В качестве переносчика заряда выступает ион лития.

Анод и катод в виде ленты плотно свернуты в рулон прямоугольной формы с нанесенным на обратной стороне слоем тонкого графита. Наличие сепаратора обусловлено разделением положительного и отрицательного электрода, поскольку при соприкосновении двух электродов образуется короткое замыкание, что приводит к воспламенению или взрыву батареи. А пористая структура сепаратора позволяет ионам лития свободно перемещаться с анода на катод и обратно.

Принцип работы

При зарядке батареи, ионы лития через электролит перемещаются с положительного катода на отрицательный анод. При зарядке батареи происходит обратный процесс – ион лития покидает отрицательный анод и встраивается в катодный материал. Далее электроны выходят через внешнюю цепь и распределяются контроллером для питания необходимых узлов.

Так же большинство аккумуляторов снабжаются внешними платами защиты. Печатная плата содержит контроллер питания, что ограничивает прием и отдачу энергии при достижении определенного напряжения. Защитный механизм оставляет часть энергии при полной разрядке батареи, сохраняя внутреннюю целостность и возможность дальнейшей эксплуатации аккумулятора. При заполнении энергии питание отключается до наступления разрушения батареи. Если же защитная плата отсутствует, вышеописанные действия выполняет контроллер питания устройства, где располагается аккумулятор.

Конструкция литий-полимерного аккумулятора

Конструктивно литий-полимерные аккумуляторы не многим отличаются в сравнении с литий-ионными. Основное различие в электролите, где вместо жидкого наполнителя используется сухой либо гелеобразный материал на основе полимеров. Благодаря переходу с жидкого электролита на «твердый», получилось реализовать выпуск батарей разной формы, включая тонкие варианты толщиной в 2 мм.

Принцип работы остался прежним. Ионы лития при зарядке батареи перемещаются с катода на анод, а при разрядке с анода на катод. Для удержания заряженных ионов на аноде выступает графит. А для внедрения в катод оксиды кобальта, марганца или ванадия. Ввиду дороговизны кобальта, производители чаще используют различные сплавы на основе кобальта, с целью снижения себестоимости производства.

Вывод

В статье подробно описано, из чего сделаны аккумуляторы для сотовых телефонов. Так же описан принцип работы литий-ионных и литий-полимерных батарей.

Какие у вас остались вопросы? Оставляйте сообщения в комментариях под статьей.

Источник

Аккумуляторы для мобильных устройств — разновидности, сравнительные характеристики

Никель-кадмиевый, никель-металлгидридный или литий-ионный? А может быть лучше приобрести литий-полимерный аккумулятор? А какой дольше работает? А с каким меньше хлопот? Слышал, Моторола разработала какие-то новые топливные элементы, в которые что-то заливается. Случайно не бензин? Вопросы, вопросы, вопросы…

Попробуем разобраться по порядку.

Типы аккумуляторов

На сегодняшний день для питания мобильных устройств, портативных компьютеров и оборудования наиболее широко применяются аккумуляторы следующих электрохимических систем: герметичные свинцово-кислотные (SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion). Постепенно начинают завоевывать позиции в сфере сотовых телефонов и портативных компьютеров литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Ведутся разработки в области топливных элементов и некоторых других перспективных технологий изготовления аккумуляторов [4].

Технические характеристики основных типов аккумуляторов приведены в таблице 1 [3] с разрешения компании Landata [2].

Таблица 1. Разновидности аккумуляторов по электрохимической системе

1. При правильном и регулярном обслуживании число рабочих циклов заряд /может достигать 4000 вместо 1500 циклов, гарантируемых производителем. Без проведения тренировочных циклов число рабочих циклов может уменьшиться более чем в три раза.
2. Число рабочих циклов зависит от глубины разряда. Малая глубина разряда обеспечивает большее количество циклов.
3. Саморазряд практически прекращается на вторые сутки после полного заряда аккумулятора. Саморазряд NiCd аккумуляторов составляет 10% в течение первых 24 часов, затем снижается до 10% в месяц. Саморазряд увеличивается при увеличении температуры.
4. Встроенная в аккумулятор схема защиты потребляет около 3% в месяц.
5. 1,25 вольта — значение напряжения одного элемента, 1,2 вольта — часто встречается в литературе и описаниях. Оба значения относятся к одному типу элемента .
6. 2,5-3,0 вольта в зависимости от материала положительного электрода.
7. Относится только к разряду; диапазон температур заряда более ограничен.
8. Стоимость приведена на 1999 год.

