Постепенно истощаются. Часто через пару лет активной эксплуатации их емкость снижается, и устройства уже не могут обеспечить нормальную эксплуатацию гаджетам или другим электрическим приборам. Следует понимать, что полностью вернуть первоначальную емкость аккумулятору уже нельзя, однако возможность продлить срок его использования есть. В этом материале мы остановимся на нескольких способах, позволяющих на время реанимировать аккумулятор.

Есть одна небольшая оговорка – все описанные здесь способы подходят для технически подготовленных пользователей. Если вы не относитесь к таковым, лучше всего не терять времени впустую. Вы можете обратиться в мастерскую либо сервисный центр, или же просто приобрести новый аккумулятор.

Как проверить емкость li-ion аккумуляторов самостоятельно?

Прежде чем заниматься реанимацией аккумулятора, необходимо узнать, какова на данный момент его емкость. Для профессионалов это элементарно — существует тестер аккумуляторов Кулон. Любителям же для проверки емкости аккумулятора можно воспользоваться следующим способом: подключить к тестируемому аккумулятору (заряженному) резистор соответствующего номинала, и путем записи величин тока, идущего через резистор, и напряжения на нем доводят аккумулятор до полного разряда. По данным, которые вы получите, строится график разряда, и определяется его реальная емкость. Конечно, точность такого способа определения не отличается идеальной точностью, поэтому вместо резистора часто используют источник стабильного тока с дополнительным источником напряжения в схеме.

Восстановление емкости li-ion аккумулятора

1. Иногда вследствие длительной эксплуатации аккумулятор вздувается из-за газов, и заряд держит непродолжительно. В этом случае, используя эпоксидную смолу и паяльник, можно вернуть устройство к жизни. Для этого необходимо разъединить корпус батареи и верхний блок с датчиком. Отделяют датчик, и под ним находят колпачок, скрывающий управляемую электронику. Используя тонкую иглу, прокалывают колпачок с большой аккуратностью, чтобы не повредить начинку. Затем берут какой-либо плоский предмет, по габаритам превышающий размер вашей батареи, и прижимают им аккумулятор на столе или другой плоскости. Важно правильно рассчитать необходимое усилие. После этого эпоксидной смолой закрывают отверстие и припаивают датчик.

На некоторое время вернуть к жизни литий-ионную батарею поможет другой простой способ. Однако нужно понимать, что это будет лишь краткосрочным решением проблемы, так как восстановить емкость li-ion аккумулятора в прежних параметрах невозможно.

1. Потребуются: блок питания 5-12 В, вольтметр, резистор с сопротивлением 330-1000 Ом и мощностью не ниже 500 мВт. Контакты блока питания необходимо освободить и произвести соединение с батареей следующим образом: минус батареи с минусом блока питания, к плюсу добавляем резистор. При помощи мультиметра нужно проверить правильность полярности. БП подключается в сеть на 2-3 минуты.

Другие способы восстановления емкости

Есть и другие способы восстановления работоспособности батареи li-ion – на форумах можно встретить немало самых неожиданных и даже сомнительных вариантов.

1. Например, некоторые пользователи предлагают поместить потерявшую емкость батарею в морозильник на 30 минут. После этого ставить в устройство и заряжать его 1 минуту, а затем извлечь и дать нагреться до температуры помещения. Далее можно использовать аккумулятор обычным образом. Другой способ увеличить емкость li-ion аккумуляторов, не менее сомнительный – срезать пластик на батарее, найти главные контакты и на миг замкнуть их металлическим предметом. Возвращают крышку на место и оставляют для высыхания.

Отметим, что все указанные здесь способы не дают 100% гарантии хорошего результата, тем не менее, попробовать стоит.

Литиевый аккумулятор LiFePO4 48v 12Ah

Цена: 25000 руб 24000 руб

Наиболее часто в мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, КПК и другие) применяют литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель-металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами.

