Особенности литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный аккумулятор — как правильно заряжать, устройство, особенности

Первой компанией, кто запустил в серийное производство перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор большой емкости стала Sony, при этом срок службы батареи стал значительно продолжительней, чем его имел никель-кадмиевый аналог.

К сожалению, у первых моделей был существенный недостаток, который проявлялся тем, что при высоком токе разряда литиевый анод воспламенялся.

На устранение этой проблемы потребовалось около 20 лет, решением стал контроллер, который не позволяет образовываться чистому литию на аноде аккумулятора литий-ионного типа.

Современные модели надежны и безопасны, они постепенно вытеснили с рынка никель-металлгидридные и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в портативных устройствах, их устанавливают в качестве источника питания ноутбука, фотоаппарата, мобильного телефона и т.д.

Аккомуляторы Li-ion производства компании Panasonic

Единственная ниша, в которой аккумуляторы литий-ионного типа уступают никель-кадмиевым — это устройства, работа которых требует высокий ток разрядки, например, для шуруповертов. Такой тип батарей называется промышленный.

Отдельно стоит упомянуть об элементах Li-Pol. Единственное отличие от литий полимерного аккумулятора заключается в том, что в базовой основе используется другой электролит, при этом принцип действия, особенности и характеристики этих видов практически идентичны.

Особенности

Любой тип источников питания обладает своими преимуществами и, соответственно, недостатками, литий ионные аккумуляторы только подтверждают эту аксиому. Рассмотрим подробно их характерные особенности.

К числу достоинств, несомненно, можно отнести:

низкие параметры саморазряда;
если взять единичный элемент литий-ионного аккумулятора, размеры которого равны батареям другого типа, то заряд у него будет больше (3,7V, в отличие от 1,2V). Благодаря этому стало возможным существенно упростить и облегчить элемент питания;
отсутствует такой параметр, как память питания, то есть батарея не требует регулярной разрядки, чтобы восстановить мощность (емкость), что упрощает эксплуатацию.

Говоря про преимущества, которыми обладает данный аккумуляторный элемент, нельзя не учитывать определенные недостатки, к которым относятся:

встроенный «предохранитель», то есть плата защиты, задача которой ограничивать напряжение питания при заряде и не допускать полного разряда аккумулятора, помимо этого сглаживается максимальный ток, а также контролируется температура. Из-за этого цена на литий-ионные аккумуляторы выше, чем у аналогов;
несмотря на восстановление аккумуляторов литий-ионного типа, они подвержены «старению», даже в том случае, если хранить их в соответствии с правилами эксплуатации. О том, как притормозить данный процесс, пойдет речь ниже, где будет рассматриваться эксплуатация и ее особенности.

Видео: обзор, вскрытие литий-ионного аккумулятора от мобильника

Форм-фактор

Литий ионные аккумуляторы выпускаются двух форм-факторов – цилиндрический и таблеточный.

Цилиндрические аккумуляторы литий-ионного типа форм-фактор ААА, АА и 18650 Таблеточные Li-ion батареи Casio

Во многих устройствах используется несколько соединенных аккумуляторов литий ионного типа, например, чтобы достичь напряжения 12V или увеличить ток разрядки, это необходимо учитывать, если вы хотите купить подобное устройство (как правило, тип соединения указан на корпусе).

Как правильно заряжать

Существуют правила, благодаря которым можно существенно продлить срок службы аккумуляторов литий-ионного типа.

Правило первое: нельзя допускать полной разрядки, благодаря этому можно увеличить количество циклов, при которых происходит зарядка и разрядка. Заряжая батарею на 20%, можно значительно продлить ее срок эксплуатации, как минимум вдвое. В качестве примера приведем таблицу зависимости циклов подзарядки, в зависимости от глубины разряда аккумулятора.

Заряд (уровень)	Количество циклов
батарея разряжена	500
батарея разряжена наполовину	1500
глубина разряда 25 %	2500
потеря разряда 10%	4700

Правило второе: с периодичностью один раз в три месяца требуется производить полный цикл (то есть полностью разряжать и заряжать), благодаря этому процесс «старения» батарей существенно замедляется.