Каждому типу аккумуляторов свойственны определенные достоинства и недостатки. Рассмотрим и те, и другие подробнее.

SLA аккумуляторы

Область применения — блоки бесперебойного питания (UPS), системы охранной сигнализации, устройства железнодорожной автоматики и связи, инвалидные коляски, резервное освещение. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые модели переносных сотовых телефонов и видеокамер. В целом можно сказать, что SLA аккумуляторы обычно используются в тех случаях, когда требуется большая мощность, минимальная стоимость, а габариты и вес не критичны. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А·час. Поскольку в современных мобильных устройствах эти аккумуляторы на данный момент практически не применяются, то всех интересующихся вопросами по SLA аккумуляторам отправляю на [3].

NiCd аккумуляторы

Область применения: сотовые телефоны, обычные и транковые радиостанции, домашние радиотелефоны, переносные компьютеры, видеокамеры, ручные мощные электроинструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование. Новые модели сотовых телефонов и портативных компьютеров этими аккумуляторами уже не комплектуются. Но в транковых и обычных радиостанциях по-прежнему широко распространены.

• Быстрый и простой метод заряда. NiCd аккумулятор допускает заряд током, численно равным его номинальной емкости и более. Таким образом, вполне реально зарядить аккумулятор за один час. А если вдруг потребуется еще большая скорость заряда, то можно использовать ток заряда вдвое и втрое превышающий значение номинальной емкости. Однако не стоит этим злоупотреблять. Кроме того, при быстром заряде требуется использование специальных зарядных устройств, определяющих момент полного заряда аккумулятора и прекращающих быстрый заряд.
• Для них предпочтителен импульсный метод заряда по сравнению с зарядом постоянным током. Улучшение эффективности достигается распределением импульсов разряда между импульсами заряда. Этот метод заряда, обычно называемый реверсивным, поддерживает высокую площадь активной поверхности электродов, увеличивая эффективность и срок эксплуатации аккумулятора. Реверсивный заряд также улучшает быстрый заряд, т. к. помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда. В результате — аккумулятор меньше нагревается и более эффективно заряжается по сравнению со стандартным методом заряда постоянным током.
• Способность отдавать в нагрузку большой ток
• Длительный срок службы при соблюдении условий эксплуатации и периодического обслуживания.
• Слабая чувствительность к неправильной эксплуатации, легкое восстановление при понижении емкости и после длительного хранения (от 60 до 70% аккумуляторов, признанных негодными, могут быть восстановлены для полноценной эксплуатации). Восстановление аккумулятора реализуется путем его разряда по специальному алгоритму до напряжения 0,4 вольта на элемент. Цикл восстановления применяется в случае, если тренировочные циклы не помогают.
• Низкая цена.

• Необходимость периодического обслуживания для устранения «эффекта памяти». Под «эффектом памяти» понимается укрупнение кристаллических образований рабочего вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности и реальной емкости аккумулятора. Под обслуживанием (тренировочными циклами) понимается периодический разряд аккумуляторов до напряжения 1 вольт на элемент, в результате которого происходит разукрупнение кристаллических образований и увеличение реальной емкости аккумулятора.
• Высокий саморазряд (до 10% в течение первых 24-х часов и до 20 % в первый месяц после заряда).
• Большие габариты и вес по сравнению с аккумуляторами других типов.
• Аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации, поэтому в некоторых странах по этой причине уже запрещен для эксплуатации.

NiMH аккумуляторы

В недалеком прошлом NiMH аккумуляторы пришли на смену NiCd. Однако их шумно разрекламированные преимущества не обеспечили 100% удовлетворение запросов пользователей, главным образом из-за сокращенного срока службы.

Характерные особенности NiMH аккумуляторов.

• Плотность электрической энергии примерно на 30-50% больше, чем у NiCd аккумуляторов и, соответственно, меньше габариты и вес.
• Для них предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд и срок их службы непосредственно связан с глубиной разряда.
• NiMH аккумуляторы по сравнению с NiCd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. Как правило, они содержат внутренний температурный датчик для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда.
• NiMH аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd. Время заряда — обычно вдвое больше, чем у NiCd. Рекомендуемый ток разряда от одной пятой до половины значения номинальной емкости.
• Меньшая склонность к «эффекту памяти» (можно даже сказать, что аккумулятор просто не успевает его приобрести).
• Экологически чистая технология изготовления.
• Малое число циклов заряда / разряда.
• Высокий саморазряд (до 30% в месяц).