У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры.
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.

Химические процессы Li-ion аккумуляторов.

Революцию в развитии перезаряжаемых литиевых аккумуляторов произвело сообщение о том, что в Японии разработаны аккумуляторы с отрицательным электродом из углеродных материалов. Углерод оказался весьма удобной матрицей для интеркаляции лития.
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.

Конструкция Li-ion аккумуляторов

Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), производятся в цилиндрическом и призматическом вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помешен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку (рис. 1). Призматические аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Призматические аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в аккумуляторной батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую спираль (рис. 2). Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше модификаций конструкции.

Рис.1 Устройство цилиндрического Li-Ion аккумулятора.

Рис.2. 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.

Характеристики Li-ion аккумуляторов.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.
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.3).

Рис.3. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

Если на рис.3 изображен типовой график заряда одного из типов Li-ion аккумуляторов, то на рис.4 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.4. 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. 5 и 6. 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.5. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различных токах.

Рис.6. 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.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей.

Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Как правило в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отсоединяет цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную защиту. Но и это не все. Некоторые аккумуляторы имеют выключатель, который срабатывает при достижении порогового уровня давления внутри корпуса, равного 1034 кПа (10,5 кг/м2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение снизится до уровня 2,5 В на элемент.
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

При циклировании Li-ion аккумуляторов среди возможных механизмов снижения емкости наиболее часто рассматриваются следующие:
- разрушение кристаллической структуры катодного материала (особенно LiMn2O4);
- расслоение графита;
- 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 (рис.7). 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.7. 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.

Заключение.

В результате поисков наилучшего материала для катода современные Li-ion аккумуляторы превращаются в целое семейство химических источников тока, заметно различающихся друг от друга как энергоемкостью, так и параметрами режимов заряда/разряда. Это, в свою очередь, требует существенного увеличения интеллектуальности схем контроля, которые к настоящему времени стали неотъемлемой частью аккумуляторных батарей и питаемых устройств - в противном случае возможно повреждение (в том числе необратимое) как батарей, так и устройств. Задача усложняется еще и тем, что разработчики стараются максимально полно использовать энергию аккумуляторов, добиваясь повышения времени автономной работы при минимально занимаемом источником питания объеме и весе. Это позволяет достигнуть существенных конкурентных преимуществ. По мнению Д. Хикока, вице-президента Texas Instruments по силовым компонентам мобильных систем, при использовании катодов из новых материалов разработчики аккумуляторов далеко не сразу достигают тех же конструкционных и эксплуатационных характеристик, что и в случае с более традиционными катодами. В итоге новые аккумуляторы часто имеют значительные ограничения диапазона условий эксплуатации. Мало того, в последнее время на рынок помимо традиционных производителей аккумуляторных ячеек и батарей - Sanyo, Panasonic и Sony - очень активно пробиваются новые производители, по большей части из Китая. В отличие от традиционных производителей, они поставляют продукцию с существенно большим разбросом параметров в пределах одной технологии или даже одной партии. Это связано с их желанием конкурировать в основном за счет низкой цены продукции, что часто приводит к экономии на соблюдении требований технологического процесса.
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.

Который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит свое применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны , ноутбуки , электромобили , цифровые фотоаппараты и видеокамеры . Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году .

Характеристики

В зависимости от электро-химической схемы литий-ионные аккумуляторы показывают следующие характеристики:

• Напряжение единичного элемента 3,6 В.
• Максимальное напряжение 4,2 В, минимальное 2,5–3,0 В. Устройства заряда поддерживают напряжение в диапазоне 4,05–4,2 В
• Энергетическая плотность : 110 … 230 Вт*ч/кг
• Внутреннее сопротивление : 5 … 15 мОм/1Ач
• Число циклов заряд/разряд до потери 20 % ёмкости: 1000-5000
• Время быстрого заряда: 15 мин - 1 час
• Саморазряд при комнатной температуре: 3 % в месяц
• Ток нагрузки относительно ёмкости (С):
  • постоянный - до 65С, импульсный - до 500С
  • наиболее приемлемый: до 1С
• Диапазон рабочих температур: −0 ... +60 °C(при отрицательных температурах заряжание батарей невозможен)

