Устройство литий ионного аккумулятора: Что собой представляет и как работает литий-ионный аккумулятор – Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды.Работа и применение

Содержание

Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды.Работа и применение

Сегодня именно литий-ионные аккумуляторы наиболее часто применяются в различных областях. Особенно широко они используются в мобильной электронике (КПК, мобильные телефоны, ноутбуки и многое другое), электромобилях и так далее. Это связано с их преимуществами в сравнении с ранее широко применявшимися никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлогидридными (Ni-MH) аккумуляторами. И если последние приблизились вплотную к своему теоретическому пределу, то технологии литий-ионные аккумуляторы находятся в начале пути.

Устройство

В литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) работает алюминий, а положительным электродом (анодом) выступает медь. Электроды могут быть выполнены в разной форме, однако, как правило, это фольга в форме продолговатого пакета или цилиндра.

  • Анодный материал на медной фольге и катодный материал на алюминиевой фольге разделяются пористым сепаратором, который пропитан электролитом.
  • Пакет электродов устанавливаются в герметичный корпус, а аноды и катоды подсоединяются к клеммам-токосъемникам
  • Под крышкой аккумулятора могут быть специальные устройства. Одно устройство реагирует увеличением сопротивления на положительный температурный коэффициент. Второе устройство разрывает электрическую связь между положительной клеммой и катодом при повышении давления газов в аккумуляторе сверх допустимого предела. В некоторых случаях корпус оснащается предохранительным клапаном, который сбрасывает внутреннее давление при нарушениях условий эксплуатации или аварийных ситуациях.
  • Для повышения безопасности эксплуатации в ряде аккумуляторов применяется и внешняя электронная защита. Она не допускает возможности чрезмерного разогрева, короткого замыкания и перезаряда аккумулятора.
  • Конструктивно аккумуляторы производятся в призматическом и цилиндрическом вариантах. Свернутый в виде рулона пакет сепаратора и электродов в цилиндрических аккумуляторах помешен в алюминиевый или стальной корпус, с которым соединяется отрицательный электрод. Через изолятор на крышку выводится положительный полюс аккумулятора. Призматические аккумуляторы создаются складыванием прямоугольных пластин друг на друга.

Подобные литий-ионные аккумуляторы позволяют обеспечить более плотную упаковку, однако в них труднее поддерживать сжимающие усилия на электроды, чем в цилиндрических. В ряде призматических батарей используется рулонная сборка пакета электродов, скрученных в эллиптическую спираль.

Большая часть аккумуляторов производится в призматических вариантах, так как основное их назначение — обеспечение работы ноутбуков и мобильников. Конструкция Li-ion аккумуляторов отличается абсолютной герметичностью. Данное требование продиктовано недопустимостью вытекания жидкого электролита. Если пары воды или кислород попадут внутрь, то происходит реакция с электролитом и материалами электродов, что ведет к полному выводу аккумулятора из строя.

Принцип действия
  • В литий-ионных аккумуляторах имеются два электрода в виде анода и катода, между ними находится электролит. На аноде при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов.
  • Указанные электроны стремятся попасть на катод, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией.
  • Положительно заряженные ионы лития, которые были оставлены убежавшими электронами, в то же время через электролит направляются к катоду, дабы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода.
  • После перемещения всех электронов к катоду наступает «смерть» батарейки. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять.

При помощи зарядного устройства можно впустить энергию в цепь, тем самым будет запущена реакция протекания в обратном направлении. В результате будет получено скопление электронов на аноде. После перезаряда аккумулятора он по большей части будет оставаться таковым до момента приведения его в действие. Однако с течением времени батарея будет утрачивать часть своего заряда даже в режиме ожидания.

  • Емкость батареи подразумевает количество ионов лития, которые могут внедриться в кратеры и крошечные поры анода или катода. Со временем, после многочисленных перезарядок катод и анод деградируют. В результате число ионов, которые они могут вместить, уменьшается. При этом аккумулятор более не может удерживать прежнее количество заряда. В конце концов, он полностью утрачивает свои функции.

Литий-ионные аккумуляторы выполнены так, что их зарядку нужно постоянно контролировать. С этой целью в корпус устанавливается специальная плата, она называется контроллер заряда. Чип на плате производит управление процессом зарядки аккумулятора.

Стандартная зарядка аккумулятора выглядит следующим образом:
  • Контроллер в начале процесса заряда подает ток величиной 10% от номинального. В данный момент напряжение поднимается до 2,8 В.
  • Затем ток заряда повышается до номинального. В данный период напряжение при постоянном токе растет до 4,2 В.
  • В завершении процесса заряда ток падает при постоянном напряжении 4,2 В до момент 100% заряда батареи.

Стадийность может отличаться в виду применения разных контроллеров, что ведет к разной скорости зарядки и соответственно суммарной стоимости аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы могут быть без защиты, то есть контроллер находится в зарядном устройстве, либо со встроенной защитой, то есть контроллер располагается внутри батареи. Могут быть устройства, где плата защиты встроена непосредственно в аккумулятор.

Разновидности и применение
Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:

  1. Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.
  2. Таблеточные литий-ионные аккумуляторы.

Разные подвиды электрохимической литий-ионной системы называются по типу применяемого активного вещества. Объединяет все эти литий-ионные аккумуляторы то, что все они являются герметичными необслуживаемым аккумуляторам.

Можно привести 6 наиболее распространенных типов литий-ионных аккумуляторов:
  1. Литий-кобальтовый аккумулятор. Он является популярным решением для цифровых камер, ноутбуков и мобильных телефонов в виду высокого показателя удельной энергоемкости. Аккумулятор состоит из катода из оксида кобальта и графитового анода. Недостатки литий-кобальтовых аккумуляторов: ограниченные возможности нагрузки, низкая термическая стабильность и относительно короткий срок службы.

Области применения; мобильная электроника.

  1. Литий-марганцевый аккумулятор. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели выделяется трехмерной каркасной структурой. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, однако отличается более умеренной удельной энергоемкостью, чем кобальт.

Области применения; электрические силовые агрегаты, медицинское оборудование, электроинструмент.

  1. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор. В катоде батареи сочетаются кобальт, марганец и никель. Никель славится высокой удельной энергоемкостью, однако низкой стабильностью. Марганец обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, однако приводит к низкой удельной энергоемкости. Сочетание металлов позволяет компенсировать их минусы и задействовать сильные стороны.

Области применения; для частного и промышленного использования (источники бесперебойного питания, системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее).

  1. Литий-железо-фосфатный аккумулятор. Его основные преимущества: длительный срок службы, высокие показатели силы тока, стойкость к неправильному использованию, повышенная безопасность и хорошая термическая стабильность. Однако у такого аккумулятора небольшая емкость.

Области применения; стационарные и портативные специализированные устройства, где нужны выносливость и высокие токи нагрузки.

  1. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор. Его основные преимущества: высокие показатели плотности энергии и энергоемкости, долговечность. Однако показатели безопасности и высокая стоимость ограничивают его применение.

Области применения; электрические силовые агрегаты, промышленность и медицинское оборудование.

  1. Литий-титанатный аккумулятор. Его основные преимущества: быстрая зарядка, длительный срок службы, широкий температурный диапазон, отличные показатели производительности и безопасности. Это наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.

Однако у нее высокая стоимость и низкая удельная энергоемкость. На данный момент ведутся разработки по удешевлению производства и увеличению удельной энергоемкости.

Области применения; уличное освещение на солнечных элементах, электрические силовые агрегаты автомобилей (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), ИБП.

