Меню

Преимущества литий ионными аккумуляторами

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, старение, основные преимущества и недостатки.

Первые эксперименты с литиевыми батареями были начаты еще в 1912 году группой ученых под руководством Дж. Н. Льюиса (G.N. Lewis). Но только в начале 1970-х годов появились первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать литиевые и литий-ионные аккумуляторы вплоть до 1980-х годов заканчивались неудачами. Это было связано с проблемами их безопасности.

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, старение, основные преимущества и недостатки.

Литий — самый легкий из металлов. Он имеет превосходный электрохимический потенциал и обеспечивает наилучшую энергетическую плотность на единицу массы. В литиевых аккумуляторных батареях применялись отрицательные пластины из металлического лития. Такие батареи обладали более высоким напряжением на каждом элементе и высокой емкостью по сравнению с батареями других типов.

После многочисленных испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых батарей «закручена» вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития. Процессы, происходившие при старении и износе электродов, в конце концов, нарушали температурную стабильность химических процессов, происходивших внутри аккумуляторной батареи.

В результате температура элемента достигала точки плавления лития, и происходила бурная реакция, получившая название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 году на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых батарей, которые впервые применили в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавшего лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумуляторной батареи без его применения, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные батареи обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые батареи, тем не менее они безопасны при соблюдении правильных режимов заряда и разряда.

Особенности устройства литий-ионных Li-ion аккумуляторов.

В 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерческий выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. За ней последовали и другие компании. В настоящее время производство литий-ионных аккумуляторных батарей представляет собой быстрорастущий и многообещающий сегмент рынка.

Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза превышает энергетическую плотность стандартных никель-кадмиевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором активных материалов электродов, в перспективе позволит увеличить это соотношение до трех раз.

Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на нагрузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они нетребовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов.

У них отсутствует «эффект памяти». Для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы. И, наконец, саморазряд литий-ионных батарей, который вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей, делает их незаменимыми при использовании во многих устройствах.

Высокое напряжение на элементе батареи позволяет производителям выпускать аккумуляторные источники питания, состоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники используются во многих моделях современных мобильных телефонов. А простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы разных конструкций.

В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 года в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита.

Графитовые пластины позволяют обеспечить более плоскую характеристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графитовыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда. Они меньше нагреваются и обладают меньшим саморазрядом.

Устройство литий-ионного Li-ion аккумулятора в цилиндрическом корпусе.

В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «прощают» ошибки при эксплуатации.

Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более низкая стоимость сырья, чем для производства батарей с литие-кобальтовыми пластинами.

Процесс заряда литий-ионного Li-ion аккумулятора.

Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батарей на основе свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.

Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защиты, встроенная в корпус батареи, ограничивает пиковое напряжение на каждом элементе в процессе заряда и предупреждает падение напряжения ниже допустимого значения при разряде.

Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи. Обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают образование металлического лития при перезаряде, опасность вентиляции с выбросом пламени или взрыва.

Старение литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.

Большинству типов литий-ионных батарей и аккумуляторов свойственно старение. По неизвестным причинам производители батарей информацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пишут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не использовалась.

Через 2-3 года литий-ионные аккумуляторы чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химические процессы, приводящие батареи в негодное состояние.

Хранение литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.

Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других типов. Производители рекомендуют хранить батареи при температуре 15 градусов. При этом батареи должны быть подзаряжены.

Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации. То есть их следует периодически переворачивать. При покупке батареи потребитель должен быть предупрежден производителем о сроке ее замены. К сожалению, информация о дате выпуска часто кодируется среди цифр серийного номера или отдельно, что не позволяет конечному потребителю определить дату выпуска без использования справочной литературы.

Производители постоянно работают над улучшением качества литий-ионных аккумуляторных батарей. Примерно каждые полгода они используют новые или улучшенные химические составы. При таких темпах сложно, а подчас и невозможно уследить за данными об изменениях в сроке хранения и эксплуатации.

Особенности использования литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.

Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилиндрические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматические литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндрических. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (тоньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.

Преимущества литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей:

Высокая энергетическая плотность.
Низкий саморазряд.
Отсутствует «эффект памяти».
Простота обслуживания.

Читайте также:  Аккумулятор eco r 60d23l

Недостатки литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей:

Необходимость схемы защиты по току и напряжению.
Относительно быстрое старение. Хранение батареи в прохладном месте снижает процесс старения примерно на 40%.
Умеренный ток разряда.
Более высокая цена. На 40 % выше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями.
Конструкция не доведена до совершенства.

Меры предосторожности при работе с литий-ионными Li-ion аккумуляторами и батареями.

При работе с литий-ионными аккумуляторами и батареями следует соблюдать меры предосторожности:

Нельзя замыкать их выводы накоротко.
Допускать перезаряд.
Разбирать.
Прикладывать напряжение обратной полярности.
Нагревать.
Следует использовать только литий-ионные батареи, имеющие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламеняем.