Устройство

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком тока в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO 2) и соли (LiM R O N) металлов. Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем - каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. В качестве положительных пластин до недавнего времени применяли оксиды лития с кобальтом или марганцем, но они все больше вытесняются литий-ферро-фосфатными, которые оказались безопасны, дешевы и нетоксичны и могут быть подвержены утилизации, безопасной для окружающей среды. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления - СКУ или BMS (battery management system) и специальным устройством заряда/разряда. В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов: - кобальтат лития LiCoO 2 и твердые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития - литий-марганцевая шпинель LiMn 2 O 4 - литий-феррофосфат LiFePO 4 . Электро-химические схемы литий-ионных аккумуляторов: литий-кобальтовые LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом помимо системы BMS (СКУ) они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

Преимущества

• Высокая энергетическая плотность.
• Низкий саморазряд.
• Отсутствие эффекта памяти .
• Не требуют обслуживания.

Недостатки

Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Эту проблему удалось окончательно решить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные литий-ионные аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

Аккумуляторы Li-ion при неконтролируемом разряде могут иметь более короткий жизненный цикл в сравнении с другими типами аккумуляторов. При полном разряде литий-ионные аккумуляторы теряют возможность заряжаться при подключении зарядного напряжения. Эта проблема решаема путем приложения импульса более высокого напряжения, но это отрицательно сказывается на дальнейших характеристиках литий-ионных аккумуляторов. Максимальный срок «жизни» Li-ion аккумулятора достигается при ограничении заряда сверху на уровне 95 % и разряда 15–20 %. Такой режим эксплуатации поддерживается системой контроля и управления BMS (СКУ), которая входит в комплект любого литий-ионного аккумулятора.

Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при заряде на уровне 40–70 % от ёмкости аккумулятора и температуре около 5 °C. При этом низкая температура является более важным фактором для малых потерь ёмкости при долговременном хранении. Средний срок хранения (службы) литий-ионного АКБ составляет в среднем 36 месяцев, хотя может колебаться в интервале от 24 до 60 месяцев.

Потеря ёмкости при хранении :

Согласно всем действующим регламентам хранения и эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, для обеспечения длительного хранения необходимо подзаряжать их до уровня 70 % ёмкости 1 раз в 6–9 месяцев.

См. также

Примечания

Литература

• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
• Юрий Филипповский Мобильное питание. Часть 2. (RU). КомпьютерраLab (26 мая 2009). - Подробная статья о Li-ion аккумуляторах.. Проверено 26 мая 2009.

Ссылки

• ГОСТ 15596-82 Термины и определения.
• ГОСТ 61960-2007 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые
• Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. iXBT (2001 г.)
• Литий-ионные аккумуляторные батареи отечественного производства

18650 в последнее время становятся все более популярными. По своим техническим характеристикам они опережают всем известные пальчиковые аккумуляторы. Понятия «пальчиковые» и «мизинчиковые», применяемые для общеизвестных с точки зрения правильной терминологии неверны. Все аккумуляторы, вне зависимости от габаритов, имеют свои коды, обозначающие их размер. Так, 18650 - это тоже код. Вот и весь секрет.

