Что такое встроенный литиевый аккумулятор

Что такое встроенный литиевый аккумулятор

В этой статье вы узнаете о видах литиевых аккумуляторов, их преимущества и недостатки, а так же правила эксплуатации таких аккумуляторов.

Немного истории

Впервые опыты по разработке литиевых батарей были в 1912 году, однако первое использование в бытовых приборах произошло спустя 6 десятилетий, в начале семидесятых годов. Дальнейшие попытки создать литиевые аккумуляторы (батареи, которые можно перезаряжать) оказались безуспешным из-за образовавшихся проблем в обеспечении их безопасной эксплуатации. Такие аккумуляторы могли бы обеспечить высокое напряжение и отличную емкость. Но многочисленными исследовательскими работами в 80-х годах выяснилось, что циклование (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к неконтролируемой бурной реакции, с воспламенением выделяющихся газов. Для получения безопасных аккумуляторов исследователи отказались от лития, из-за его характерной неустойчивости, и обернули свой взгляд на неметаллические литиевые аккумуляторы на основе ионов лития. Так и появились Li-ion аккумуляторы.

Параметры литиевых аккумуляторов

У выпускаемых, на сегодняшний день, аккумуляторов высокая удельная энергоёмкость (100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л) и рабочее напряжение (3,5-3,7 В). 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. Обыкновенные литий–ионные батареи для мобильных устройств при отрицательных температурах становятся неработоспособными. Саморазряд данного типа аккумуляторов примерно от 4% до 6% в первом месяце. Но потом он становится существенно меньше, и за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Это значительно меньше, чем у никель–кадмиевых и никель–металлогидридных батарей. Срок службы примерно 500─1000 циклов.

Отличие Li-Pol от Li-Ion аккумулятора

Литий–ионные аккумуляторы, в основном попадаются в виде цилиндрических бочонков, как например 18650. А всё потому, что ионные аккумуляторы созданы на основе, так называемой «банки», в которую залит жидкий электролит.

Литий полимерные аккумуляторы построены из твердого электролита, что дает возможность произвести его почти любой формы.

На данный момент проведено множество экспериментов, подтверждающих высший уровень безопасности полимерных АКБ в сравнении с ионными аккумуляторами. Это относится к перезаряду, ускоренному разряду, вибрации, сжатию, короткому замыканию, прокалыванию литий–полимерных батарей. Поэтому данный вид аккумуляторов имеет лучшие перспективы развития. Ниже приведены итоги исследований на безопасную эксплуатацию Li–Pol аккумуляторов.

Преимущества литиевых аккумуляторов

• высокая энергетическая плотность (а значит, более высокая ёмкость), если сравнивать со щелочными аккумуляторами с использованием никеля;
• небольшой саморазряд;
• Достаточно большое напряжение одного аккумуляторного элемента (3,6 вольта у Li и 1,2 вольта у Ni–Cd и Ni–MH). Это делает конструкцию проще. Как правило, литиевые АКБ для телефонов и планшетов имеют в своей конструкции всего одну банку. Но для обеспечения той же мощности, требуется отдавать более высокую силу тока. Это, в свою очередь, требует небольшого внутреннего сопротивления аккумулятора;
• Простая эксплуатация, поскольку отсутствует «эффект памяти». Поэтому периодические тренировки элементов не требуются.

Недостатки литиевых аккумуляторов

• Этот тип аккумуляторов не может работать без встроенного контроллера. Это повышает стоимость АКБ. Контроллер необходим для контроля за напряжением во время зарядки и разрядки. Также в его функции входит ограничение токов заряда и разряда плюс контроль температуры;
• Деградация аккумулятора идёт даже при его хранении. Производители об этом не распространяются, но вам необходимо помнить при покупке, что «часики литиевой АКБ тикают» с момента её производства на конвейере;
• Стоят дороже никель–кадмиевых и никель–металлогидридными;
• Сохраняют свои свойства в узком температурном интервале. Жара и холод для них губительны.

Правила эксплуатации

Что требуется запомнить при эксплуатации Li–Pol аккумуляторных батарей:

• Если есть возможность, то стоит проконтролировать напряжение аккумулятора, особо важно следить за этим в конце разрядки;
• Рекомендуется использовать разъёмы, не допускающие короткого замыкания;
• Корпус батарей изначально герметичен, внутрь аккумуляторной банки недопустимо проникновение воздуха, соответственно недопустимо разгерметизация АКБ;
• Нельзя допускать нагрев выше 60 градусов, т.к. вследствие перегрева начинает идти самопроизвольная реакция, из-за которой может произойти воспламенение или даже взрыв;
• Для хранения необходимо зарядить батарею наполовину и поместить ее в прохладное место, без попадания солнечного света.

