Li ion аккумулятор

Li ion аккумулятор

Бессмертный аккумулятор — возможно ли?

аккумулятор,

зарядка,

Из чего сделан аккумулятор, как он работает, и как дольше сохранить его в рабочем состоянии

Первое, что нужно сделать – определить тип вашей батареи. И скорее всего первое, что вспоминается (тот самый тип, с которым вы, вероятно, выросли) – это никелево-металло-гидридный аккумулятор или NiMH. Он, как правило, выглядит как обычная одноразовая батарейка и отличается от нее лишь тем, что вы можете подключить NiMH-аккумулятор к зарядному устройству, если вдруг ваш пульт от телевизора «умер».

Батареи для современных гаджетов – айфонов, ноутбуков, планшетов, беспроводных наушников и т.д. – это совсем другой зверь: литий-ионный аккумулятор, или Li-Ion. Он имеет некоторые довольно значительные преимущества по сравнению с NiMH и другими аккумуляторами, используемыми ранее. Литий-ионные батареи отличаются также и от полностью литиевых аккумуляторов, которые не являются перезаряжаемыми.

А что касается старой сказки о том, что вы всегда должны заряжать аккумулятор полностью до предела и использовать весь заряд до последнего процента? Эффект памяти, или эффект «ленивой батареи», применим к NiMH-аккумуляторам, но такие не используют в вашем телефоне. На самом же деле, аккумулятор вашего телефона ненавидит, когда с ним так поступают! Аналогично, литий-ионные батареи не должны быть «откалиброваны» с полным зарядом или полной разрядкой, когда они новые. Li-Ion-акуумуляторы могут вмещать большую мощность при своем компактном размере, и они не теряют слишком большого количества энергии в процессе утечки, когда лежат неиспользуемые. Сочетание этих факторов сделало их наиболее популярными для портативных гаджетов.

Как работает Li-Ion-аккумулятор?

Все батарейки представляют из себя два электрода – катод и анод – со специальным материалом между ними, называемым электролитом. Когда мы подключаем батарею в замкнутую цепь, на аноде начинает происходить химическая реакция, приводящая к образованию свободных электронов. Эти электроны хотят попасть на катод, где их концентрация меньше, но электролит между электродами удерживает их от прямого пути от анода к катоду. Остается только один путь – через цепь, которую замыкает батарейка. Причем электроны, проходя по этой цепи, питают ваше устройство энергией. В это же время, положительно заряженные ионы лития, оставленные убежавшими электронами, путешествуют к катоду через электролит, чтобы удовлетворить электроны на стороне катода.

После того, как все электроны перебежали к катоду – батарейка «умерла». Однако! Если вы используете перезаряжаемую батарею – аккумулятор, например Li-Ion, вы можете обратить процесс вспять. Впуская энергию в цепь с помощью зарядного устройства, вы вынуждаете реакцию протекать в обратном направлении и снова получаете скопление электронов на аноде. Как только ваш аккумулятор перезаряжен, он будет, по большей части, оставаться таким же до тех пор, пока что-то снова не приведет его в действие. Хотя для всех батареек имеет место утечка заряда с течением времени.

Емкость батареи – то, как долго она может питать ваши гаджеты – это количество ионов лития, способных внедриться в крошечные поры и кратеры анода или катода. Со временем, после перезарядок анод и катод деградируют, и количество ионов, которые они способны вместить, уменьшается. Когда это происходит, аккумулятор становится неспособным удерживать столько же заряда, как и раньше.

Для упрощенного понимания, как заряжается аккумулятор, представьте ванную, заполненную «энергией». Просто подключите шланг и ждите, пока она наполнится. На первый взгляд, это именно так и работает, но если посмотреть на процесс изнутри – обнаружатся некоторые нюансы.