Типичные характеристики

В целом литий-ионные аккумуляторы имеют следующие типичные характеристики:

  • Минимальное напряжение — не ниже 2,2-2,5В.
  • Максимальное напряжение – не выше 4,25-4,35В.
  • Время заряда: 2-4 часа.
  • Саморазряд при комнатной температуре – порядка 7 % в год.
  • Диапазон рабочих температур, начиная от −20 °C и заканчивая +60 °C.
  • Число циклов заряд/разряд до достижения потери 20% емкости составляет 500-1000.
Достоинства и недостатки
К преимуществам можно отнести:
  • Высокая энергетическая плотность при сравнении с щелочными аккумуляторами с применением никеля.
  • Достаточно высокое напряжение одного аккумуляторного элемента.
  • Отсутствие «эффекта памяти», что обеспечивает простую эксплуатацию.
  • Значительное число циклов заряда-разряда.
  • Длительный срок эксплуатации.
  • Широкий температурный диапазон, обеспечивающий неизменные рабочие характеристики.
  • Относительная экологическая безопасность.
Среди недостатков можно выделить:
  • Умеренный ток разряда.
  • Относительно быстрое старение.
  • Сравнительно высокая стоимость.
  • Невозможность работы без встроенного контроллера.
  • Вероятность самовозгорания при высоких нагрузках и при слишком глубоком разряде.
  • Конструкция требует существенных доработок, ведь она не доведена до совершенства.
Похожие темы:

Литий ионный аккумулятор: конструкция, характеристики

Устройство и принцип работы литий ионного аккумулятора

Устройство и принцип работы литий ионного аккумулятора

Сейчас практически во всех портативных устройствах используются литий ионные аккумуляторы. Этот тип АКБ имеет ряд преимуществ перед своими предшественниками. С момента изобретения и до сегодняшних дней Li-ion прошел множество усовершенствований. Благодаря этому накопитель данного типа можно считать лучшим в своем роде. Но несмотря на это у нее присутствуют свои недостатки.

История появления

Первый литий ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Ведущей компанией по производству данного типа АКБ стала Sony. Но батареи были разработаны в 70-х. Это были первые устройства с высокой энергоёмкостью, что сделало их востребованными. Но не было возможности применять их практически в массовом масштабе.

В составе батареи присутствует два электрода. На фольге из алюминия размещен катод, анод же поместили на медную. Их разделяет специальный сепаратор, который состоит из жидкого электролита, в некоторых случаях материал гелеобразный. Положительные заряды переносятся ионами лития. Они способы проникать внутрь других материалов и химических элементов, что провоцирует электрохимическую реакцию. Этим свойством они и обеспечивают заряд или питание устройств (телефонов, ноутбуков и т.д.).

В первые годы после создания литиево ионного накопителя они были известны своей взрывоопасностью. Это происходило из-за использования в конструкции накопителя металлического лития, а также по причине образования химических соединений в виде газа. При большом количестве разряда и заряда происходило замыкание, что влекло за собой взрыв аккумулятора.

Пальчиковые батарейки

Пальчиковые батарейки

Также взрывы происходили и потому, что ионы лития реагировали с другими соединениями и веществами в составе батарейки. Реакция была опасной и влекла за собой выделение большого количества тепла, после чего происходило возгорание и взрыв АКБ. В ходе улучшения было принято решение заменить анод на графитовый аналог. Такая рокировка позволила устранить проблему с взрывоопасностью аккумулятора. А производителю после выявления недостатка пришлось отозвать всю партию для мобильных телефонов.

Интересный факт! В зарядных устройствах, посредством которых накопители получают заряд, есть функция предохранения перегрева АКБ и защита от «переполнения» током.

Чтобы разработать полностью безопасную литий ионную батарейку понадобилось более чем 20 лет активных исследований и совершенствований. Это привело к выпуску более инновационного вида АКБ, а именно литий фосфатных. Они не перегреваются, а также в составе отсутствуют компоненты с опасными реакциями друг на друга. Также многие производители встраивают в корпус контроллер для заряда аккумуляторов во избежание эксцессов с возгоранием.

Принцип работы и устройство

Литий ионный аккумулятор имеет следующий принцип работы:

  • После подачи тока на контакты АКБ, катионы лития переходят в анод;
  • Во время использования и непосредственной разрядки, ионы лития перемещаются из анода и проникают в диэлектрик примерно на глубину до 50 нм.

Количество циклов зарядки за весь срок службы АКБ может исчисляться 1000. Интересно то, что при глубоком разряде окисление пластин источника не происходит. Но не все типы литий ионных аккумуляторов переносят процесс глубокой разрядки. Например, при установке в телефон или фотоаппарат, во время возникновения глубокого разряда плата блокирует возможность повторного заряда. Зарядить можно будет только с использованием специального устройства.

А вот тяговые литиевые батареи для лодочных моторов совсем не боятся полной потери заряда. Устройство литий ионного аккумулятора, как правило, состоит из некоторых источников энергии, которые соединены параллельно или последовательно.

Химические процессы на положительном и отрицательном электроде

Современные модели литий ионных АКБ содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Матрица анода является слоистой. Она может быть, как частично, так и полностью упорядоченной

Во время протекания интеркаляции ионы от лития как бы раздвигают пласты углерода и встраиваются между ними. При внедрении и изъятии ионов объем матрицы не меняется. Положительный электрод выполняется из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.

Во время заряда происходят реакции, которые описываются следующими уравнениями:

  • на положительном электроде;

Пальчиковые батарейки

Пальчиковые батарейки
  • на отрицательном электроде.

Пальчиковые батарейки

Пальчиковые батарейки

Принцип действия разряда описывается обратными уравнениями.

Виды литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы стали востребованы во многих сферах. Помимо использования в гаджетах, бытовых устройствах и автомобилях, выпускают и АКБ для промышленного использования, который имеют высокое напряжение и емкость. Самыми востребованными считаются АКБ, представленные в таблице.

Таблица востребованных АКБТаблица востребованных АКБ

Две цифры первые в ряду указывают на размер диаметра батареи, вторые две на длину. Нуль ставится в случае цилиндрической формы. Также выпускаются АКБ подтипа «Крона» с напряжением в 9 Вольт.

Обозначения батареи указывают на содержание элементов, например, как:

  • ICR – кобальта;
  • IMR – марганца;
  • INR – никеля и марганца;
  • NCR –кобальта и никеля.

Виды li ion аккумуляторов в основном отличаются размерами, химическим составом, а также по емкости и напряжению.

Конструкция литий ионной батареи

Литиево ионные батареи изготавливаются в цилиндрическом и призматическом виде. Вариант в виде цилиндра является по сути рулоном из электродов с материалами для разделения разно полюсных. Корпус выполняется из стали или алюминия, с которым соединен минус. Плюс выводится на площадку, расположенную на торце корпуса.

Разрез литий ионной батареи

Разрез литий ионной батареи

Призматическая конструкция выполняется путем складывания прямоугольных пластин друг на друга. Такой вариант позволяет сделать накопитель компактней.

Элементы литий ионной батареи

Элементы литий ионной батареи

Любая конструкция предусмотрена с герметичным корпусом. Вытекание электролита недопустимо, так как сразу же выводит батарею из строя.

Характеристики

Характеристики li ion аккумуляторов напрямую зависят от компонентов в составе накопителя. Параметры могут принимать значения в следующих диапазонах:

  • Напряжение: номинальное – 3.7 В, макс. – 4.2-4.35 В, мин. – 2.5-3 В.
  • Энергоемкость – 110-243 Втч/кг.
  • Сопротивление – 5-15 Ом/Ач.
  • Время скорого заряда – 15-60 минут.
  • Рабочие температуры — -20-60 градусов.

Эксплуатация и срок службы

Батарея такое же сложное устройство, как и телефон, разве что выполняет только одну функцию. Именно поэтому, чтобы максимально эффективно использовать все возможности акб, рекомендуется ознакомиться с тем, как правильно пользоваться и хранить батарею. Это также поспособствует продлению срока службы.

Как правильно эксплуатировать

Необходимо стараться не допускать полного разряда батареи. Этот процесс легко контролировать. Но помимо этого также требуется следить за правильным ходом заряда.

При процессе заряда аккумуляторной батареи необходимо не допускать избыточного подключения к устройству зарядки. Литий ионный АКБ корректно работает и заряжается при напряжении до 3.6 В. Как правило, зарядные устройства подают 4.2 В. При превышении времени заряда в корпусе могут провоцироваться небезопасные электрохимические реакции. Это может повлечь за собой перегревание и вздутие.

Разрядные характеристики

Разрядные характеристики

При разработке была учтена такая особенность и при превышении напряжения выше рекомендуемого показателя, процесс заряда останавливается. Также литиевые АКБ правильно заряжать именно двухступенчатым способом. Первым этапом происходит зарядка накопителя на постоянном токе, вторым постоянным напряжением с постепенным понижением тока. Данный алгоритм уже реализован во многих зарядных устройствах.

Срок службы

Срок службы батареи напрямую зависит от правильного использования. Например, при несоблюдении рекомендаций в эксплуатации литий ионных аккумуляторов этот период сокращается в 10 раз. Принято считать, что АКБ способны выдержать 500-1000 циклов заряд-разряд, в этом случае учтен фактор полного разряда. При остатке даже минимального процента заряда можно увеличить срок службы устройства на порядок.