LiFePO4

LifePO4 – это группа литиевых аккумуляторов, которые в своем составе содержат литий фосфат железа. Данные литиевые батареи, в отличии от других, считаются неопасными. Они превосходят другие материалы в плане безопасности, стабильности и производительности.

LifePO4 батареи могут превышать 2000 циклов заряд–разряд. Это показатель качественно выполненной батареи LiFePO4, которая превышает продолжительность жизни другой группы аналогичных литиевых батарей на дополнительные 33%! От этих батарей гораздо большая отдача от вложенных денег, чем от других литиевых аккумуляторов.

LiFePO4 элементы питания произошли от литий–ионных, но при этом данные АКБ имеют ряд преимуществ:

• LiFePO4 обеспечит вам более длительный срок службы, чем другие аналоги;
• Данные батареи обеспечивают стабильный разряд, в сравнении с остальными аккумуляторами. До самого разряда батарея держит напряжение максимально приближенное к 3.2, что отбрасывает нужду в частом регулировании напряжения цепи;
• В связи со стабильным напряжением 3.2 В на выходе, последовательным расположением четырех батарей можно получить номинальное напряжение на выходе в 12.8 В. Исходя из этого, данные батареи могут стать альтернативой свинцово-кислотным АКБ, и их можно эксплуатировать в автомобилестроении или в работе солнечной энергетикой;
• Использование фосфатов позволяет избежать затрат на кобальт и экологических проблем, в частности, озабоченность по поводу кобальта попадающего в окружающую среду при неправильной утилизации;
• LiFePO4 отличается высокой мощностью и пиковым током;
• Плотность энергии новой батареи LFP около 14% ниже, чем у новых литий–ионных батарей. Так как плотность энергии снижается гораздо медленнее, после определенного срока использования, LifePO4 ячейки будут иметь плотность энергии выше LiCoO2 и литий–ионные ячейки;
• LiFePO4 ячейки медленнее теряют ёмкость, чем литий–ионные аккумуляторы, такие как LiCoO2, кобальт или марганец, LiMn2O4, шпинель, литий–полимерные или литий-ионные батареи.
• Одним из важных преимуществ по сравнению с другими видами литий-ионных батарей, является термическая и химическая стабильность, что существенно повышает безопасность батареи.

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

Литий-ионные (Li-ION) аккумуляторы: виды, типоразмеры, сфера применения

На протяжении не одного десятка лет устройствами, которые обеспечивали работу разного рода механизмов и автономных объектов, считались кислотные аккумуляторы.

Несмотря на многие превосходства такие батареи имели и недочеты: в аппаратах с большим потреблением электроэнергии их нельзя было использовать. Также не допускалось использование в закрытых, непроветриваемых помещениях.

Но время не стоит на месте, и на смену старого всегда приходит что-то новое. Так мало-помалу возникли литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Они стали качественнее своих предшественников, а значит, и надежнее.

Имея некоторые дефекты, им присущи минимум негативных качеств. Подробности ниже.

Все (+) и (-) литий-ионных аккумуляторов

В 70-ом году прошлого века о Li-ion АКБ стали известны. Чтобы повысить уровень электроэнергии, в такую батарею устанавливался анод лития.

Благодаря ему эксплуатация изделия увеличивалась, но возникала другая проблема: при перегревании катода могло произойти воспламенение аккумулятора.

Спустя определенный период времени этот дефект был заменен ионами металла, существенно снизив опасность возгорания батареи.

Литий-ионные аккумуляторы и ныне пользуются немалой популярностью у покупателей. Они испытаны временем, число зарядов/разрядов по циклу у них многочисленно.

Обладая слабым «эффектом памяти» и легким весом, аккумуляторы li-Ion обретают свою нужность во многих портативных и автономных устройствах. К примеру, li-ion-ные батарейки для техники быту, источники для тяги электроэнергии с высокой эффективностью.

Присутствуют у литий-ионных батареек и свои изъяны, которые в принципе могут легко компенсироваться умением накапливать энергию, благодаря высокой плотности.