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы с разными типами корпусов.

Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами. Из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм). Элементы этого типоразмера обычно имеют емкость от 1800 мАч. Емкость более крупных элементов типоразмера 26650 диаметром 26 мм обычно начинается с 3200 мАч.

По материалам книги Аккумуляторы.
Хрусталев Д.А.

Источник



Плюсы и минусы литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы – универсальные химические источники тока, отличающиеся легким весом, низкой саморазрядкой и отсутствием «эффекта памяти». Они не требуют обслуживания и при соблюдении правил эксплуатации совершенно безопасны в использовании. Наиболее распространенные классы Li-Ion аккумуляторов – литий-марганцевые LiMn2O4, кобальт-литиевые LiCoO2, литий-ферро-фосфатные LiFePO4.

Многочисленные преимущества литиевых аккумуляторов обеспечили им хорошие оценки экспертов и высокую популярность при оснащении портативной и автономной электротехники, где предъявляются особые требования к компактности и эргономичности АКБ. Есть у литий-ионных аккумуляторных батарей и недостатки, но все они компенсируются высокой плотностью накопленной энергии.

Плюсы литий ионных аккумуляторов

Рассматривая плюсы и минусы литиевых аккумуляторов, выделим вначале положительные качества таких АКБ. Прежде всего, это:

  • высокая плотность накапливаемой энергии и разрядных токов;
  • выдача более высокого напряжения (по сравнению с аккумуляторами типов NiCd и NiMH);
  • постоянная готовность к эффективной эксплуатации;
  • минимальный саморазряд – 4–6% за месяц, 10–20% за год;
  • отсутствие «эффекта памяти» – возможность регулярной небольшой подзарядки;
  • отсутствие необходимости в «тренировке» после приобретения – полностью заряжать, а потом полностью разряжать литиевые батареи после покупки не нужно;
  • широкий диапазон рабочих температур – от -20 до + 50 °С;
  • эффективное сохранение накопленной энергии потеря не более 5% накопленной емкости в месяц;
  • возможность создания Li-Ion аккумуляторов различных форм и размеров;
  • легкий вес;
  • возможность длительного хранения в условиях, рекомендованных производителем;
  • незначительное старение без регулярной эксплуатации – до 20% в год;
  • большой эксплуатационный ресурс порядка 10 лет;
  • существенный запас рабочих циклов разряд-заряд более 1000;
  • простота в уходе и использовании.

Недостатки Li-Ion аккумуляторов

Минусы литий ионных аккумуляторов немногочисленны:

  • относительная дороговизна;
  • низкая устойчивость к избыточному заряду и полному разряду поэтому умные Li-Ion батареи оснащаются встроенными системами автоматического отключения;
  • небезграничный диапазон рабочих температур (от -20 до + 50 С) ухудшение работы при высоких температурах, снижение емкости при использовании на морозе;
  • затрудненность зарядки при отрицательных температурах;
  • взрывоопасность при повреждении корпуса проколе или другом нарушении герметичности;
  • зависимость срока службы от времени, а не от числа циклов разрядки и зарядки с течением времени происходит постепенная потеря емкости.

Рекомендации по эксплуатации литиевых аккумуляторов

Чтобы продлить срок службы литиевого аккумулятора и повысить эффективность его работы, нужно следовать простым рекомендациям:

  • избегать полного разряда АКБ, регулярно подзаряжать ее при падении уровня заряда до 20%;
  • не допускать перегрева батареи и воздействия на нее прямых солнечных лучей;
  • не использовать аккумулятор на сильном морозе, для эксплуатации зимой утеплить его;
  • хранить литий-ионный аккумулятор с 50% уровнем заряда, при температуре 0 С;
  • беречь АКБ от ударов, повреждений и сильной вибрации, при установке на электротранспорт подкладывать мягкую прослойку.

О том, как восстановить литий-ионный аккумулятор после глубокого разряда, читайте здесь.

Источник

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

Аккумулятор

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

Аккумулятор

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

Аккумулятор

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:

Параметры

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

Аккумулятор

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.

Читайте также:  Аккумулятор для модели казань

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.

Аккумулятор

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

Аккумулятор

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:

Параметры

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

Аккумуляторы

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

Аккумулятор

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?

Аккумуляторы

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

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, старение, основные преимущества и недостатки.

Первые эксперименты с литиевыми батареями были начаты еще в 1912 году группой ученых под руководством Дж. Н. Льюиса (G.N. Lewis). Но только в начале 1970-х годов появились первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать литиевые и литий-ионные аккумуляторы вплоть до 1980-х годов заканчивались неудачами. Это было связано с проблемами их безопасности.

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы, описание, особенности устройства и конструкции, применение, старение, основные преимущества и недостатки.