Li-ion аккумуляторы

Область применения: сотовые телефоны и всякого рода переносные компьютеры. По данным экспертов корпорации Varta уже в ближайшее время Li-ion аккумуляторы начнут вытеснять с этого рынка не только NiCd, но и NiMH аккумуляторы. Конструктивно этот тип аккумуляторов содержит внутреннюю схему управления и защиты, призванную ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, для обеспечения безопасности при их эксплуатации должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента.

• Высокая плотность электрической энергии, малые габариты и вес.
• Низкий саморазряд (примерно 3-5% в первый месяц, затем уменьшение до 1-3% в месяц, дополнительно около 3% в месяц потребляет схема управления).
• Отсутствие какого-либо обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

• Высокая цена.
• Необходимость хранения в заряженном состоянии.
• Подверженность процессу старения, даже если аккумулятор не используется. Ухудшение емкости наблюдается примерно после одного года с момента изготовления. После двух лет, аккумулятор часто становится неисправным. Не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Наслаждайтесь ими, пока они новые.
• Хочу заметить, что вследствие разного напряжения единичных элементов аккумуляторов на основе никеля и литий-ионных аккумуляторов (1,2 и 3,6 вольта соответственно), замена одних на другие не всегда возможна. Например, в сотовых телефонах с напряжением 4,8 вольта. Кроме того, эти аккумуляторы требуют разных типы зарядных устройств.

Li-Pol аккумуляторы

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) — следующий этап в развитии литиевой технологии. Потенциально они менее дороги, чем Li-ion аккумуляторы. Но как любой новый продукт, не достигший массового применения, Li-pol аккумуляторы наиболее дороги на данный момент.

Область применения: сотовые телефоны и переносные компьютеры. Полные данные о параметрах аккумулятора пока не известны. Можно отметить только пока малое, в сравнении с другими типами аккумуляторов, число циклов заряда / разряда и небольшой ток нагрузки. Однако имеется преимущество в конструктивном исполнении. Технология их производства допускает изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место в устройстве.

Итак, мы рассмотрели основные характеристики наиболее распространенных видов аккумуляторов в хронологическом порядке их появления на рынке. Именно в таком порядке они и сменяли и сменяют друг друга в мобильных устройствах и портативных компьютерах. Однако не следует списывать «старичков» со счета раньше времени. Во многих устройствах они продолжают исправно и надежно работать. Их технологию производства, конструкцию и сервисные элементы продолжают совершенствовать. Например, в видеокамерах. Впрочем, это предмет отдельного разговора, и достаточно подробно он освещен в информационно-техническом журнале «625». Тема номера журнала — аккумуляторы для профессиональных видеокамер и зарядные устройства к ним. Цикл статей, хотя и специфичен, но интересен и, безусловно, будет полезен всем, кого интересуют вопросы и проблемы эксплуатации аккумуляторов. В электронном виде со статьями можно познакомиться на [3].

Любопытные сведения по аккумуляторам приведены в [5], а химическим источникам тока и аккумуляторам посвящены две статьи в журнале Электронная промышленность [6].

При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. [1], а также компанией Landata, г. Москва [2].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [3].

Источник

Литий-ионный аккумулятор — типы и характеристики, принцип работы

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

СПРАВКА: Разработчик коммерческой версии аккумулятора Акиро Ёсино, а также Уиттенгем и Гуденаф в 2019 году получили Нобелевскую премию в области химии за равноценный вклад в создание литиево ионных аккумуляторов.

Принцип действия

Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.

Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.

Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.

ВНИМАНИЕ: даже находясь в режиме ожидания, аккумуляторы теряют часть заряда. При этом они обладают такой характеристикой как старение – постепенно приходящая неспособность удерживать первоначальное количество заряда.

Устройство li-ion аккумулятора

В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.

В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.

По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.

Характеристики литиевых аккумуляторов

ИНТЕРЕСНО: собственные удельные характеристики обеспечили описываемым батареям лидирующие позиции среди всех выпускаемых химических источников тока.

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

СПРАВКА: 14500 аккумулятор, размеры которого сопоставимы с пальчиковой батарейкой (АА), также популярен среди пользователей и обладает номинальной ёмкостью 900 микроампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

ВНИМАНИЕ: если температура упадёт до +4°С объём вырабатываемой батареей энергии уменьшится на 5-7% в соответствии с максимальным значением. Более низкие значения приведут к потери 40-50% ёмкости и преждевременному исчерпанию ресурса.

Саморазряд

Данная характеристика варьируется от 6% до 10% в год.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

Разновидности аккумуляторов

Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:

• Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
• Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
• Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
• Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
• Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.

Особенности хранения и утилизации

Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:

• Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
• Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
• Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.

Источник