Перечислим некоторые из них:

• относительно дорогие;
• продолжительные разряды губительны для них;
• работают хуже в жару;
• при температурах со знаком «минус»могут сойти на нет («погибнуть»);
• при нарушении герметичности становятся взрывоопасными;
• теряют емкость как при перегреве, так и при использовании на морозе.

Производство литий-ионных аккумуляторов

Принцип изготовления Li-Ion АКБ происходит поэтапно:

• сначала изготавливаются электроды;
• затем они объединяются в батарею;
• далее устанавливается плата и защита;
• потом ставится батарея в корпус;
• заливается электролит;
• тестируется АКБ и отправляется на зарядку.

Для того чтобы изделие стало невероятно высокого качества и не подводило впоследствии своей работы, необходимо строго соблюдать все этапы технологии производства, а также не забывать о мерах предосторожности в процессе работы.

В качестве электрода (-) в li-ION-ном аккумуляторе выступает фольга, поверхность которой покрыта веществом из Li.

В зависимости от того, для каких целей предназначена Li-ионная аккумуляторная батарея, в нее будут входить следующие Li-Ion соединения:

В «пальчиковых(АА)» и «мизинчиковых(ААА)» АКБ катод (-) находится в форме рулона и отделен от анода (+) с помощью сепаратора.

При большой площади отрицательного электрода, покрытого тоненькой пленкой, энергоемкость батареи становится значительно выше.

Как работают и что находится внутри литий-ионных аккумуляторов

Рабочая деятельность аккумулятора Li-ion заключается в следующем:

• электроток подается на контакты АКБ? и катионы лития начинают двигаться в сторону электрода (+);
• когда батарея начинает разряжаться, ионы лития покидают электрод (+) и переходят в диэлектрик на глубину до пятидесяти нанометров.

Количество таких циклов у батареек данного типа может быть до трех тысяч. И в каждом из них аккумуляторная батарейка может спустить почти весь электроток, который был накоплен во время заряда.

Если батарею разрядить практически до конца? это не приведет к окислению пластинок АКБ (что определяет выгодность данного изделия — в отличие батарей с кислотным содержимым).

Интересный факт! Не все литий-ионные аккумуляторы выдерживают продолжительные по времени разрядки. К примеру, для телефонных или фотоаппаратных устройств такое действие не желательно. В них сработает схема «контроллер» и просто заблокирует заряд батареи. И только с помощью специального ЗУ ее возможно потом будет зарядить. Если же, это касается, например, устройства аппарата для лодки, то глубокий разряд на нем никак не отразится.

В отличие от «пальчиковых» АКБ более сложные элементы питания имеют в себе множество отдельных источников электрического тока с последовательным либо параллельным соединением.

Такое соединение будет зависеть от того, какой показатель электричества будет увеличен.

Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные АКБ находят широкое применение в разного рода бытовых устройствах, в электромобилях, планшетах и других видах современных гаджетов.

Также существуют промышленные Li-Ion АКБ, обладающие большой емкостью и высоким напряжением. Ниже в таблице приведем примеры более востребованных на рынке аккумуляторных батарей:

Помимо АКБ в форме цилиндра, существуют и другие формы изделий. К таковым относятся: «Крона» с U=9 Вольт и более мощные промышленные аккумуляторы с U=12 V , U=24 V , U=36 V , U=48 V.

Маркировка на корпусе аккумуляторов гласит об элементах, которые добавлены в данную батарею.

• если стоит ICR, значит, аккумулятор содержит кобальт;
• маркировка IMR означает добавление марганца в состав;
• INR — говорит о никеле с марганцем в АКБ;
• NCR — оповещает о «порции» никеля и кобальта в батарее.

Не только размер и химические добавки отличают друг от друга литий-ионные аккумуляторы, но и емкость с напряжением. Именно они помогают определить для какого электрического прибора изготовлена батарея.

Применение аккумуляторов Li-ION

Литий-ионные элементы питания незаменимы там, где возникает потребность полной отдачи электричества батареей, при ее немалом количестве циклов (заряд/разряд), не снижая емкости изделия.

В преимуществе выступает значительно небольшой вес АКБ. А значит, и применение свинцовых решеток такому устройству не потребуется.