Типоразмер аккумулятора 18650

В данном пятизначном коде выражены ширина и длина батарейки, где первые две цифры - это ширина (диаметр) в мм, а три последние - длина в мм с десятыми долями. Существует ошибочное мнение, что нуль в конце данного кода обозначает цилиндрическую форму аккумулятора (существуют аккумуляторы разной формы). Такое точное обозначение длины акумулятора не обязательно. При указании его размера часто ограничиваются первыми четырьмя цифрами (1865). К слову, пальчиковые и мизинчиковые батарейки также имеют свой код - 14500 и 10440. Помимо цифрового кода, размер также может обозначаться буквами. Например, два вышеназванных размера аккумуляторов имеют альтернативные буквенные коды - АА (пальчиковые) и ААА (мизинчиковые). Существует множество буквенных и цифровых кодов, обозначающих размеры различных элементов питания: CR123 (16340), А (17500), Fat A (18500), 4/3 A (17670) и т. д.

В отношении аккумуляторов 18650 данное обозначение размера является неточным. Нужно учитывать и другие параметры. На размер аккумулятора 18650 может влиять, например, наличие встроенной специальной платы (контроллера заряда). У некоторых аккумуляторов в этом случае длина может быть немного больше. Нередки случаи, когда аккумулятор попросту не помещается в отсек того прибора, где его хотят использовать, несмотря на то что данный прибор (например, батарейный блок электронной сигареты) ориентирован на работу именно с аккумуляторами такого типа.

Длительность использования литий-ионного аккумулятора 18650

Время, которое данный аккумулятор способен отработать, зависит от такого понятия, как «миллиамперы в час» (mAh). Для больших аккумуляторов, например автомобильных, применяется термин «амперы в час». Для аккумулятора 18650 mAh это производная величина. Один ампер равен 1000 миллиампер. Миллиампер в час - это ток, который может дать аккумулятор в течение условного часа использования. Другими словами, если разделить эту величину на определенное количество часов, можно узнать время работы элемента питания. Например, аккумулятор имеет емкость 3000 mAh. Это значит, что на два часа работы он будет выдавать 1500 миллиампер. На четыре - 750. Аккумулятор из приведенного примера разрядится полностью после 10 часов работы, когда его емкость достигнет 300 миллиампер (граница глубокого разряда).

Подобные подсчеты дают лишь примерное представление о времени работы аккумулятора. Его реальное время работы зависит от того, с какой нагрузкой ему приходится иметь дело, то есть от прибора, который он должен обеспечить питанием.

Ток, напряжение и мощность

Перед тем как остановиться на общем описании технических характеристик литий-ионных аккумуляторов 18650 и предосторожностей в работе с ними, кратко дадим определение вышеназванным понятиям. Ток (максимальный ток разряда, токоотдача) выражается в амперах и маркируется на аккумуляторе буквой «А». Напряжение выражается в вольтах и обозначается буквой «V». На многих элементах питания можно встретить такие обозначения. Для литий-ионного аккумулятора напряжение всегда равно 3.7 вольт, а ток может быть разным. Мощность аккумулятора как главенствующий параметр его силы выражается произведением напряжения и тока (вольты нужно умножить на амперы).

Описание плюсов и минусов литий-ионного аккумулятора

Главный минус аккумуляторов размера 18650, произведенных по литий-ионной технологии, состоит в том, что у них небольшой диапазон рабочих температур. Нормальная работа литий-ионного аккумулятора возможна только в пределах от -20 до +20 градусов Цельсия. Если же он используется или заряжается при температурах ниже или выше обозначенных, это его портит. Для сравнения, никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют более широкий диапазон температур - от -40 до +40. Но, в отличие от последних, литий-ионные батарейки имеют более высокое номинальное напряжение - 3.7 вольт против 1.2 вольт у никелевых элементов питания.

Также литий-ионные аккумуляторы практически не подвержены распространенным среди многих видов аккумуляторов эффектам саморазряда и памяти. Саморазряд - это потеря заряженной энергии при простое. Эффект памяти возникает у некоторых видов аккумуляторов в результате систематической зарядки после неполной разрядки. То есть он развивается на аккумуляторах, которые высаживаются не полностью.