Литий-ионный аккумулятор, как правило, заряжается в два этапа. Сначала идет процесс, называемый «постоянный ток зарядки». Это часть на самом деле довольно простая. Зарядное устройство телефона или планшета будет использовать постоянный электрический ток, чтобы вернуть все электроны обратно к аноду. На этом этапе зарядное устройство определяет только, как много мощности выходит из «пожарного шланга» и начинает распыляться. Чем выше значение постоянного тока, тем быстрее заряжается батарея. Высоковольтные быстрые зарядные устройства – такие как те, которые появляются с большим количеством новых телефонов – выигрывают как раз на первой стадии, пропуская ток как можно быстрее за счет небольшой дополнительной нагрузки на батарею.

Когда аккумулятор заряжен на 70 % процедура меняется и зарядка продолжается теперь уже при постоянном напряжении. В течение этого второго этапа, зарядное устройство гарантирует, что напряжение, т.е. разность тока между аккумулятором и зарядным устройством, а не сила тока, поддерживается неизменной. На практике, это означает, что при приближении батареи к своему заполненному состоянию ток посылаемого в нее заряда уменьшается. Когда аккумулятор становится заряженным, скорость зарядки спадает. Как только достигается значение 100%, заряд попросту стекает, однако этого достаточно, чтобы объяснить крошечную естественную потерю способности аккумулятора удерживать заряд со временем. Неужели больше ничего касательно зарядки? И этого достаточно знать, чтобы не беспокоиться об аккумуляторах? Нет! Андрей Голдберг – технический писатель для iFixit объясняет, что к чему.

Не важно, сколько раз вы вернули аккумулятор к жизни, когда-нибудь он все равно "умрет", или, по крайней мере, заметно ухудшится по сравнению с прошлым. Это неизбежно. Большинство литий-ионных батарей имеют номинальное количество "жизней" где-между 500 и 1500 циклами перезарядки.

Цикл – это лишь один раз разрядки; а то, как много энергии вы разрядили на одном дыхании, называют глубиной разряда. Литий-ионные аккумуляторы действительно не любят глубокой разрядки. Согласно материалам от Battery University, ошеломляюще исчерпывающая информация по этому вопросу: литий-ионный аккумулятор, который разряжают до 0% может деградировать до 70% от первоначальной емкости за 300-500 циклов. Такой же, но перезаряжаемый со значения в 25%, начинает проявлять признаки серьезной деградации лишь после 2500 циклов.

Что гораздо более опасно – так это воздействие тепла. Литий-ионные аккумуляторы не выносят тепла. Так, подвергаясь воздействию температур около 100º по Фаренгейту (

37,8º по Цельсию) в течение года теряют около 40% общей емкости заряда; около 75º по Фаренгейту (

23,9º по Цельсию) – теряют только до 20%. А вот «слишком сильно» зарядить аккумулятор невозможно. Вопреки тому, как принято считать, оставляя свой телефон или ноутбук, подключенным к розетке надолго, вы не вредите аккумулятору. А все потому, что ваши гаджеты, аккумуляторы в них и зарядные устройства достаточно умны, чтобы позаботиться об этом. Если устройство подключено, хотя уже заряжено полностью, оно получает, так называемую, капельную зарядку, и этот способ куда менее вреден, чем сильная разрядка Li-Ion-аккумулятора.

Так как, во-первых, нет более быстрого способа зарядить устройство, чем поменять истощенный аккумулятьтор на новый. А во-вторых, если уж не получается избежать факторов ухудшающих свойства батареи, то вы всегда можете начать с чистого листа, сменив аккумулятор.

— избегаете работы аккумулятора от полной зарядки до полной разрядки,

— стараетесь свести к минимуму воздействие тепла,

то этого вполне достаточно. Иначе уход за аккумулятором может превратиться в навязчивый ритуал. Помните две вещи:

По материалам журнала "Популярная механика"

Как продлить жизнь литий-ионного аккумулятора

Поскольку любая батарея (аккумулятор) является источником постоянного электрического тока, то рано или поздно заряд её неизбежно истощится. С каждой подзарядкой ёмкость её будет всё меньше и меньше. Таковы законы физики.