Тщательно изучив, все (+) и (-) стороны работы литий-ионных аккумуляторов, рассмотрим область их применения:

1. В стартерных батарейках. Аккумуляторы li-Ion с большой скоростью дешевеют. Все это происходит от того, что на рынке с каждым днем выпускаются более совершенные АКБ. Они-то и являются главным источником снижения в цене их предшественников. Стоимость новинок обычно высокая, ( что сильно бьет по карману любителей поездок с ветерком). Основным пробелом литий-ионных аккумуляторов является падение мощности при t˂20, в результате чего использование их в районах Крайнего Севера становится непрактичным.
2. Для аппаратов тяги. Литий-ионным аккумуляторам свойственно переносить разряд глубокого действия, поэтому эксплуатация их в качестве источника тяги для электромотора в лодке будет уместным. При небольшой мощности двигателя одного заряда такой АКБ хватит не менее чем на шесть часов рыбалки (либо простого лодочного путешествия). Li-ION-ные аккумуляторы применяют для погрузочной техники, которая используется в закрытом пространстве (например, для электроштабелеров, электропогрузчиков).
3. Для оборудования, используемого в быту. Многие бытовые устройства вместо традиционных батареек применяют литий-ионные. У таких АКБ U=3,6 Вольт (3,7 Вольт). Однако, встречаются и такие, которые могут с легкостью заменить даже солевую либо щелочную батарейку с U=1,5 Вольт.

А если рассмотреть модели с U=3 Вольт, например у «15270» или «CR2», то такой тип АКБ сможет заменить и две стандартные батарейки. Подобные аккумуляторы обычно используются в более мощных электроприборах, т.е там, где простая солевая батарейка их заменить не сможет (из-за быстрой разрядки).

Использование литий-ионных АКБ

Продолжительность жизни литий-ионного аккумулятора зависит от правильной эксплуатации изделия.

Есть две основные ошибки использования данного вида АКБ:

1. Не рекомендуется полностью разряжать литий-ионный аккумулятор. Хотя батареи такого типа и устойчивы к полному разряду, однако не стоит увлекаться этим действием чересчур. Особенно это губительно для аккумуляторов с источником бесперебойного питания и электродвигателями с большой мощностью. Если все же такая ситуация произошла, необходимо своевременно постараться подключить литий-ионную АКБ к ЗУ. «Завести» аккумулятор возможно и после продолжительного пребывания его в состоянии большого разряда. Для этого потребуется зарядить батарею не менее двенадцати часов, а затем разрядить по новой.
2. Перезарядка изделия портит его качество. При перезарядке литий-ионного аккумулятора нужно помнить, что это действие будет отражаться на свойствах изделия, причем не с положительной стороны. Если заряд батареи происходит в неотапливаемом помещении, то схема «контроллер» может не всегда сработать и обесточить батарею. Помимо этих двух ошибок, необходимо беречь литий-ионный аккумулятор от механических воздействий, разного рода ударов, в результате которых, может произойти разгерметизация корпуса изделия и произойти возгорание внутри него. Именно из-за этого такие изделия (в них чистого лития ˃ на 1 грамм) запрещено пересылать по почте.

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

Перед тем как поставить на хранение литий-ионный аккумулятор, надо соблюсти некоторые последовательные правила-пункты:

1. Правило 1. Не влажное и не жаркое место – лучший метод хранения АКБ.
2. Правило 2. Извлеките элемент питания из электроприбора.
3. Правило 3. Обязательно зарядите изделие перед тем, как поставить его на консервацию. Чтобы не произошла коррозия элементов внутри, минимальное U=2,5 V на один элемент.

Саморазряд литий-ионных АКБ невысок, поэтому за его хранение можно не переживать в течение многих лет. Однако следует помнить при этом, что емкость изделия будет потихоньку тоже снижаться.

Переработка литий-ионных элементов питания

Li-Ion батареи содержат в себе вредные для жизни вещества, поэтому дома не стоит их даже пытаться разбирать. Когда срок службы АКБ закончился, ее необходимо утилизировать.

Для этого и существуют специальные приемные пункты по сбору, просрочившихся либо негодных батарей. За такую услугу можно получить вознаграждение в денежном эквиваленте.

И это не фантазии! Любое литий-ионное изделие содержит в себе не дешевый элемент, который после переработки оживет и будет числиться на рабочем посту дальше.