Зависимость емкости от циклов разрядов

Зависимость емкости от циклов разрядов

Нельзя назвать точный срок работоспособности данного типа устройств, так как длительность напрямую зависит от условий использования. Но все же ориентировочно одна литий ионная батарейка может корректно выполнять свои функции на протяжении 8-10 лет с учетом того, что ее использование будет происходить строго по рекомендациям.

Хранение и утилизация

Данный тип аккумуляторов достаточно просто хранить. Как правило, саморазряд при корректном хранении составляет около 10-15 % в год. Но этот показатель может меняться в большую или меньшую сторону в зависимости от условий консервации.

Важно! Даже при идеальных условиях хранения литий ионных аккумуляторов все равно будет происходить процесс деградации элементов.

 

При возникновении необходимости длительной консервации аккумулятора типа Li-ion требуется позаботиться о минимизации негативного воздействия на акб:

  1. Место для хранения должно быть сухим, с небольшим показателем влажности. Требуется исключить риск ударов, возникновения вибрации и непосредственное соседство с открытым огнем или нагревательными элементами.
  2. Температура хранения литий ионного аккумулятора не должна быть ниже нуля. Оптимально хранить устройство при 5-25 градусах.
  3. Перед консервацией устройства вынимают из прибора. Также предварительно заряжают полностью.

Главное учесть, что любой контакт с водой негативно скажется на состоянии аккумулятора. Хранить при соблюдении всех рекомендаций устройство можно в течение нескольких лет. Важно понимать, что это не убережет батарею от уменьшения емкости.

Зависимость от температуры

Зависимость от температуры

Утилизировать АКБ требуется путем сдачи в предприятия, которые на этом специализируются. Просто выбрасывать батарею строго запрещено. Дело в том, что более чем половина устройства, вышедшего из строя, используется повторно для производства новых батарей.

Безопасность

Основная проблемы по защите литий ионного аккумулятора на сегодняшний день решена. Специальная электронная защита в виде встроенного контролера держит под надзором все процессы, происходящие во время заряда и разряда (т.е. при использовании АКБ по назначению). Помимо этого, постоянно усовершенствуется материал для изготовления катода. Приоритетно сейчас стоит возможность сделать его термически стабильным.

Также Li-Ion оснащены специальной защитой, которая реагирует на внутреннее замыкание цепи. Помимо этого, немногие типы АКБ этого рода защищены от внешнего короткого замыкания. Защита внутри устройства состоит из двух слоев сепараторов. Один из слоев изготовлен из полипропилена, другой из аналогичного этому материалу вещества. В случае возникновения короткого замыкания второй из слоев просто плавится, что делает его непроницаемым. И рост дендритов лития, стремящихся к положительному электроду, прекращается.

Две батарейки

Две батарейки

Производители стали встраивать в корпус батареи контролеры заряда, чтобы избежать возможность самовозгорания.  Это устройство держит под контролем температуру внутри корпуса батарейки, глубину заряда, а также количество тока, потребляемого АКБ.

Но несмотря на этот тип усовершенствований даже сегодня есть много сообщений о взрывах аккумуляторов. Довольно часто это случается в телефонах. Эти случаи объясняются тем, что не все производители литий ионных АКБ пользуются такими контролерами. Отказ мотивируется улучшением показателей емкости самой батареи, а также удешевлением производства. Так что, если батарея вздулась спустя некоторое время после эксплуатации — это верный признак того, что производитель сэкономил на производстве.

Но даже такая опасная возможность, как возгорание, которую можно устранить, делает литий ионные аккумуляторы лучше, чем предшествующие аналоги по всем характеристикам. Данный тип батареи работает намного дольше благодаря высокой емкости, низкий уровень пассивного разряда продляет срок годности. Также батареи типа Li-ion не нужно дополнительно обслуживать. А при выходе из строя устройства его дешевле заменить, чем отремонтировать.

Требования к режимам заряда/разряда

Требуется тщательно следить за уровнем разряда аккумулятора. Дело в том, что полный разряд батареи негативно сказывается на его характеристиках. Также возможен полный вывод из строя после глубокого разряда.

Помимо этого, на срок службы литий ионных аккумуляторов непосредственно сказывается уровень разряда перед зарядом и произведение зарядки при помощи токов номиналом выше рекомендованного производителем. Такой тип довольно чувствителен к напряжению зарядного устройства. Например, если использовать вспомогательный прибор с напряжением выше рекомендованного на 3-4 процента, то батарея потеряет емкость в два раза быстрее.

Ток заряда находится в непосредственной зависимости от разницы напряжения аккумулятора и устройства.  А также от сопротивления АКБ и проводов, подводимых к нему. При простых расчетах выходит, что при увеличении напряжения зарядного устройство на 4%, ток заряда возрастет в 10 раз. Такой скачок негативно скажется на работоспособности аккумулятора. Также это увеличивает возможность перегрева.

Как восстановить литий ионный акб

Даже большой срок службы литий ионного аккумулятора не спасает от истощения батареи. В таком случае есть проверенный способ как восстановить литий ионный аккумулятор, но он проработает не долго.

Важно! Восстановить вздутую батарею невозможно. В этом случае она подлежит только утилизации.

Необходимо взять зарядку с напряжением в 5-12 В, а также резистор 330-1 кОм. Минус источника подключить к АКБ, плюс подключается аналогично только через резистор. После чего включить подачу тока и замерять рост показателей напряжения в следующие 10-20 минут. Как только показатель выдаст 3.31 В, смартфон покажет, что пошел процесс заряда. Повышение напряжения, а затем последующее его снижения до рекомендуемых параметров поможет немного восстановить емкость li ion аккумулятора.

Как проверить работоспособность АКБ

Для того, чтобы проверить работоспособность литий ионного аккумулятора, необходимо для начала полностью зарядить батарейку. После чего подключить ее одним концом к тестеру, а другим к нагрузочному резистору.

Тестер покажет емкость, ток и напряжение. Достаточно сравнить полученные показатели с базовыми параметрами батареи. Сильное отклонение в меньшую сторону будет означать, что устройство медленно выходит из строя.

Плюсы и минусы

У литий ионных аккумулятор есть свои преимущества и недостатки перед другими батареями. К плюсам относят такие моменты, как:

  • высокий уровень энергоемкости;
  • эффект памяти настолько минимален, что практически отсутствует;
  • срок эксплуатации очень большой;
  • нет нужды дополнительно обсуживать АКБ;
  • корректно выполняет свои функции в большом диапазоне температур;
  • уровень саморазряда очень низок.

Несмотря на все преимущества у литий ионных батарей есть и свои минусы, например, как:

  • возможность самовозгорания и взрыва, вздутие и выход из строя;
  • емкость понижается при температуре эксплуатации ниже нуля;
  • стоимость продукта значительно выше чем у предшествующих АКБ;
  • для повышения безопасности использования устройства необходим контроллер заряда;
  • плохо переносит глубокий разряд.

Кстати, большинство минусов купируются. Например, при желании можно найти батарейку с контроллером, что уже устраняет возможность перегрева и самовозгорания. А при постоянной подзарядке, глубокий разряд также исключается. Также производители с каждым годом выпускают более совершенные варианты литий ионных аккумуляторов. Недостатки постепенно купируются и в скором времени возможно совсем исчезнут, что сделает этот тип совершенным.

Маркировка

Все параметры литий ионной батареи можно узнать из маркировки, нанесенной на корпус. Вариант маркировки может отличаться у каждого вида АКБ. Пока не существует единого стандарта маркирования. Но достаточно просто разобраться в ней, зная типовые параметры и обозначения:

  1. Буквы. Первой буквой всегда стоит I, так как обозначает тип технологии, т.е. литий ионную. Вторая буква дает уточнение по составу, встречаются маркировки такие как M, F, C, N. Третья буква дает обозначение того, что батарея является перезаряжаемой, маркировка R.Маркировка батареекМаркировка батареек
  1. Цифры. Цифровая маркировка означает размеры в миллиметрах. Таким образом первые 2 цифры — это диаметр, две последующие длина. Ноль на конце маркировки может означать цилиндрическую форму.

Для уточнения значений необходимо обратиться к документам батареи или производителю. У каждого из них может быть разные маркировки. Также отсутствует стандарт нанесения маркера даты производства.

Применение литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы используются в большинстве мобильных устройств. Дело в том, что они не имеют аналогов в случаях, когда необходимо отдавать электричество практически в полном объеме. Также они необходимы для долгосрочного использования, так как способны выдержать большое количество циклов разряд-заряд, при этом не снижая свою емкость.