При эффекте памяти батарейка «запоминает» ту степень разряда, после которой ее начинают заряжать, и разряжается, дойдя до этой границы в следующем цикле. Ее истинная емкость на тот момент на самом деле больше. Если имеется плата, отображающая то она тоже будет показывать разряд. Данный эффект развивается не сразу, а постепенно. Он может развиться и в условиях, когда аккумулятор постоянно работает от электрической сети, то есть непрерывно заряжается.

Саморазряд и эффект памяти проявляются у литий-ионных аккумуляторов крайне незначительно.

Есть еще один момент, на который следует обратить внимание: такие аккумуляторы нельзя хранить в разряженном состоянии, иначе они быстро выходят из строя.

Предосторожности в работе с литий-ионным аккумулятором

Многие подвержены воспламенению и взрывам. Это зависит от химической составляющей внутреннего устройства аккумулятора. Для литий-ионных аккумуляторов размера 18650 подобная проблема стоит достаточно остро. Нередки случаи, когда пользователи электронных сигарет получают серьезные ожоги на руках и лице, а то и более серьезные травмы. Поскольку литий-ионные аккумуляторы наличествуют в ноутбуках, планшетах и сотовых телефонах, нередки случаи их воспламенения.

На первом месте среди причин возникновения подобных инцидентов стоит, конечно, некачественная (дешевая) сборка аккумулятора. Однако в случае с электронными сигаретами взрыв литий-ионного аккумулятора легко спровоцировать самостоятельно, даже если аккумулятор не из дешевых. Для этого нужно немного разбираться в том, что такое электрическое сопротивление.

Если объяснить это понятие наиболее простым языком, то это параметр, определяющий требования проводника к элементу питания. Чем ниже сопротивление проводника, тем больше тока (ампер) должен отдавать аккумулятор. Если сопротивление очень низкое, то аккумулятор будет работать с таким проводником в большую нагрузку. Сопротивление может быть настолько низким, что это спровоцирует запредельную нагрузку на батарейку и ее последующий взрыв или воспламенение. Иными словами, это будет короткое замыкание. Поскольку электронные сигареты работают по принципу испарения, при котором не обойтись без нагревательного элемента (спирали накаливания), неумелые пользователи могут по ошибке заставить аккумулятор работать с нагревательным элементом с крайне низким сопротивлением. Зная токоотдачу конкретного аккумулятора и сопротивление проводника, при помощи несложных вычислений по формуле закона Ома можно определить, справится ли данный аккумулятор с конкретным проводником.

Данные опасные явления происходят не всегда и не во всех случаях. Технологии защиты аккумуляторов постоянно совершенствуются. Многие аккумуляторы имеют внутри специальный контроллер заряда, способный вовремя обесточить аккумулятор при появлении короткого замыкания. Это защищенные аккумуляторы.

Устройство литий-ионного аккумулятора

В основе устройства аккумулятора 18650 лежит электролит - специальная жидкость, в которой происходят химические реакции.

Данные химические реакции являются обратимыми. На этом основан принцип действия любого аккумулятора. Говоря простым языком, формула таких реакций может протекать как слева направо (разряд), так и справа налево (заряд). Такие реакции происходят между катодом и анодом элемента. Катод - это отрицательный электрод (минус), анод - положительный электрод (плюс) источника питания. Между ними в момент реакции образуется электрический ток. Химические реакции разряда и заряда между катодом и анодом - это процессы окисления и восстановления, но это уже совсем другая история. Углубляться в процесс электролиза мы не станем. Ток образуется в тот момент, когда катод и анод начинают взаимодействовать, то есть к плюсу и минусу батарейки подключают что-либо. Катод и анод должны быть электропроводимыми.

Во время нарушения условий эксплуатации в электролите появляются молекулы химических элементов, которые замыкают катод и анод, что приводит к внутренним коротким замыканиям. В результате этого температура батарейки увеличивается и появляется больше молекул, замыкающих плюс и минус. Весь этот процесс как снежный ком приобретает скорость в геометрической прогрессии. Без возможности вывода электролита наружу (корпус аккумулятора герметичен) возникает увеличивающее внутреннее давление. Что происходит далее, можно понять и без комментариев.