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

Литий-ионные аккумуляторы и все, что нужно о них знать

Инженеры-разработчики электронного оборудования пристальное внимание уделяют аккумуляторам, которые бы обеспечивали долгое автономное питание. Литий-ионный аккумулятор – разновидность электрического элемента питания, широко применяемого в бытовой электронике, цифровой технике. Литиевые батареи (аккумуляторы) устанавливаются в ноутбуках, смартфонах, камерах, фотоаппаратах, электромобилях.

Описание элементов питания

В состав литий-ионного аккумулятора входят электроды, поделенные пропитанными электролитным раствором пористыми сепараторами. Пакет с ними помещается в полностью герметичный корпус, аноды с катодами подключаются к токосъемным клеммам. На корпусе предусмотрен клапан для защиты от повышенного давления – он сбрасывает чрезмерное напряжение при авариях, проблемах с условиями эксплуатации.

Каждый li ion аккумулятор имеет значимые преимущества перед другими элементами питания.

• высокая энергоемкость;
• низкие саморазряды (снижение емкости);
• внушительный набор циклов зарядов и разрядов.

К недостаткам АКБ данного типа первого поколения можно было отнести подверженность взрывам. В итоге проблема была решена, а именно полностью устранена за счет замены анодного взрывного материала на графитный.

Также все зарядные устройства для литий-ионных элементов питания предотвращают перегревы, перезаряды из-за активного заряда.

Проблемы естественного старения, деградации при некорректном применении актуальны и сегодня. Литий-ионные батареи утрачивают нормальную эффективность, могут полностью выходить из строя в случае полной разрядки.

Также они чувствительны к температурным режимам эксплуатации. Наиболее благоприятными условиями среды является диапазон 0–10 °C, остаток заряда должен быть не меньше 40 %.

Спустя пару лет интенсивного использования уйдет не менее 20 % емкости батареи, теряется она даже тогда, когда АКБ просто лежит и не используется.

История и перспективы

Первый элемент питания увидел свет в 1912 году, а в бытовых приборах стал использоваться ближе к 70-м. Литий-ионные аккумуляторы не сразу получили успех хотя бы потому, что было немало проблем с безопасностью их применения.

Исследователи новинкой заинтересовались и стали более активно заниматься разработкой литиевых неметаллических элементов питания.

Впоследствии были изменены значения плотности энергии, приняты меры предосторожности с получением более безопасных Li-ion аккумуляторов.

Плотность энергии элементов вдвое превышает показатели NiCd стандартных батарей. В будущем за счет применения передовых активных материалов она должна быть дополнительно увеличена с достижением трехкратного превосходства над привычными NiCd.

Сегодня видов Li-ion аккумуляторов существует довольно много, каждый имеет свои преимущества и недостатки.

Плюсы и минусы

Литий-ионные батареи имеют такие преимущества:

• значительная емкость при стандартных габаритах (если говорить о никелевых элементах);
• низкие саморазряды;
• большое напряжение отдельно взятого (единичного) элемента.

Для сотовых зачастую используются именно такие АКБ. Для достижения заданных параметров мощности важно, чтобы элемент давал значительный ток. Возможно это только при условии отсутствующего внутреннего сопротивления батареи.

Литий-ионный аккумулятор для сотового

Стоимость обслуживания невысокая, поскольку эффекта памяти нет, а периодические циклы зарядов-разрядов не требуются – емкость в процессе эксплуатации практически не меняется.

Минусы у li-ion аккумуляторов тоже есть:

1. Потребность в применении встроенной защитной схемы (это повышает цену) – для ограничения максимальных параметров напряжения на каждом участки АКБ в ходе зарядки.
2. Подверженность старению, даже при полном покое – батарея лежит на полке, а ее ресурс снижается. При активной эксплуатации процесс протекает в ускоренном режиме, спустя несколько лет элемент обычно полностью утрачивает эксплуатационную пригодность.
3. Достаточно высокая цена, если сравнивать с NiCd-батареями.

В плане удельных технических параметров Li-ion батареи занимают лидирующее место среди электрохимических решений. Они имеют значительную удельную энергию, хорошее разрядное напряжение и сравнительно небольшой саморазряд.

Срок службы хоть и не вечный, но приемлемый. Особых требований к условиям эксплуатации нет – температурные показатели среды составляют от -40 до +80 °C.

Цена таких батарей постоянно уменьшается, а области применения становятся все шире.

Особенности конструкции

Рассмотрим особенности строения литиевого аккумулятора. Он может быть мощным, емким или промежуточным. Данную классификацию можно считать условной, но применяется она повсеместно.