Преимуществами литий ионных АКБ является и малый вес, так как отсутствует необходимость использовать свинцовые решетки. Благодаря отличным характеристикам устройства применяются в разных ипостасях.

Как стартерные батареи

Аккумуляторы из лития становятся дешевле с каждым годом. Это происходит из-за новых разработок, снижающих затраты на производство. Но в данный момент литиево ионные батареи для автомобилей достаточно дорогостоящие и не все автовладельцы могут их приобрести. Также не рекомендуется использовать этот тип АКБ в северных регионах, так как мощность при низких температурах падает и использовать их будет непрактично.

Как тяговое устройство

Этот тип достаточно стойко переносит сильную разрядку хоть это и не рекомендуется. Их ставят на моторные лодки. Если двигатель не слишком мощный, батареи, как правило, хватает на 5-6 часов непрерывной работы. Также литий ионный АКБ устанавливают на погрузочную технику, которая работает в закрытом помещении.

АКБ большой емкостиАКБ большой емкостиБытовая техника.

Частая практика у производителей делать устройства, где вместо пальчиковых батареек или других вынимаемых аналогов используется литий ионный акб. Существуют модели с напряжениями 3.6 вольт, которые заменяют солевые или щелочные батарейки на 1.5 вольта. В некоторых случаях встречаются li ion аккумуляторы в 3 вольта, их, как правило, используют для замены 2 стандартных батареек.

Виды литиевых батарей

Виды литиевых батарей

 

Литий ионные аккумуляторные батареи прочно вошли в мир технологий. Компактность этого вида акб позволяет использовать их в небольших мощных устройствах как, например, смартфоны.

 

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) | Принцип работы

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

литий-ионный аккумулятор в гаджетах и устройствахli-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

литий-ионный аккумулятор состав элементасостав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементовэлектрохимический ряд элементов

 

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

вольтов столбВольтов столб

 

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумуляторпервый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом литияатом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид литияоксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ионположительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

литий-ионный аккумулятор строениестроение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор строениелитий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

зарядка литий-инного аккумуляторапроцесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

и в конце концов достигают графита

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

где очень удобно располагаются в слоях графита.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

цилиндрический аккумулятор строениецилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

аккумулятор тесла

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Плюсы электромобиляСравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарея теслабатарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесларадиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

из чего делают, устройство, основные виды

Ключевым элементом мобильности электронных устройств является аккумуляторная батарея (АКБ). Растущие требования к обеспечению наиболее длительной их автономности стимулируют постоянные исследования в этой области и ведут к появлению новых технологических решений.

Широко применяемым никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлогидридным (Ni-MH) батареям появилась альтернатива — сначала литиевые аккумуляторы, а затем более совершенные литий-ионные (Li-ion) АКБ.

Litieviy-akkumulyator

Litieviy-akkumulyator

История появления

Первые подобные аккумуляторы появились еще в 70-е гг. прошлого века. Они сразу получили востребованность благодаря более совершенным характеристикам. Анод элементов был изготовлен из металлического лития, свойства которого позволили повысить удельную энергию. Так появились литиевые аккумуляторы.

У новых батарей был весомый недостаток — повышенная опасность взрыва и воспламенения. Причина крылась в образовании на поверхности электродов литиевой пленки, которая приводила к нарушению температурной стабильности. В момент максимальной нагрузки батарея могла взорваться.

Litieviy-akkumulyator

Litieviy-akkumulyator

Доработка технологии привела к отказу от чистого лития в компонентах АКБ в пользу использования его положительно заряженных ионов. Литий-ионный аккумулятор оказался удачным решением.

Данному типу ионных аккумуляторов свойственна более высокая безопасность, которая получена за счет небольшого снижения энергетической плотности, но постоянный технологический прогресс позволил свести проигрыш по этому показателю к минимуму.

Устройство

Внедрение литий-ионных аккумуляторов в производство бытовой электроники получило прорыв после разработки батареи с катодом из углеродного материала (графита) и анодом из оксида кобальта.

В процессе разряда батареи происходит выведение ионов лития из материала катода и их включение в оксид кобальта противоположного электрода, при зарядке процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, электрический ток создают ионы лития, перемещаясь от одного электрода к другому.

Li-Ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и призматическом исполнении. В цилиндрической конструкции две ленты плоских электродов, разделенных пропитанным электролитом материалом, свернуты в рулон и помещены в герметичный металлический корпус. Катодный материал нанесен на алюминиевую фольгу, анодный — на медную фольгу.

Призматическую конструкцию аккумулятора получают при укладывании прямоугольных пластин друг на друга. Такая форма батареи дает возможность сделать компоновку электронного устройства более плотной. Также выпускаются призматические АКБ с рулонными электродами, скрученными в спираль.

Эксплуатация и срок службы

Долгая, полноценная и безопасная работа литий-ионных аккумуляторов возможна при соблюдении правил эксплуатации, пренебрежение ими не только сократит срок службы изделия, но может привести к негативным последствиям.

Эксплуатация

Ключевое требование к эксплуатации Li-Ion батарей касается температуры — нельзя допускать перегрева. Высокая температура способна причинить максимальный вред, причем причиной перегрева может быть как внешний источник, так и стрессовые режимы заряда и разряда батареи.

Например, нагрев до 45°C приводит к снижению способности удержания заряда АКБ в 2 раза. Такая температура легко достигается при долгом пребывании устройства на солнце или при работе энергетически затратных приложений.

При перегреве изделия рекомендуется поместить его в прохладное место, лучше при этом выключить и извлечь батарею.

Для наилучшего сохранения работоспособности АКБ в условиях летней жары стоит использовать энергосберегающий режим, который имеется на большинстве мобильных устройств.

Низкие температуры тоже отрицательно действуют на ионные аккумуляторы, при температуре ниже -4°C батарея уже не может отдавать полную мощность.

Но холод не так вреден для Li-Ion батарей, как высокая температура, и чаще всего не приводит к необратимому ущербу. Несмотря на то что после прогрева до комнатной температуры рабочие свойства АКБ полностью восстанавливаются, о снижении емкости на холоде не стоит забывать.

Еще одна рекомендация по эксплуатации Li-Ion аккумуляторов — не допускать их глубокой разрядки. Многие АКБ предыдущих поколений обладали эффектом памяти, который требовал разрядки до нуля с последующей полной зарядкой. Li-Ion батареи лишены такого эффекта, при этом единичные случаи полной разрядки не приводят к негативным последствиям, но постоянная глубокая разрядка вредна. Рекомендуется подключать зарядное устройство при уровне зарядки 30%.

Срок службы

Неправильная эксплуатация Li-Ion аккумуляторов способна сократить срок их службы в 10-12 раз. Этот срок напрямую зависит от количества зарядных циклов. Считается, что АКБ Li-Ion типа могут выдерживать от 500 до 1000 циклов с учетом полной разрядки. Более высокий процент остающегося заряда перед началом следующей зарядки существенно увеличивает срок службы АКБ.

Поскольку длительность сохранения работоспособности Li-Ion аккумуляторов в немалой степени определяется условиями эксплуатации, невозможно назвать точный срок службы этих батарей. В среднем, можно ожидать, что батарея такого типа прослужит 7-10 лет при соблюдении требуемых правил.

Процесс зарядки

При зарядке следует избегать избыточно долгого подключения АКБ к зарядному устройству. Нормальное функционирование литий-ионного аккумулятора проходит при напряжении, не превышающем 3,6 В. Зарядные устройства в процессе зарядки подают на вход АКБ 4,2 В. Если превысить время заряда, в аккумуляторе могут начаться нежелательные электрохимические реакции, которые повлекут за собой перегрев со всеми вытекающими последствиями.

Разработчики учли такую особенность — безопасность заряда современных Li-Ion батарей контролируется специальным встроенным устройством, останавливающим процесс зарядки при увеличении напряжения выше допустимого уровня.

Для литиевых АКБ правильным является двухступенчатый способ заряда. На первом этапе батарею нужно заряжать, обеспечивая постоянный зарядный ток, второй этап должен проходить с обеспечением постоянного напряжения и постепенным снижением зарядного тока. Такой алгоритм аппаратно реализован в большинстве бытовых зарядных устройств.

Хранение и утилизация

Литий-ионный аккумулятор может храниться достаточно долго, саморазряд составляет 10-20% в год. Но при этом происходит постепенное снижение характеристик изделия (деградация).

Хранить такие АКБ рекомендуется в защищенном от влаги месте, при температуре +5…+25°С. Недопустимы сильные вибрации, удары и соседство с открытым пламенем.