Литий — самый легкий из металлов. Он имеет превосходный электрохимический потенциал и обеспечивает наилучшую энергетическую плотность на единицу массы. В литиевых аккумуляторных батареях применялись отрицательные пластины из металлического лития. Такие батареи обладали более высоким напряжением на каждом элементе и высокой емкостью по сравнению с батареями других типов.

После многочисленных испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых батарей «закручена» вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития. Процессы, происходившие при старении и износе электродов, в конце концов, нарушали температурную стабильность химических процессов, происходивших внутри аккумуляторной батареи.

Читайте также:  Что это вса аккумуляторы

В результате температура элемента достигала точки плавления лития, и происходила бурная реакция, получившая название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 году на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых батарей, которые впервые применили в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавшего лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумуляторной батареи без его применения, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные батареи обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые батареи, тем не менее они безопасны при соблюдении правильных режимов заряда и разряда.

Особенности устройства литий-ионных Li-ion аккумуляторов.

В 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерческий выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. За ней последовали и другие компании. В настоящее время производство литий-ионных аккумуляторных батарей представляет собой быстрорастущий и многообещающий сегмент рынка.

Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза превышает энергетическую плотность стандартных никель-кадмиевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором активных материалов электродов, в перспективе позволит увеличить это соотношение до трех раз.

Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на нагрузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они нетребовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов.

У них отсутствует «эффект памяти». Для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок службы. И, наконец, саморазряд литий-ионных батарей, который вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей, делает их незаменимыми при использовании во многих устройствах.

Высокое напряжение на элементе батареи позволяет производителям выпускать аккумуляторные источники питания, состоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники используются во многих моделях современных мобильных телефонов. А простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы разных конструкций.

В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 года в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита.

Графитовые пластины позволяют обеспечить более плоскую характеристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графитовыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда. Они меньше нагреваются и обладают меньшим саморазрядом.

Устройство литий-ионного Li-ion аккумулятора в цилиндрическом корпусе.

В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «прощают» ошибки при эксплуатации.

Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более низкая стоимость сырья, чем для производства батарей с литие-кобальтовыми пластинами.

Процесс заряда литий-ионного Li-ion аккумулятора.

Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батарей на основе свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.

Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защиты, встроенная в корпус батареи, ограничивает пиковое напряжение на каждом элементе в процессе заряда и предупреждает падение напряжения ниже допустимого значения при разряде.

Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи. Обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают образование металлического лития при перезаряде, опасность вентиляции с выбросом пламени или взрыва.

Старение литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.

Большинству типов литий-ионных батарей и аккумуляторов свойственно старение. По неизвестным причинам производители батарей информацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пишут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не использовалась.

Через 2-3 года литий-ионные аккумуляторы чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химические процессы, приводящие батареи в негодное состояние.

Хранение литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.

Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других типов. Производители рекомендуют хранить батареи при температуре 15 градусов. При этом батареи должны быть подзаряжены.

Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации. То есть их следует периодически переворачивать. При покупке батареи потребитель должен быть предупрежден производителем о сроке ее замены. К сожалению, информация о дате выпуска часто кодируется среди цифр серийного номера или отдельно, что не позволяет конечному потребителю определить дату выпуска без использования справочной литературы.

Производители постоянно работают над улучшением качества литий-ионных аккумуляторных батарей. Примерно каждые полгода они используют новые или улучшенные химические составы. При таких темпах сложно, а подчас и невозможно уследить за данными об изменениях в сроке хранения и эксплуатации.

Особенности использования литий-ионных Li-ion батарей и аккумуляторов.

Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилиндрические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматические литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндрических. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (тоньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.

Преимущества литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей:

Высокая энергетическая плотность.
Низкий саморазряд.
Отсутствует «эффект памяти».
Простота обслуживания.

Недостатки литий-ионных Li-ion аккумуляторных батарей:

Необходимость схемы защиты по току и напряжению.
Относительно быстрое старение. Хранение батареи в прохладном месте снижает процесс старения примерно на 40%.
Умеренный ток разряда.
Более высокая цена. На 40 % выше по сравнению с никель-кадмиевыми батареями.
Конструкция не доведена до совершенства.

Меры предосторожности при работе с литий-ионными Li-ion аккумуляторами и батареями.

При работе с литий-ионными аккумуляторами и батареями следует соблюдать меры предосторожности:

Нельзя замыкать их выводы накоротко.
Допускать перезаряд.
Разбирать.
Прикладывать напряжение обратной полярности.
Нагревать.
Следует использовать только литий-ионные батареи, имеющие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламеняем.

Литий-ионные Li-ion аккумуляторы с разными типами корпусов.

Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами. Из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм). Элементы этого типоразмера обычно имеют емкость от 1800 мАч. Емкость более крупных элементов типоразмера 26650 диаметром 26 мм обычно начинается с 3200 мАч.

По материалам книги Аккумуляторы.
Хрусталев Д.А.

Источник