Можно только ненадолго продлить её работу. Рассмотрим, как восстановить литий ионный аккумулятор чтобы выиграть время, необходимое для замены батареи.

Сегодня мы поговорим о способах восстановления ЛИА

Что он себя представляет, как работает, его характеристики и составные части — всё это важно знать для понимания процессов, возникающих при его эксплуатации, а также для того, чтобы понимать, как восстановить литий ионный аккумулятор.

Кроме того, вы узнаете о причинах возгорания, взрывоопасности, старении ЛИА. Эта информация поможет определить — что именно произошло с батареей, а также даст возможность избежать ошибок в эксплуатации.

Неправильная эксплуатация может привести к взрыву и возгоранию гаджета

Итак, — литий-ионного типа аккумуляторы (ЛИА) применяются в широком спектре различной современной техники как источник эл. энергии от мобильных телефонов до накопителей в энергетических системах.

Их основные показатели работы могут различаться в таких пределах (это зависит от их хим состава):

  • Напряжение (номинал) — 3,7 В или 3,8 В;
  • Напряжение максимальное — 4,23 В или 4,4 В;
  • Напряжение минимальное — 2,5–2,75 В или 3,0 В;
  • Количество заряд-разрядов — 600 (при потере 20% ёмкости);
  • Сопротивление внутреннее 5–15 мОм/Ач;
  • При нормальных условиях значение саморазряда — 3% в месяц;
  • Рабочий диапазон температур — от минус 20°C до плюс 60°C, оптимальная — плюс 20°C.
  • Если при зарядке ЛИА произойдёт превышение напряжения, то может произойти его возгорание. Для защиты от этого в корпус вставляется контроллер. Его функция — отключить ЛИА. (Также контролируя ток, перегрев и глубину разряда).
  • Для снижения себестоимости не каждый литиевый аккумулятор снабжается контроллером (либо выполняет защиту не по всем параметрам).

ЛИА состоит из катода (на фольге из алюминия) и анода (на фольге из меди), разделённых электролитическим сепаратором и помещённых в герметичную «банку».

На рисунке показано строение стандартного литий-ионного аккумулятора

Катод и анод присоединяются к токосъёмным клеммам.

Корпус иногда оснащён клапаном для сброса давления при аварийных моментах эксплуатации.

В литий-ионном аккумуляторе (ЛИА) заряд переносится ионом лития. Его характерной способностью является способность внедриться в кристаллическую решётку прочих материалов (в нашем случае это графит, окислы или соли металлов), образуя при этом химсвязи.

В настоящее время используются три разновидности материалов для катодов:

  • Лития кобальтаты (благодаря кобальту увеличивается количество зарядноразрядных циклов, а также появляется возможность эксплуатации при пониженных температурах);
  • Литий-марганец;
  • Лития феррофосфат (низкая себестоимость).
  • Преимущества ЛИА состоят в низком саморазряде, большом количестве циклов.

Взрывоопасность аккумуляторов Li-ion в первом поколении была обоснована возникновением газообразных образований, которые приводили к замыканию между электродами. Теперь это устранено заменой анодного материала с металлического лития на графит.

Возгорание батарей было вызвано особенностью их сборки в первых поколениях

Взрывоопасность также возникала в оксиднокобальтовых ЛИА при нарушениях эксплуатации.

ЛИА на литиевоферрофосфатной основе полностью лишены подобного недостатка.

Исследования подтвердили существование эффекта памяти в ЛИА. Но суть состоит в его принципиальном наличии, а не в его влиянии на работу в целом.

Объяснение этого процесса звучит так: работа батареи заключается в периодическом высвобождении и захвате литиевых ионов и этот процесс при неполной зарядке ухудшается из-за нарушения микроструктуры электрода.

  • Недопущение полного разряда;
  • Не заряжать вблизи источников тепла.

ЛИА стареют даже вне эксплуатации. Двадцать процентов ёмкости теряются уже через два года. Не следует покупать их «в стол». Смотреть при покупке на дату производства.