Процесс утилизации литий-ионных элементов должен проводиться на специализированных предприятиях, имеющих соответствующую лицензию. Около 80% материалов утилизированных АКБ может использоваться повторно в производстве новых батарей.

Litieviy-akkumulyator

Litieviy-akkumulyator

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор даже миниатюрных размеров таит в себе риски взрывного самовозгорания. Такая особенность этого типа АКБ требует соблюдения мер безопасности на всех этапах, от разработки до производства и хранения.

Для повышения безопасности Li-Ion аккумуляторов при изготовлении в их корпус помещают небольшую электронную плату — систему контроля и управления, которая призвана исключить перегрузки и перегрев. Электронный механизм увеличивает сопротивление цепи при росте температуры выше заданного предела. Некоторые модели батарей имеют встроенный механический выключатель, разрывающий цепь при росте давления внутри АКБ.

Также в корпусах батарей часто устанавливают предохранительный клапан, сбрасывающий давление в экстренных случаях.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

  • высокая энергетическая плотность;
  • отсутствие эффекта памяти;
  • длительный срок эксплуатации;
  • низкий показатель саморазряда;
  • отсутствие необходимости обслуживания;
  • обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

  • риск самовозгорания;
  • более высокая, чем у предшественников, стоимость;
  • необходимость наличия встроенного контроллера;
  • нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Область применения

Высокий показатель энергоплотности литий-ионных батарей определяет основную сферу их применения — мобильные электронные устройства: ноутбуки, планшеты, смартфоны, видеокамеры, фотоаппараты, навигационные системы, различные встроенные датчики и ряд других изделий.

Существование цилиндрического форм-фактора этих аккумуляторов позволяет использовать их в фонариках, стационарных телефонах и прочих устройствах, ранее потреблявших энергию от одноразовых батареек.

Литий-ионный принцип построения АКБ имеет несколько разновидностей, виды отличаются по типу применяемых материалов (литий-кобальтовый, литий-марганцевый, литий-никель-марганец-кобальт-оксидный и др.). Каждый из них находит свою сферу применения.

Помимо мобильной электроники, группа литий-ионных АКБ применяется в следующих областях:

  • электроинструменты ручного типа;
  • портативное медицинское оборудование;
  • источники бесперебойного электропитания;
  • охранные системы;
  • модули аварийного освещения;
  • станции на солнечных батареях;
  • электромобили и электровелосипеды.

Учитывая постоянное совершенствование литий-ионной технологии и успехи в создании АКБ большой емкости при малых размерах, можно прогнозировать расширение областей применения таких аккумуляторов.

Маркировка

Параметры литий-ионных аккумуляторных батарей нанесены на корпус изделия, при этом применяемая кодировка может существенно отличаться для разных типоразмеров. Единый для всех производителей стандарт маркировки АКБ пока не разработан, но самостоятельно разобраться с самыми важными параметрами все же возможно.

Буквы в строке маркировки указывают на тип элемента и использованные материалы: первая буква I означает литий-ионную технологию, следующая буква (C, M, F или N) уточняет химический состав, третья буква R означает, что элемент является перезаряжаемым (Rechargeable).

Цифры в названии типоразмера означают размер аккумулятора в миллиметрах: две первые цифры — диаметр, а две другие — длина. Например, 18650 указывает, что диаметр составляет 18 мм, а длина — 65 мм, 0 обозначает цилиндрический форм-фактор.

Последние в ряду буквы и цифры — специфическая для каждого производителя маркировка емкости. Для указания даты изготовления также не существует единых стандартов.

Litieviy-akkumulyator-markirovka

Litieviy-akkumulyator-markirovka

Литий─ионный аккумулятор

Литий─ионный аккумулятор

В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.

 

Содержание статьи

Как появились литий─ионные батареи?

Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.

Устройство, эксплуатация и характеристики литий─ионных аккумуляторов


На протяжении этих 20 лет исследователи пришли к выводу, что основной проблемой является литиевый электрод. Этот металл очень активный и при эксплуатации протекал ряд процессов, приводивших в итоге к воспламенению. Это стали называть вентиляцией с образованием пламени. Из-за этого в начале 90-х годов производители были вынуждены отозвать батареи, выпущенные для мобильных телефонов.

Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.

Металлический литий крайне нестабилен, особенно проявляется при зарядке и разрядке. Поэтому исследователи стали создавать аккумуляторную батарею литиевого типа без использования лития. Стали использоваться ионы этого щелочного металла. Отсюда и пошло их название.

Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем литиевые аккумуляторы. Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.

Вернуться к содержанию
 

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.

Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.
Вернуться к содержанию
 

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).

При интеркаляции ионы лития раздвигают слои углерода, внедряясь между них. Получаются различные интеркалаты. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем матрицы углерода меняется несущественно. В отрицательный электрод, помимо углеродного материала, могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также пробуют использовать композитные материалы с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т. п.

Вернуться к содержанию
 

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели.

Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода.

Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями:

положительный электрод

LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe

отрицательный электрод

С + xLi+ + xe → CLix

В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.

На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.

Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе

Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе


Вернуться к содержанию
 

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод.

Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.

Цилиндрический литий─ионный аккумулятор

Цилиндрический литий─ионный аккумулятор

Li─Ion аккумуляторы призматической конструкции делаются с помощью укладывания пластин прямоугольной формы друг на друга. Такие батареи дают возможность сделать упаковку более плотной. Сложность заключается в поддержке сжимающего усилия на электродах. Есть призматические АКБ с рулонной сборкой электродов, скручиваемых в спираль.

Призматический литий─ионный аккумулятор

Призматический литий─ионный аккумулятор



В конструкции любых литий─ионных аккумулятор предусмотрены меры для обеспечения их безопасной работы. В первую очередь это касается предотвращения разогрева и воспламенения. Под крышкой батареи устанавливается механизм, который увеличивает сопротивление аккумулятора при увеличении температурного коэффициента. При возрастании давления внутри АКБ выше допустимого предела, механизм разрывает положительный вывод и катод.

Кроме того, для увеличения безопасности эксплуатации в Li-Ion аккумуляторах в обязательном порядке используется электронная плата. Её назначение – это контроль за процессами заряда и разряда, исключение перегрева и короткого замыкания.

Сейчас выпускается много призматических литий─ионных аккумуляторов. Они находят применение в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может отличаться у различных производителей, поскольку не имеет единой унификации. Электроды противоположной полярности разделяются сепаратором. Для его производства используется пористый полипропилен.

Конструкция Li-Ion и прочих разновидностей литиевых АКБ всегда выполняется герметичной. Это обязательное требование, поскольку вытекания электролита не допустимо. Если он вытечет, то электроника будет повреждена. Кроме того, герметичное исполнение не допускает попадания внутрь АКБ воды и кислорода. Если они попадут внутрь, то в результате реакции с электролитом и электродами разрушат аккумулятор. Производство комплектующих для литиевых аккумуляторов и их сборка находится в специальных сухих боксах в атмосфере аргона. При этом используются сложные приёмы сваривания, герметизации и т. п.

Что касается количества активной массы Li-Ion аккумулятора, то здесь производители всегда ищут компромисс. Им нужно добиться максимальной ёмкости и обеспечить безопасность функционирования. За основу принимается отношение:

Ао / Ап = 1,1, где

Ао – активная масса отрицательного электрода;

Ап — активная масса положительного электрода.

Такой баланс не допускает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.

Вернуться к содержанию
 

Параметры Li-Ion аккумуляторов

Выпускаемые сегодня литий─ионные аккумуляторы имеют высокую удельную энергоёмкость и рабочее напряжение. Последнее в большинстве случаев составляет от 3,5 до 3,7 вольта. Энергоёмкость составляет от 100 до 180 ватт-час на килограмм или от 250 до 400 на литр. Некоторое время назад производители не могли выпустить АКБ с ёмкостью выше нескольких ампер-час. Сейчас проблемы, сдерживающие развитие в этом направлении, устранены. Так, что в продаже стали встречаться аккумуляторы литиевого типа с ёмкостью в несколько сотен ампер-час.

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор



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. Обычные литий─ионные батарейки для мобильных телефонов при отрицательных температурах становятся неработоспособными.

Саморазряд этого типа батарей равен 4─6 процента в течение первого месяца. Далее он уменьшается и в год составляет до процентов. Это значительно меньше, чем у никель─кадмиевых и никель─металлогидридных батарей. Срок службы примерно 400─500 циклов заряд-разряд.