Суть деления состоит в том, что с учетом особенностей протекания электрохимических реакций элемент питания может иметь определенные производственные особенности.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Пример – токопроводящая основа электрода может быть толще либо тоньше электродной массы.

Чем более значительным является соотношение принимающих участие в химических и электродных реакциях масс, тем больше будут параметры конечных изделий.

При этом, чем меньше толщина фольги из меди, тем ниже окажется ее токопроводящая способность без дополнительного нагрева. Есть и обратная зависимость. То есть выходит, что батарея с тонкой токопроводящей основой, толстым слоем электродов будет иметь максимальные параметры энергии, которая запасается, при сниженной мощности, и наоборот.

Чтобы дополнительно уменьшить сопротивление, используйте активные материалы с мелкими частичками. Варьируя толщины электродов, фольгированного покрытия, сепаратора, а также материала положительных и отрицательных электродов, размеры частичек, производители могут изготавливать аккумуляторы с любыми нужными токами, емкостью в заданных типоразмерах конечных изделий.

Батареи увеличенной мощности при этом должны иметь массивные выводы для силы тока – это защитит АКБ от чрезмерного нагрева.

Увеличить разрядный ток можно с применением повышающих значения проходимости добавок.

У аккумуляторов повышенной емкости токосъемники или борны обычно мелкие – в сравнении с объемами самого корпуса. Борны изначально рассчитываются на низкие разрядные токи.

Задачи с применением таких АКБ могут решаться разные, сферы применения тоже широкие – от стартерных пусков до запитывания аппаратуры слаботочной категории.

Порядок зарядки

Li-ion аккумуляторы заряжаются в несколько шагов. Рассмотрим их.

Подготовка

Нужна, если напряжение на АКБ ниже некоторых запрограммированных параметров. И длительное хранение в бездействии, и активная эксплуатация приводят к саморазрядам.

Малые зарядные токи создают условия для постепенного выхода электродов повышенной активности на оптимальные в плане показателей напряжения уровни.

Подготовительный режим продлевает сроки службы элемента питания. Его рекомендуют применять для зарядки при низких температурах среды.

Первичный малотоковый заряд также гарантирует максимальную безопасность для АКБ. Если внутри батареи случилось микрозамыкание, напряжение в течение некоторого времени будет только увеличиваться.

Данное явление будет границей нормы или показателем неисправности, так что нужен дополнительный тест.

Сразу большой ток не пускают, чтобы не было чрезмерного разогрева и разгерметизации. Это опасно для всей системы, несмотря на наличие датчика температур, – он срабатывает не так оперативно, как резко прыгают температурные значения.

Функция малотокового заряда обычно возлагается не на зарядку, а на батарею СОФ. В схемах СОФов предусматривается резервный транзистор MOSFET, который управляет зарядом, ограничивает подключенный к АКБ ток.

Первый этап

Тут зарядка идет с номинальными значениями силы тока, зависящими от заданной емкости батареи. Потребители часто экономят время, делая ускоренную зарядку.

Чтобы не навредить устройству, нужно соблюдать рекомендации производителя.

Соответствующие значения, предельно допустимые параметры вы найдете в технической документации. Учитывайте, что чем больше зарядный ток, тем меньше батарея «наберет» емкость и тем пристальнее придется отслеживать разогрев для предотвращения перегревов.

Зарядка Li-ion элементов питания

При значительном токе заряда увеличивается время второго этапа (о нем мы расскажем далее), ток начинает падать до заданных значений.

У каждого элемента питания существует определенное сопротивление: если текущий показатель упадет ниже допустимого, конечное зарядное напряжение будет достигнуто быстрее.

По мере достижения конечного напряжения заряд перейдет на следующий этап – падение силы тока. Аккумулятор начнет «набирать» и терять емкость.

Номинальные и ускоренные режимы чередовать нужно обязательно, в особенности при зарядке батарей сложно наборного состава.

При номинальных показателях тока увеличивается длительность заряда. Продление продолжительности процедуры обеспечивает оптимальную балансировку АКБ.

Чем больше будет значение времени балансировки, тем лучших значений достигнут показатели емкости элементов питания. В результате батарея начнет отдавать близкую к номинальной при разрядке емкость.

Второй этап

Осуществляется при стабильных значениях напряжения, постоянно падающем токе. Процесс будет считаться завершенным в случае установления зарядного тока на отметках в 0.1-0.05 Сн.