До пятидесяти процентов мощности батарей теряется при температуре эксплуатации ниже 0 °C.

При эксплуатации в низких температурах батарея быстро разряжается

ЛИА склонны к самовозгоранию. При термическом разгоне неисправного (повреждённого) аккумулятора выделяются вещества ускоряющие его саморазогрев (кислород плюс горючие газы). Поэтому гореть он способен и при отсутствии воздуха.

Для тушения в таких случаях предусмотреть понижение температуры и предотвращать распространение огня.

После того как вам уже известна из вышеизложенного «физика» и «химия» работы ЛИА и его начинка, вы сможете самостоятельно выбрать один из способов для лечения своей батареи, а также оценить «разумность» нижеприведённых методов.

Нам уже известно, что при неправильной эксплуатации внутри «банки» могут образовываться газообразные вещества.

Суть этого способа состоит в том, что от них нужно избавиться. Для этого сначала снимают верхний блок (контроллер), потом прокалывают обнаруженный колпачок, а затем прижимают к твёрдой поверхности каким-то прессом для высвобождения газов.

После этого заклеивают отверстие эпоксидной смолой и возвращают на место контроллер.

Но перед тем как оживить аккумулятор телефона таким образом помните об ожидаемых опасностях этого способа:

  • Повреждение устройства чрезмерным воздействием;
  • Повреждение электроники под колпачком;
  • Возможность взрыва (самовозгорания) при замыкании катода с анодом.

Демонтировав контроллер, вы сможете выпустить накопившиеся внутри батареи газы

Ненадолго оживить батарею можно если провести «оживление» с помощью блока питания на 5–12 Вольт, резистора от 330 до 1000 Ом и мощностью не менее 500 мВт.

Для этого контакты блока питания соединяют с контактами ЛИА: минус к минусу, а плюс к плюсу через резистор, полярность которого проверяется мультиметром. Время потребления — не более двух-трёх минут.

Обратите внимание, что параметры подаваемого тока должны соответствовать требуемым, а вольтметром или тестером контролируйте напряжение.

Следуя этому нехитрому способу, восстановление аккумулятора проводится так:

извлечённый из смартфона аккумулятор нужно поместить в холодильник на время от двадцати до тридцати минут, предварительно поместив в полиэтиленовый пакетик. Затем подключить на одну минуту к зарядке, а потом подождать пока он не прогреется до температуры помещения.

Якобы после этих манипуляций его можно будет использовать как обычно.

Этот метод нужно было бы назвать способом реанимации аккумулятора для школьника пятого класса.

По мнению популяризаторов этого «прикола» «привести в чувство» батарею телефона можно путём «несколькократного» (количество раз не указывается) стопроцентного заряда и последующего полного разряда батареи. Для разряда советуют воспользоваться какой-либо ресурсоёмкой игрой или утилитой AnTuTu, каждый раз для этого извлекая и вставляя обратно в мобильник.

Остаётся непонятным каким образом батарея будет заряжаться несколько раз до 100 процентов если она уже находится в нерабочем состоянии?

Заключается этот «манёвр» в том, что после снятия защитного контроллера нужно замкнуть между собой каким-либо металлическим предметом выводящиеся клеммы-токосниматели. После этого контроллер возвращается на место.

При этом добавляется ещё один многозначительный момент — в начале процедуры почему-то нужно отклеить наклеечку с техническими характеристиками ЛИА. Вот уж поистине «танцы с бубном»!

Для предотвращения глубокого разряда литий ионные аккумуляторы снабжены контроллером, который погружает его в «отключку». В таком случае при замере напряжения на его клеммах перед контроллером — можно обнаружить значение около 2,5 вольт. Значит, батарея ещё жива!

Для этого сначала отключается (отпаивается) схема защиты.

«Банка» подключается к универсальному устройству для заряда-разряда (например, Turnigy Accucell 6). При этом прибор сам отслеживает процесс и восстановление проходит под его контролем.