Теперь поговорим об особенностях эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.

Вернуться к содержанию
 

Эксплуатация литий─ионных батарей

Зарядка Li─Ion аккумуляторов

Заряд литий─ионных АКБ обычно комбинированный. Сначала они заряжаются при постоянном токе величиной 0,2─1С пока не наберут напряжение 4,1─4,2 вольта. А затем зарядка ведётся при постоянном напряжении. Первая ступень продолжается примерно около часа, а вторая около двух. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используется импульсный режим. Первоначально выпускались Li─Ion аккумуляторы с графитом и для них устанавливалось ограничение напряжения 4,1 вольта на одну банку. Дело в том, что при более высоком напряжении в элементе начинались побочные реакции, сокращающие срок эксплуатации этих аккумуляторов.

Постепенно эти минусы удалось устранить за счёт легирования графита различными добавками. Современные литий─ионные элементы без проблем заряжают до 4,2 вольта. Погрешность составляет 0,05 вольта на элемент. Существуют группы Li─Ion аккумуляторных батарей для военной и промышленной сферы, где требуется повышенная надёжность и длительный срок службы. Для таких АКБ выдерживают максимальное напряжение на элемент 3,90 вольта. У них несколько ниже энергетическая плотность, но увеличенный срок службы.

Если заряжать литий─ионную батарею током величиной 1С, то время полного набора ёмкости составит 2─3 часа. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда напряжение возрастает до максимального, а ток снижается до 3 процентов от величины в начале процесса зарядки. Это можно видеть на графике ниже.

Зависимость тока заряда и напряжения Li─Ion аккумулятора при заряде

Зависимость тока заряда и напряжения Li─Ion аккумулятора при заряде

На графике ниже представлены этапы зарядки Li─Ion батареи.

Этапы зарядки литий─ионного аккумулятора

Этапы зарядки литий─ионного аккумулятора



Процесс зарядки состоит из следующих этапов:
  • Этап 1. На этой стадии через аккумуляторную батарею течёт максимальный ток заряда. Он продолжается до момента достижения порогового напряжения;
  • Этап 2. При постоянном напряжении на АКБ ток зарядки постепенно уменьшается. Этот этап прекращается, когда величина тока уменьшается до 3 процентов от начального значения;
  • Этап 3. Если аккумулятор ставится на хранение, то на этом этапе идёт периодический заряд для компенсации саморазряда. Делается ориентировочно через каждые 500 часов.
    Из практики известно, что увеличение тока заряда не сокращает время зарядки батареи. При повышении тока напряжение растёт быстрее до порогового значения. Но тогда потом второй этап зарядки длится дольше. Некоторые зарядные устройства (ЗУ) могут зарядить Li─Ion аккумулятор за час. В таких ЗУ отсутствует второй этап, но реально аккумулятор в этой точке заряжается где-то на 70 процентов.

Что касается струйной подзарядки, то для литий─ионных батарей она неприменима. Это объясняется тем, что этот тип АКБ не может при перезарядке поглощать избыточную энергию. Струйная подзарядка может привести к переходу части ионов лития в металлическое состояние (валентность 0).

А непродолжительный заряд хорошо компенсирует саморазряд и потери электрической энергии. Зарядка на третьем этапе может делаться каждые 500 часов. Как правило, выполняется при снижении напряжения АКБ до 4,05 вольта на одном элементе. Заряд ведётся до поднятия напряжения до 4,2 вольта.

Стоит отметить слабую стойкость литий─ионных аккумуляторов к перезаряду. В результате подачи лишнего заряда на углеродной матрице (минусовой электрод) может начаться осаждение металлического лития. Он имеет очень высокую химическую активность и взаимодействует с электролитом. В результате на катоде начинается выделение кислорода, что грозит ростом давления в корпусе и разгерметизацией. Поэтому если вы заряжаете Li─Ion элемент в обход контроллера, не допускайте подъёма напряжения при заряде выше, чем рекомендует производитель батареи. Если постоянно перезаряжать аккумулятор, срок его службы сокращается.

Безопасности Li-Ion АКБ производители уделяют серьёзное внимание. Заряд прекращается при увеличении напряжения выше допустимого уровня. Также установлен механизм выключения заряда при увеличении температуры батареи выше 90 Цельсия. Некоторые современные модели батарей имеют в своей конструкции выключатель механического типа. Он срабатывает при росте давления внутри корпуса АКБ. Механизм контроля напряжения электронной платы отключает банку от внешнего мира по минимальному и максимальному напряжению.

Существуют литий─ионные батареи без защиты. Это модели, содержащие в своём составе марганец. Этот элемент при перезаряде способствует торможению металлизации лития и выделению кислорода. Поэтому в таких аккумуляторах защита становится не нужна.

Рекомендуем дополнительно прочитать материал о том, как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы.
Вернуться к содержанию
 

Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ

Аккумуляторы литиевого типа хранятся достаточно хорошо и саморазряд в год составляет всего 10─20% в зависимости от условий хранения. Но при этом деградация элементов батареи продолжается даже, если она не используется. Вообще, все электрические параметры литий─ионного аккумулятора могут отличаться для каждого конкретного экземпляра.

Литий─ионные АКБ

К примеру, напряжение при разряде меняется в зависимости от степени зарядки, тока, температуры окружающей среды и т. п. На срок эксплуатации АКБ оказывают влияние токи и режимы цикла разряд-заряд, температура. Один из главных недостатков Li-Ion батарей ─ это чувствительность к режиму заряд-разряд, из-за чего в них и предусматривается много разных видов защит.

На графиках ниже представлены разрядные характеристики литий─ионных аккумуляторов. На них рассмотрена зависимость напряжения от тока разряда и температуры окружающей среды.

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных разрядных токах

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных разрядных токах

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при различных температурах

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при различных температурах



Как можно видеть, при увеличении разрядного тока падение ёмкости незначительно. Но при этом рабочее напряжение заметно уменьшается. Аналогичная картина наблюдается при температуре меньше 10 градусов Цельсия. Стоит также отметить начальную просадку напряжения аккумулятора.
Вернуться к содержанию
 
Безопасность

В целом к настоящему времени проблема защиты литий─ионных аккумуляторов уже решена. Электронная защита держит под контролем процесс заряда и разряда. К тому же постоянно дорабатывается материал катода, в том числе, в направлении термической стабильности.

Li-Ion аккумуляторы имеют встроенную защиту от внутреннего короткого замыкания. Некоторые категории АКБ также оснащают защитой от внешнего короткого замыкания. Внутренняя защита реализована в виде двухслойного сепаратора. Один слой выполнен из полипропилена, а второй из аналога полиэтилена. Если в результате появления литиевых дендритов происходит короткое замыкание, то этот второй слой из-за разогрева оплавляется. В результате он становится непроницаемым, что предотвращает дальнейший рост дендритов лития к положительному электроду.

Вернуться к содержанию
 

Защита литий─ионных батарей

Выше мы несколько раз упоминали о защите Li─Ion аккумуляторов. Давайте, суммируем всю информацию.

В аккумуляторных батареях литиевого типа применяется полевой транзистор для размыкания цепи, когда напряжение банки возрастает до 4,3 вольта. Термическая защита разъединяет цепь при нагреве АКБ выше 90 градусов Цельсия. Ещё в литий─ионных батареях можно встретить предохранитель, срабатывающий при увеличении давления в корпусе до 1034 кПа. Также устанавливаются схемы, предохраняющие элемент от глубокого разряда. Их назначение – разорвать цепь при снижении напряжения элемента до 2,5 вольта.

Вернуться к содержанию
 

Как функционирует защита АКБ?

Схема защиты литий─ионной аккумуляторной батареи при включённом телефоне имеет сопротивление 0,05─0,1 Ом. Это два ключа, которые соединены последовательно. Первый предназначен для срабатывания на верхнем, а второй ─ на нижнем значении напряжения АКБ. Сопротивление увеличивает в 2 раза внутреннее сопротивление АКБ. Аккумулятор отдаёт максимальный ток при низком внутреннем сопротивлении. Схема защиты сделана, как препятствие для бесконтрольного роста тока (как зарядки, так и разрядки) аккумулятора.