Период зарядки падающими токами определяется с учетом времени работы, числа циклов по полной зарядке и разрядке. По завершении процесса номинальный ток упадет, достигнув равновесных значений.

Не держите батарею длительное время на конечном напряжении – когда начнется фаза падающих токов, остановите заряд.

Производство литий-ионных аккумуляторов может сразу осуществляться с учетом указанных параметров. Бренды выпускают на рынок полностью готовые к применению решения по схемотехнике, реализуют прописанные алгоритмы зарядки, помещая микросхемы в единый корпус. Самой часто используемой микросхемой является MC34063 на 12–24 В.

Финальный стэнд-бай этап

Применяется в тех случаях, когда АКБ должен быть в зарядном и находиться в состоянии полной эксплуатационной готовности.

Кратковременные подзаряды нужны для компенсации незначительных и неизбежных саморазрядов. Зарядка сработает тогда, когда показатель напряжения в сети резко упадет до отметки в 4,05 В на батарею, выключение произойдет при 4,20 В.

Зарядки, предназначенные для эксплуатации в режиме постоянной готовности либо ожидания, позволяют напряжению падать вплоть до 4,0 В из расчета на одну батарею, а уровень заряда повышать строго до 4,05, а не 4,20.

Соблюдение всех указанных выше этапов способствует продлению срока службы АКБ.

Тенденции развития в будущем

Литий-ионные технологии хоть и появились не вчера, но объективно находятся в точке старта в плане реализации имеющегося потенциала, сфер промышленного внедрения, доступных на данный день.

Li-ion элементы устанавливают в автомобилях, на водных суднах, в самолетах. Корпорация Boeing постоянно дорабатывала производственные технологии по изготовлению, выпуску аккумуляторов таким образом, чтобы предотвратить прорывы отдельных элементов в случае повышения рабочих температур, изменила конструкцию и снизила параметры выделения тепла.

Отдельно проводилось совершенствование зарядной системы. В конечном счете мастера компании выпустили новую доработанную конструкцию отсека для батареи, которая бы защитила самолет на случай отказа.

Прорывом элементы питания стали в электромобилях. Лидером по вопросам разработки в данном сегменте является марка Tesla Motors. Она, чтобы обеспечить автомобили источниками питания, неоднократно заявляла о планах строительства завода по производству литиевых и ионных батарей полного цикла.

Норвежцы пошли дальше и создали проект электропарома с применением рассматриваемой категории элементов питания. Судна Siemens (Германия) и Fjellstrand (Норвегия) решено было оснастить парой электрических двигателей, работа которых идет от литий-ионных АКБ. Производительность и мощность новинки – 360 пассажиров, 120 машин.

Еще один интересный пример – электрический вертолет от хиросимской корпорации Hirobo. Модель рассчитана на одного пассажира, максимально в час может развивать 100 км. Двигатель бесшумен в работе, заряда батареи хватает в среднем на 30 минут полета без перерывов – да, немного, но уже лучше, чем ничего.

Параметр является очень важным, поскольку от него во многом зависит экологичность, показатели выброса СО 2 в атмосферу (их при условии грамотного подхода можно снизить минимум на четверть).

Развитие Li-ion АКБ в будущем направлено на повышение мощности, расширение емкости при малых размерах. Использование кремниевых нанопроводников вместо графита в анодах должно повысить емкость минимум втрое и сделать даже стандартную зарядку очень быстрой – до 15 минут.

Заключение

Li-ion аккумуляторы считают оптимальными в плане электрохимических показателей источниками питания для устройств разных категорий. За счет сравнительно небольшой массы и значительной удельной емкости именно их устанавливают в мобильных устройствах.

Благодаря активному развитию научной и технической мысли, Li-ion аккумуляторы были избавлены от их главных недостатков – стабильность работы стала лучше, разрядные токи нормализовались. Именно за счет этого элементы питания вытеснили АКБ Ni-MH и Ni-Cd типов.

В будущем планируется повышение эффективности аккумуляторов минимум в 2 раза. Ведутся активные инженерные работы, направленные на совершенствование технических параметров устройств.

Так появились Li-polymer элементы, еще более надежные и емкие, чем Li-ion. В 2014-м французские ученые разработали Na-ion элементы – наиболее эффективные из всех. Пока что они дорабатываются и тестируются.

Источник