Реанимация ЛИА проходит под управлением специального устройства

Кнопкой «TYPE» выбирается программа заряда «Li-Po», ведь наш ЛИА на 3,7V.

С помощью коротких нажатий «СТАРТ» выбираются параметры заряда. Для Li-ion — значение 3,6 V, для Li-pol — 3,7 V.

Нужно выбрать для параметра значение «AUTO», так как в нашем случае заряд не начнётся из-за низкого заряда батареи.

Ток заряда нужно устанавливать на уровне десяти процентов от ёмкости аккумулятора (в нашем случае 150 mA). Значение устанавливается кнопками «+» и «-».

При достижении заряда в батарее 4.2 V устройство будет переведено в режим стабилизации напряжения, а по завершении процесса раздастся звуковой сигнал, а на дисплее будет сообщение «FULL».

И напоследок видео о том, как не нужно восстанавливать батареи

Перед тем как восстановить литий-ионный аккумулятор вы должны вспомнить о нижеприведённых правилах:

  • Нельзя оставлять проблемный ЛИА при проведении ремонта без присмотра. Спонтанное возгорание — это не угроза, а реальный факт.
  • Необходимо периодически контролировать температуру аккумулятора телефона выносной термопарой, можно электронным термометром или хотя бы рукой. Если поверхность показалась горячей, а не тёплой, нужно немедленно прекратить ремонт.
  • Не используйте высокие токи для зарядки. Возможный допустимый максимум — это 50 мАч. Рассчитывается такой параметр путём деления напряжения питания БП на ёмкость резистора. Например, при 12 В и 500 Ом — это будет 24 мАч.
  • Вместо резистора допустимо использование стандартного 80-мм вентилятора для компьютера.

Помните, что приведённые способы не дают стопроцентного результата, а ответственность в любом случае лежит на вас самих. Особенно это касается гуманитариев.

Не переоценивайте свои знания и возможности. Лучше лишний раз посоветуйтесь со знающими людьми.

А своим опытом делитесь с друзьями и пишите в комментариях.

Любые аккумуляторы со временем начинают терять заряд, плохо заряжаться либо не заряжаться

Вздутие батареи и, в сущности, выход её из строя оборачивается потерей возможности

Практически у всех современных литий-ионных аккумуляторов отличная энергоёмкость, а также

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы

У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры. Однако следует учитывать, что Ni-Cd аккумуляторы имеют одно важное достоинство: способность обеспечивать большие токи разряда. Это свойство не является критически важным при питании ноутбуков или сотовых телефонов (где доля Li-ion доходит до 80% и их доля становится все больше и больше), но существует достаточно много устройств, потребляющих большие токи, например всевозможные электроинструменты, электробритвы и т.п. До сих пор эти устройства являлись вотчиной почти исключительно Ni-Cd аккумуляторов. Однако в настоящее время, особенно в связи с ограничением применения кадмия в соответствии с директивой RoHS, резко активизировались исследования по созданию бескадмиевых аккумуляторов с большим разрядным током.

Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем — щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет.

После множества испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых аккумуляторов закручена вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процессы, происходившие при эксплуатации, в конце концов, приводили к бурной реакция, получившей название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых аккумуляторных батарей, которые впервые использовали в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавший лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за свойственной металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумулятора без применения Li, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, тем не менее Li-ion аккумуляторы безопасны при обеспечении правильных режимов заряда и разряда.

Для того чтобы напряжение аккумулятора было достаточно большим, японские исследователи использовали в качестве активного материала положительного электрода оксиды кобальта. Литерованный оксид кобальта имеет потенциал около 4 В относительно литиевого электрода, поэтому рабочее напряжение Li-ion аккумулятора имеет характерное значение 3 В и выше.