Также схема защиты может быть реализована с помощью химических добавок. Для этого используется марганец. В таких АКБ вместо схемы защиты ставится только предохранитель. И всё это не сказывается на безопасности. Марганец не даёт аккумулятору перегреться и воспламениться. В результате отказа от электронной схемы снижается цена литий─ионных батарей, но это порождает другую проблему. Такую АКБ пользователь может заряжать «неродной» зарядкой. И в этом случае может случиться так, что ЗУ не остановит процесс при полной зарядке. Тогда без схемы пойдёт перезаряд и выход аккумулятора из строя. Такие вещи заканчиваются вздутием корпуса.

Вернуться к содержанию
 

Деградация Li─Ion аккумуляторов

Из-за чего происходит деградация Li-Ion аккумуляторов и какие факторы приводят к снижению ёмкости? Это:

  • расслоение графитовой матрицы;
  • разрушение структуры катода;
  • образование частиц металлического лития;
  • появление пассивирующей плёнки на электродах. Она снижает поверхностную активность;
  • разрушение механической структуры электрода из-за изменений объёма электродов при заряде-разряде.

Специалисты до сих пор не пришли к единому мнению насчёт того, какой электрод (катод или анод) больше изменяется при эксплуатации. На конечный результат влияет материал электрода, а также его чистота. Заявленный ресурс современных литий─ионных аккумуляторов составляет от 500 до 1 тысячи циклов разряд-заряд до снижения ёмкости на 20 процентов. Но результат сильно зависит от значения напряжения при заряде. Результаты исследований специалистов показали следующие результаты.

Зависимость ёмкости литий-ионного аккумулятора при различном пороговом напряжении заряда

Зависимость ёмкости литий-ионного аккумулятора при различном пороговом напряжении заряда

Стоит отметить, что при уменьшении «амплитуды циклирования» увеличивается срок эксплуатации. Что это значит? То есть, не нужно разряжать телефон до выключения и заряжать его до 100%. Благодаря этому уменьшается механическая нагрузка на электроды, которая вызвана изменением объёма из-за внедрения ионов лития. Чем глубже разряд и полнее заряд, тем большие механические напряжения испытывают электроды.

Вернуться к содержанию
 

Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей

Литий─ионные аккумуляторы уже превратились в полноценное семейство батарей, как щелочные или автомобильные. От остальных групп АКБ они выделяются своей высокой энергоёмкостью, режимами заряд-разряд и рядом других характеристик. Их эксплуатация требует использования электронных схем контроля заряда-разряда и некоторых других средств защиты.

В случае с литиевыми аккумуляторами задача их безопасного использования усложняется требованиями к габаритам. Они должны быть максимально компактными, поскольку используются в портативной электронике. Из-за близкого расположения электродов и стремления добиться максимальной удельной ёмкости литий─ионные аккумуляторы долго не могли вывести на рынок для коммерческого использования.

Сейчас активно ведутся разработки новых материалов для электродов. Причём при использовании нового материала проходит долгое время до того момента, как его удаётся внедрить в серийное производство.

На рынке наблюдается довольно большой разброс литиевых батарей по электрическим характеристикам, габаритам и т. п. Отчасти это происходит из-за того, что пока нет единых стандартов в этом направлении. Кроме того, рынок наводнила продукция из Китая и других стран азиатского региона. Эти производители зачастую не придерживаются никаких норм, стараясь выпустить максимально доступные аккумуляторы.

Куда будет двигаться разработка литий─ионных аккумуляторов? Специалисты в этой сфере считают, что основное направление развития для них – это «умные аккумуляторы». Этот тренд сейчас явно прослеживания в различных электронных устройствах. То есть, идентификация батареи, степень заряженности, допустимое напряжение, температура – всем этим АКБ должна обмениваться с мобильным устройством.

Кроме того, усовершенствование литий─ионных аккумуляторов будет вестись в направлении уменьшения размеров, увеличения энергоёмкости, более гибкие решения в плане формы и т. п. Также работы ведутся в направлении разработки материалов для катода на базе соединений лития. Их цель – создание моделей литиевых АКБ, способных заменить никель─кадмиевые аккумуляторы в устройствах, потребляющих большой ток (портативный электроинструмент).


Надеемся, что эта статья помогла вам разобраться в особенностях литий─ионных аккумуляторов. Если материал был полезен, то делайте репост в социальных сетях. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте статью! Если остались вопросы и дополнения, пишите их в комментариях.
Вернуться к содержанию

Устройство литиевых аккумуляторных батарей

 В настоящей статье рассматриваются наиболее перспективные литий-ионные аккумуляторы. 

Устройство литиевых аккумуляторов

Электроды современных аккумуляторов изготавливаются путём нанесения катодного материала на алюминиевую фольгу (катод) и, соответственно, анодного материала – на медную фольгу. В химический состав катодного материала входят, чаще всего, литиевые соли кобальтовой кислоты и твёрдые растворы литиевых солей никелевой кислоты. В качестве анодного материала используют литиевые соли фосфорной кислоты. Электролит представляет собой гелеобразную массу, в состав которой входят соли лития.
Электролитом пропитываются так называемые сепараторы – конструкции, имеющие пористую структуру. Электроды и сепараторы размещаются в герметичном корпусе. Для токосъёма предусмотрены присоединительные клеммы. Корпус аккумулятора снабжён предохранительным клапаном избыточного давления, срабатывающим в аварийных ситуациях. Отличительными особенностями литий-ионных аккумуляторов являются малый вес, продолжительный срок службы и большая удельная ёмкость на единицу массы и объёма. Аккумуляторы при хранении и эксплуатации не загрязняют окружающую среду, они соответствуют всем мировым стандартам по экологии. Вместе с тем, — это самые дорогие из всех современных аккумуляторов. 

Существует несколько разновидностей литий-ионных аккумуляторов. Различают аккумуляторы литий-марганцевые, литий-полимерные, литий-железо-фосфатные. Области применения, режимы работы, положительные и отрицательные характеристики  всех аккумуляторов на основе лития, его сплавов и солей во многом схожи.

    Цены на литий-ионные аккумуляторы достаточно высокие. Они соизмеримы со стоимостью хорошего велосипеда и в случае установки на электровелосипед, стоимость такого транспорта всегда будет выше, чем электровелосипеда, укомплектованного  свинцово-кислотными батареями. 

 Литий-марганцевые аккумуляторы

 В этих аккумуляторах анодный электрод изготавливается из химически чистого лития, а катод – из диоксида марганца. Электролит представляет собой органическое вещество, состав которого является секретом предприятия-изготовителя. Аккумуляторы собираются в батареи из  мягких полимерных корпусов, в виде стандартизованных цилиндров и таблеток. Батареи широко используются для питания разнообразной электротехнической и электронной аппаратуры, в частности, для ноутбуков,  автономных охранных и противопожарных  сигнализаций, цифровых фото- и кинокамер, систем реанимации и искусственных органов человеческого тела, в испытательных станциях, для электротранспорта – электромобилей и электровелосипедов.  Номинальное напряжение на контактах одного ячейки аккумулятора колеблется в пределах 3,15-3,3 В (здесь и далее под напряжением аккумулятора имеется в виду напряжение одного аккумуляторного элемента, в отличие от номинального напряжения аккумуляторной батареи, которую в быту ошибочно называют «аккумулятором»). Рабочее напряжение аккумулятора – 3,0 В. Фактически, оно является наибольшим по сравнению с другими аналогичными аккумуляторами. Габаритные размеры аккумуляторов цилиндрической формы находятся в пределах 14 – 39 мм (диаметры), высота от 25 до 34 мм. Удельная ёмкость одного аккумулятора может достигать 10 Ампер часов. Таблеточные аккумуляторы имеют диаметры в пределах 16 – 30 мм, высоту 1,2 – 10,5 мм.  Их ёмкость может  быть до 950 мА-ч.    Срок службы аккумулятора,  при условии правильной эксплуатации, может доходить до 10 лет.

Для зарядки всех типов литиевых аккумуляторов,  выпускаются специальные автоматические зарядные устройства, со световой сигнализацией, извещающей о начале и окончании процесса зарядки. Эти устройства могут поставляться в комплекте с аккумуляторной батареей или отдельно. В состав зарядных устройств входят элементы автоматики, не допускающие аварийных  режимов и превышения напряжения зарядки.