Зарядка литий-ионного аккумулятора

В качестве зарядки для аккумулятора 18650 подойдут любые устройства, предназначенные для батареек данного формата. Главное, при зарядке не менять правильную полярность. Располагать аккумуляторы в слотах нужно точно в соответствии с обозначениями плюса и минуса. Не лишним будет ознакомиться с другими мерами предосторожности при использовании зарядки для аккумулятора 18650, которые всегда указаны на его корпусе.

Наилучшим вариантом для заряда литий-ионных аккумуляторов будет использование более дорогих зарядных устройств с тонкой настройкой процесса заряда. Многие из них имеют функцию заряда аккумуляторов по методу CC/CV, что расшифровывается как постоянный ток, постоянное напряжение. Данный метод хорош тем, что он может зарядить аккумулятор больше, чем это делают обычные зарядные устройства. Связано это с таким понятим, как перезаряд.

Во время зарядки или же разрядки аккумулятора его напряжение меняется. При зарядке увеличивается, при разрядке уменьшается. Номинальные 3.7 вольт - это усредненное значение.

Есть два эффекта, пагубно влияющих на аккумулятор - перезаряд и переразряд. Существуют пороговые значения на заряд и разряд аккумулятора. Если напряжение элемента питания выходит за данные границы, то аккумулятор получает перезаряд или переразряд в зависимости от того, заряжается он или разряжается. При обычном режиме зарядки для 18650 Li-ion зарядное устройство и контроллер заряда внутри самой батарейки (если таковой имеется) считывают показания по напряжению аккумулятора и отсекают заряд по достижении порога во избежание перезаряда. При этом аккумулятор на самом деле не заряжается полностью. Его емкость может позволить ему зарядиться еще, но пороговое значение не дает это сделать.

Принцип зарядки методом CC/CV устроен так, что подаваемый на заряд ток не отсекается, а резко снижается, не давая внутреннему напряжению аккумулятора выйти за пороговое значение. Таким образом, элемент питания заряжается полностью без получения перезаряда.

Виды литий-ионных аккумуляторов

Виды аккумуляторов 18650 Li-ion:

• литий-железо-фосфатные (LFP);
• литий-марганцевые (IMR);
• литий-кобальтовые (ICR);
• литий-полимерные (LiPo).

Все виды, кроме последнего, имеют цилиндрическую форму и могут быть выполнены в формате 18650. Литий-полимерные аккумуляторы отличаются тем, что у них нет конкретной формы. Связано это с тем, что они имеют твердый электролит (полимер). Именно за счет такого необычного свойства электролита данные аккумуляторы часто используются в планшетах и сотовых телефонах.

Применение литий-ионных аккумуляторов

Как уже было сказано, литий-ионные аккумуляторы размера 18650 широко применяются в электронных сигаретах. Они могут быть встроенными в батарейный блок или съемными, т. е. устанавливаться в него отдельно. Их также может быть несколько, соединенных параллельно или последовательно.

Литий-ионные аккумуляторы давно нашли свое применение и в устройстве различных батарей, например батарей для ноутбуков. Такие батареи представляют собой цепь нескольких соединенных между собой аккумуляторов 18650 внутри единого корпуса. Такие батареи также можно встретить и в качестве емких пауэр банков - переносных зарядных устройств.

Область применения самих батарей весьма широка: от названых зарядных устройств до составляющих элементов современных больших механизмов (автомобильных или авационных). При этом количество литий-ионных аккумуляторов 18650, составляющих единую батарею, может варьироваться от нескольких штук до сотен. Стоит упомянуть и о литий-полимерных аккумуляторах. Они хоть и не выпускаются в формате 18650 Li-ion, но являются самыми распространенными, так как используются в планшетах и сотовых телефонах.