При разряде Li-ion аккумулятора происходят деинтеркаляция лития из углеродного материала (на отрицательном электроде) и интеркаляция лития в оксид (на положительном электроде). При заряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении. Следовательно, во всей системе отсутствует металлический (нуль-валентный) литий, а процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Поэтому такие аккумуляторы получили название «литий-ионных», или аккумуляторов типа кресла-качалки.

Процессы на отрицательном электроде Li-ion аккумулятора. Во всех Li-ion аккумуляторах, доведенных до коммерциализации, отрицательный электрод изготавливается из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы представляет собой сложный процесс, механизм и кинетика которого в существенной степени зависят от природы углеродного материала и природы электролита.

Углеродная матрица, применяемая в качестве анода, может иметь упорядоченную слоистую структуру, как у природного или синтетического графита, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную (кокс, пиролизный или мезофазный углерод, сажа и др.). Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур. Удельный объем углеродных материалов в процессе интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития меняется незначительно.

Кроме углеродных материалов в качестве матрицы отрицательного электрода изучаются структуры на основе олова, серебра и их сплавов, сульфиды олова, фосфориды кобальта, композиты углерода с наночастицами кремния.

Процессы на положительном электроде Li-ion аккумулятора. Если в первичных литиевых элементах применяются разнообразные активные материалы для положительного электрода, то в литиевых аккумуляторах выбор материала положительного электрода ограничен. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов создаются исключительно из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

В настоящее время в качестве катодных материалов все чаще применяются материалы на основе смешанных оксидов или фосфатов. Показано, что с катодами из смешанных оксидов достигаются наилучшие характеристики аккумулятора. Осваиваются и технологии покрытий поверхности катодов тонкодисперсными оксидами.

При заряде Li-ion аккумулятора происходят реакции:

на положительных пластинах:

на отрицательных пластинах:

При разряде происходят обратные реакции. Процесс заряда демонстрируется рисунком.

Рис.1. Процесс заряда литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

Рис.2. Устройство литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

Рис.3. Устройство призматического литий-ионного (Li-ion) аккумулятора с рулонной скруткой электродов

Некоторые конструктивные меры обычно предпринимаются и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора имеется устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела.

Для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, короткого замыкания и чрезмерного разогрева.

Большинство Li-ion аккумуляторов изготавливают в призматических вариантах, поскольку основное назначение Li-ion аккумуляторов — обеспечение работы сотовых телефонов и ноутбуков. Как правило, конструкции призматических аккумуляторов не унифицированы и большинство фирм-производителей сотовых телефонов, ноутбуков и т.д.. не допускают применение в устройствах аккумуляторов посторонних фирм.

Разноименные электроды в литиевых и литий-ионных аккумуляторах разделяются сепаратором из пористого полипропилена.

Конструкция Li-ion и других литиевых аккумуляторов, как и конструкция всех первичных источников тока («батареек») с литиевым анодом, отличается абсолютной герметичностью. Требование абсолютной герметичности определяется как недопустимостью вытекания жидкого электролита (отрицательно действующего на аппаратуру), так и недопустимостью попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролита и полностью выводят аккумулятор из строя.

Технологические операции производства электродов и других деталей, а также сборку аккумуляторов проводят в особых сухих комнатах или в герметичных боксах в атмосфере чистого аргона. При сборке аккумуляторов применяют сложные современные технологии сварки, сложные конструкции гермовыводов и т.д.

Закладка активных масс электродов является компромиссом между желанием достичь максимума разрядной емкости аккумулятора и требованием гарантировать безопасность его работы, которая обеспечивается при соотношении С+ => 1,1 для предупреждения образования металлического лития (и тем самым возможности возгорания).

Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов.

Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные — до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов.

Заряд Li-ion аккумуляторов.

Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме.

В начальный период, когда только появились Li-ion аккумуляторные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет повысить энергетическую плотность, окислительные реакции, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток ликвидировали за счет применения химических добавок, и в настоящее время Li-ion элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет лишь около ±0,05 В на элемент.

Li-ion аккумуляторные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого использования. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (кВтч/кг) у таких батарей ниже, повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят Li-ion батареи вне конкуренции.