 Литий-полимерные аккумуляторы

   Рабочее напряжение таких аккумуляторов составляет 3,7 В. Максимальная удельная ёмкость одного аккумулятора может достигать 4.2 Ампер часа. Электролит представляет собой полимерный гелеобразный продукт. Габаритные размеры варьируются в широких пределах. Толщина аккумулятора, чаще всего, колеблется от 1,9  до 10 мм. Ширина — от 9,5 до 49 мм. Длина — от 22 до 61 мм. Область применения аккумуляторов достаточно обширна. Аккумуляторы питают различные электронные устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, электроинструменты, электрифицированные игрушки. Могут использоваться для электровелосипедов и электромобилей. В последние годы начинают использоваться в комплекте с альтернативными источниками электроэнергии – ветрогенераторами, солнечными батареями. В таких областях применяются аккумуляторные ячейки большой ёмкости — до 90 Ампер часов. В процессе эксплуатации аккумуляторы допускают не менее 500 перезарядок после полного разряда. Чем меньше процент разряда, — тем больше циклов аккумулятор может выдержать без существенного ухудшения характеристик. Все аккумуляторы, сделанные  на основе лития, —  не загрязняют окружающую среду, поскольку являются герметичными и не содержащими ядовитых и опасных химических веществ.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

   Описываемая конструкция катода впервые была разработана и применена в Соединённых Штатах Америки в 1996 году. Началом же промышленного производства этой модификации аккумуляторов явился 2003 год. В этих аккумуляторах катод изготовлен из материала, в состав которого входит двойная железо-литиевая соль фосфорной  кислоты. Номинальное напряжение одной полностью заряжённой ячейки аккумулятора составляет 3,65 В.  Каждый  аккумулятор допускает от 800 до 2000 перезарядок в течение 10 лет. Стоимость такого катодного аккумуляторного материала  значительно ниже, чем стоимость материала, в состав которого входит кобальт. Кроме того, такой материал не ядовит и обладает значительной термостойкостью. Недостатком материала является то, что он обеспечивает получение гораздо меньшей ёмкости, чем аналогичные вышеупомянутые материалы. Это значит, что для получения необходимой ёмкости, батарею придётся набирать из большего количества ячеек.

Особенности эксплуатации литиевых аккумуляторов:

  1. Не пытайтесь создать мощную литиевую батарею из отдельных незащищенных элементов, которые можно приобрести у китайских производителей! Такая батарея не будет иметь встроенной системы защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда, от повышения температуры, и поэтому может запросто взорваться при замыкании ее контактов или при нагревании, а также — во время заряда (перезаряда). К тому же, она, если не взорвется, прослужить гораздо меньше, ведь ее ток разряда ничем не будет ограничен.
  2. Ни в коем случае не нагревайте литиевую батарею! При повышении температуры растет давление газа внутри литиевой батареи, что также может привести к взрыву. По этой причине не следует оставлять открытую литиевую батарею от прямыми солнечными лучами. Это не приведет к взрыву, но укоротит срок службы аккумулятора.
  3. Не закорачивайте выводы литий-ионной аккумуляторной батареи. Не надейтесь только на электронику (встроенную систему защиты от короткого замыкания), будьте внимательны.
  4. Заряжайте литиевые аккумуляторы правильно! — Используйте специально созданные для этого зарядные устройства, в которых автоматически контролируется ток заряда. 
  5. Заряд литиевой батареи необходимо проводить только при положительной температуре!!!
  6. При подключении нескольких литиевых батарей, используйте аккумуляторы от одного производителя — одного номинала, в одном и том же техническом состоянии.
  7. Хранить литиевые аккумуляторы желательно в сухом, прохладном месте, защищенном от воздействия прямых солнечных лучей при t от 3 до 5 °С. Хранение при более высокой температуре может  привести к уменьшению ресурса АКБ. При длительном хранении (зимнее время) литиевую аккумуляторную батарею необходимо зарядить примерно на 45%. Крайне нежелателен полный разряд АКБ. Если это произошло то, то АКБ необходимо как можно быстрее зарядить. Долгое хранение в разряженном состоянии литиевой АКБ может привести к выходу ее из строя. При любых признаках повреждения литиевого аккумулятора — трещина в корпусе, ржавчина, вмятина — эксплуатировать его нельзя.
  8. Если во время хранения или эксплуатации литиевого аккумулятора вы заметили его сильный нагрев, шипение выходящего газа, появление едкого белого дыма, то немедленно прекратите эксплуатацию такого аккумулятора и переместите его в безопасное для других людей место. Если из аккумулятора вылился электролит — не допускайте его контакта с кожей, проветрите помещение, аккумулятор утилизируйте.
  9. Не разбирайте, не сжигайте, и не выбрасывайте литиевые батареи в мусорные баки. Их следует утилизировать отдельно: при разгерметизации литиевого аккумулятора и попадании внутрь воды, происходит реакция с выделением водорода, что чревато возгоранием, и даже взрывом.
  10. Горящие литиевые батареи нельзя тушить водой — это приведет к образованию водорода, и с помощью углекислотного огнетушителя — литий вступает в реакцию с углекислотой. Можно применять только порошковые огнетушители, или — сухим песком, поваренной солью, пищевой содой, а также накрывая горящий аккумулятор плотной термостойкой тканью.

      Большинство литиевых аккумуляторов производятся, в основном, в Китае, —  здесь имеется хорошая сырьевая база, но имеются и американские, европейские и российские предприятия по выпуску  различных модификаций литий ионных аккумуляторов. 

 

Разборка заводских литий-ионных аккумуляторов формата 18650 / Habr

Всем привет! Давно меня просили сравнить заводские батареи 18650 в сравнении с поддельной батареей 18650 с «алиэкспресса».

На тесте три банки из аккумуляторов ноутбуков Futjitsu-Siemens (синяя банка), Lenovo (красная банка), HP (зеленая банка). Аккумуляторные батареи с длительными сроками хранения, больше пяти лет. Поэтому ресурс у них плачевный, но некоторые батареи еще работают. Аккумуляторы подходят для питания фонариков или других гаджетов, аккумуляторы хоть и старые, но справляются со своей задачей.
Номера на банках:
— LG LGES318650, синяя банка;
— Noname NK6M4ED030541, красная банка;
— Sony US8650GRG5, зеленая банка.
Красный аккумулятор, как написали в комментариях, возможно это банка Sanyo.



Синий аккумулятор LG после разборки оказался не таким качественным, ожидал большего. Видно, что есть неплотная набивка внутренней основы батареи, что наводит на мысль о малой длине катода и анода. Ёмкость у такой батареи будет ниже заявленной.

Разбирая аккумуляторы 18650 или другие литий-ионные аккумуляторы, стоит подходить к этому процессу с повышенной аккуратностью, дабы не закоротить аккумулятор. Как видно на фото, даже аккуратная разборка привела к повреждению элемента, что привело к началу экзотермической реакции с нагревом аккумулятора. Но так как банка разобрана, то это процесс ограничился выделением неопределенного газа, возможно кислорода.

Аккумуляторы на тесте имеют схожее внутренне строение. Только синяя банка отличается дренажным клапаном и неплотной набивкой. Длина катода и анода в этой банке меньше, чем в красной и зеленой.

Аккумуляторные батареи сильно отличаются по строению дренажного клапана. Самый сложный в исполнении клапан — у зеленой банки. Самый простой — у синей банки. Такое ощущение, что при производстве синих банок для LG сэкономили.

Качественные по исполнению оказались аккумуляторные батареи Sony, Noname (красная банка, возможно Sanyo). В этих аккумуляторах сложный дренажный клапан, плотная набивка элементов батареи. По всем показателям выигрывает красная банка (возможно Sanyo) и аккумулятор Sony. Заводская банка LG выполнена некачественно, но лучше чем у подделки с «алиэкспресс». Разборку поддельного аккумулятора можно посмотреть в видео — youtu.be/r1xHjmWZimI, где плотность набивки внутреннего элемента маленькая.

Так выглядит разобранный элемент аккумулятора, на котором видно медную фольгу — анод, алюминиевую фольгу — катод. На анод нанесена углеродная матрица с внедренными ионами лития, которая образует структуру литий углерод шесть — LiC6. Катод состоит из алюминиевой фольги покрытой литерованным оксидом кобальта — LiСоO2.
Электроды между собой разделены пористым полипропиленовым сепаратором, а вся сборка помещается в электролит. 

Конечная таблица. Параметры измерений приблизительны. По моему мнению выиграл красный аккумулятор Noname (возможно Sanyo), но аккумулятор Sony так же показал хорошие результаты, что не сказать о банке LG.

Не разбирайте литий-ионные аккумуляторы в домашних условиях — покалечитесь или спалите окружающее пространство.
Видео процесса:

На этом все. Надеюсь, кому-то будет интересен данный материал.

Если в статье обнаружатся какие-то ошибки, дайте знать в ЛС. Всем спасибо за внимание.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.