Правило третье: нельзя хранить аккумулятор литий-ионного типа полностью разряженным, желательно, чтобы батарея была заряжена на 30-50%, в противном случае восстановление его емкости не представляется возможным.

Правило четвертое: для зарядки батареи пользуйтесь оригинальным зарядным устройством, которое шло в комплекте от производителя, этого требует разница исполнения защитной схемы аккумулятора. То есть, например, батареи HTC, En-El, Sanyo, IRC, ICR, Lir, Mah, Pocket, ID-Security и т.д. нежелательно заряжать устройством для аккумуляторов Samsung.

Правило пятое: нельзя допускать перегрева аккумулятора, эксплуатировать литий-ионное устройство можно при температуре окружающего воздуха в пределах от -40 до 50 °C. При нарушенном температурном режиме восстановить батарею или произвести ее ремонт не представляется возможным, потребуется только ее замена.

Отдельно необходимо подчеркнуть, что аккумуляторные батареи известных брендов значительно превосходят по характеристикам аналоги неизвестных производителей. Можете не сомневаться, что батареи DMW-BCG, VPG-BPS, SAFT, а также оригинальные модели, например, BL-5C, BP-4L (Nokia), D-Li8, NB-10L (Canon), NP-BG1 (Sony) или LP243454-PCB-LD будут однозначно лучше китайских аналогов.

Самодельное зарядное устройство

При желании можно сделать своими руками устройство, которое послужит для зарядки аккумуляторов литий-ионного типа, его схема изображена ниже.

Схема зарядки для литий ионных акумуляторов

Обозначения на рисунке:

R1- 22Ом;
R2 – 5,1кОм;
R3- 2кОм;
R4 -11Ом;
R5 – 1кОм;
RV1 – 22кОм;
R7 – 1кОм;
U1 – стабилизатор LM317T (обязательно установить на радиатор с большой площадью рассеиванья);
U2 – TL431(регулятор напряжения);
D1, D2 – светодиоды, можно использовать smd типа, первый, сигналитзирующий о начале процесса зарядки желательно выбрать красным, второй — зеленым;
транзистор Q1 – BC557;
конденсаторы C1, C2 – 100n.

Читать еще: Аккумулятор westa и другие украинские марки

Входное напряжение на схему зарядки аккумуляторов литий-ионного типа должно быть от 9 до20В, для этой цели можно переделать импульсный блок питания. Мощность резисторов необходимо подобрать следующую:

R1 – минимум 2Вт;
R5 – 1Вт
остальные не менее 0.125Вт.

в качестве переменного резистора RV1 желательно взять CG5-2 или его импортный аналог 3296W. Такой тип позволяет более точно выставить выходное напряжение, которое должно быть около 4,2В.

Принцип, по которому работает схема зарядки следующий:

При включении идет зарядка батареи, величина тока зависит от резистора R5 (в нашем случае он будет на уровне 100мА) напряжение зарядки в пределах от 4,15 до 4,2В, о начале процесса просигнализирует диод D1 . Когда аккумулятор приблизится к порогу зарядки, произойдет снижение тока нагрузки, что приведет к выключению светодиода D1 и включению D2.

Заметим, что при снижении напряжения примерно на 0,05-0,1В можно существенно увеличить срок эксплуатации аккумулятора, поскольку он будет заряжаться не до конца.

Контакты для блока зарядки, через который будет подключаться аккумулятор, можно взять со сломанного устройства, перед этим не забудьте их почистить.

Необходимо обратить внимание, что при неправильной настройке, например, завышенном напряжении или токе зарядки, можно вывести элемент питания из строя.

Производство зарядного устройства обходится значительно дешевле, чем цена на литий-ионный аккумулятор, будь это город Москва или СПб, поэтому экономить (учитывая как развита их продажа), рискуя вывести батарею из строя, используя самодельный прибор, не имеет смысла.

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.

Читать еще: Литий─полимерный аккумулятор: отличие от ионного

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:

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.
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:

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.

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.

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).

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.

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.

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.