При заряде Li-ion аккумуляторных батарей током 1С время заряда составляет 2-3 ч. Li-ion батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда (рис. 4).

Рис.4. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

Если на рис. 4 изображен типовой график заряда одного из типов Li-ion аккумуляторов, то на рис. 5 процесс заряда показан более наглядно. При повышении тока заряда Li-ion батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после завершения первого этапа цикла заряда продолжается дольше.

В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной аккумуляторной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких зарядных устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние готовности сразу после окончания этапа 1. В этой точке Li-ion батарея будет заряжена приблизительно на 70 %, и после этого возможна дополнительная подзарядка.

Рис.5. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion аккумулятора

ЭТАП 1 — Через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения.

ЭТАП 2 — Максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор пока он полностью не зарядится. Момент завершения заряда наступает когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального.

ЭТАП 3 — Периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранения аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 часов хранения.

Этап струйной подзарядки для Li-ion аккумуляторов неприменим из-за того, что они не могут поглощать энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным током способна компенсировать небольшой саморазряд Li-ion батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устройства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда Li-ion батареи такая подзарядка может выполнятся через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует осуществлять при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и прекращать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.

Итак, Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития (в виде мелко раздробленного мшистого осадка), обладающего большой реакционной способностью к электролиту, а на катоде начинается активное выделение кислорода. Возникает угроза теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается.

Безопасной работе Li-ion аккумуляторных батарей должно уделяться серьезное внимание. В Li-ion батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предотвращающие превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения. Дополнительный элемент защиты обеспечивает завершение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты — механический выключатель, который срабатывает при увеличении внутрикорпусного давления батареи. Встроенная система контроля напряжения настроена на два напряжения отсечки — верхнее и нижнее .

Есть и исключения — Li-ion аккумуляторные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это аккумуляторные батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаряде реакции металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят настолько медленно, что стало возможным отказаться от применения устройств защиты.

Сохранность Li-ion аккумуляторов. Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10 % в год.

Приводимые показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня разряженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур зависит от уровня выработки ресурса, допустимых рабочих напряжений и т.д.

К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда.

Типичный вид разрядных характеристик Li-ion аккумуляторов изображен на рис. 6 и 7. Из рисунков видно, что с ростом тока разряда разрядная емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение. Такой же эффект появляется при разряде при температуре ниже 10 °С. Кроме этого, при низких температурах имеет место начальная просадка напряжения.

Рис.6. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различных токах

Рис.7. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различной температуре

Что касается эксплуатации Li-ion аккумуляторов вообще, то, учитывая все конструктивные и химические способы защиты аккумуляторов от перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней электронной защиты аккумуляторов от перезаряда и переразряда, можно считать проблему безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов решенной. А новые катодные материалы часто обеспечивают еще большую термическую стабильность Li-ion аккумуляторов.

Безопасность Li-ion аккумуляторов. При разработке литиевых и литий-ионных аккумуляторов, как и при разработке первичных литиевых элементов, вопросам безопасности хранения и использования уделялось особое внимание. Все аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях — и от внешних коротких замыканий). Эффективным способом такой защиты является применение двухслойного сепаратора, один из слоев которого изготавливается не из полипропилена, а из материала, аналогичного полиэтилену. В случаи короткого замыкания (например, из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду) за счет локального разогрева этот слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая, таким образом, дальнейшее прорастание дендритов.

Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии составляет 0,05-0,1 Ом. Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порога напряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей фактически создает удвоение ее внутреннего сопротивления, особенно если батарея состоит всего лишь из одного аккумулятора. Батареи питания мобильных телефонов должны обеспечивать большие токи нагрузки, что возможно при максимально низком внутреннем сопротивлении батареи. Таким образом, схема защиты представляет собой препятствие, ограничивающее рабочий ток Li-ion батареи.

В некоторых типах Li-ion батарей, использующих в своем химическом составе марганец и состоящих из 1-2 элементов, схема защиты не применяется. Вместо этого в них установлен всего лишь один предохранитель. И такие батареи являются безопасными из-за их малых габаритов и небольшой емкости. Кроме того, марганец довольно терпим к нарушениям правил эксплуатации Li-ion батареи. Отсутствие схемы защиты уменьшает стоимость Li-ion батареи, но привносит новые проблемы.

В частности, пользователи мобильных телефонов могут использовать для подзарядки их батарей нештатные зарядные устройства. При использовании недорогих зарядных устройств, предназначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее при достижении напряжения конца заряда. Если же схема защиты отсутствует, произойдет перезаряд батареи и, как следствие, ее необратимый выход из строя. Этот процесс обычно сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи.

Механизмы, приводящие к уменьшению емкости Li-ion аккумуляторов

— разрушение кристаллической структуры катодного материала (особенно LiMn2O4);

— наращивание пассивирующей пленки на обоих электродах, что приводит к снижению активной поверхности электродов и блокированию мелких пор;

— осаждение металлического лития;

— механические изменения структуры электрода в результате объемных колебаний активного материала при циклировании.

Исследователи расходятся во мнении, какой из электродов претерпевает большие изменения при циклировании. Это зависит как от природы выбранных электродных материалов, так и от их чистоты. Поэтому для Li-ion аккумуляторов удается описать только качественно изменение их электрических и эксплуатационных параметров в процессе эксплуатации.

Обычно ресурс коммерческих Li-ion аккумуляторов до понижения разрядной емкости на 20 % составляет 500-1000 циклов, но он значительно зависит от величины предельного зарядного напряжения (рисунок 8). С уменьшением глубины циклирования ресурс повышается. Наблюдаемое повышение срока службы связывают с уменьшением механических напряжений, вызываемых, изменениями объема электродов внедрения, которые зависят от степени их заряженности.

Рис.8. Изменение емкости Li-ion аккумулятора при разном предельном напряжении заряда

Повышение температуры эксплуатации (в пределах рабочего интервал) может увеличить скорость побочных процессов, затрагивающих границу раздела электрод-электролит, и несколько повысить скорость уменьшения разрядной емкости с циклами.

Итак, в настоящее время существенно возрастает важность информации, предоставляемой т.н. «умными аккумуляторами»: идентификация аккумулятора, температура аккумулятора, остаточный заряд и допустимое перенапряжение. По словам Хикока, если разработчики готовых устройств будут конструировать подсистему питания, учитывающую как условия эксплуатации, так и параметры ячеек, это позволит нивелировать различия в параметрах аккумуляторов и повысить степень свободы для конечных пользователей, что предоставит им возможность выбирать не только рекомендуемые производителем устройства, но и аккумуляторы других компаний.

Отметим, что изготовители аккумуляторов прилагают большие усилия к разработке катодов на основе литиевых соединений, которые позволили бы Li-ion аккумуляторам заменить Ni-Cd в устройствах с большим потребляемым током. В этой сфере представляется перспективным использование катодов на основе LiMn2O4.

Li ion аккумулятор
Из чего сделан аккумулятор, как он работает, и как дольше сохранить его в рабочем состоянии Удивительная вещь – телефон в вашем кармане — современное чудо! А также ноутбук на столе, планшет в рюкзаке или же часы на запястье. Но независимо от то…
http://www.mirprognozov.ru/prognosis/science/bessmertnyiy-akkumulyator-vozmojno-li/
Как продлить жизнь литий-ионного аккумулятора
Как правильно можно восстановить литий ионный аккумулятор разумным и безопасным способом.
http://nastroyvse.ru/devices/raznoe/vosstanovit-litij-ionnyj-akkumulyator.html
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры. Однако следует учитывать, что Ni-Cd аккумуляторы имеют одно важное достоинство: способность обеспечивать
http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php

COMMENTS