Характеристики и достоинства литий-ионных батареек

Литий-ионные аккумуляторы

Характеристики, типы и устройство Li-ion аккумуляторов

На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы остаются самыми востребованными для комплектации мобильных устройств. Без мощного аккумулятора мобильный телефон, ноутбук, фотоаппарат и даже карманный фонарик быстро потеряют автономность.

Первый гальванический элемент “вольтов столб”, появившийся благодаря Алессандро Вольта 20 марта 1800 года, был высотой в полметра и мало чем походил на современные аккумуляторы. Многие годы с тех времен по этому принципу разрабатывались одноразовые батарейки. Только в 1980 году благодаря Джону Гуденафу и его коллегам появились перезаряжаемые литий-ионные батареи. Почти 40 лет существования этого типа АКБ, и они стали прочным фундаментом мобильности и автономности. Сложно представить, что бы мы делали без таких “палочек-выручалочек”. Без розеток и провода они дают нам возможность пользоваться многими гаджетами где угодно. Аккумуляторам Li-ion типа нашли применение в ноутбуках, карманных компьютерах, мобильных телефонах, видеокамерах, цифровых фотокамерах.

От первой гальванической батарейки в современном аккумуляторе Li-ion типа не сохранилось ни металлических дисков, ни войлочных пластинок, которые пропитывались раствором кислоты. Остался только принцип работы: АКБ содержат в себе химические реагенты, в которые входят два металла. Между электродами анодом (+) и катодом (-) пространство заполнено электролитической жидкостью. Эта жидкость является проводником и участником электролитической диссоциации. Электрическая энергия появляется за счет движения заряженных частиц от анода к катоду, в процессе взаимодействия металлов.

Li-ion аккумуляторы бывают цилиндрической формы и призматической. В цилиндрическом аккумуляторе используют электроды, завернув их в рулон. Они изолированы сепаратором и заключены в металлический корпус. Корпус связан с катодом, который не соприкасается с анодом, иначе произойдет самопроизвольный разряд. В призматическом варианте аккумуляторов конструкция имеет вид сложенных друг на друга пластин-пленок, между которыми совсем тонкий слой сепаратора.
Внутри на аноде и катоде происходят реакции.

При заряде на аноде:

• LiCoO₂→Li_1-xCoO₂ + xLi + + xe –

При заряде на катоде:

• С + xLi + + xe – →CLi_x , где х – степень интеркаляции.

При разряде процесс идет в обратном направлении. Из-за такого эффекта качелей аккумуляторы литий-ионного типа называют “кресла-качалки”.

К показателям, которые характеризуют литий-ионные батареи, относятся следующие технические параметры: напряжение, ёмкость, внутреннее сопротивление, диапазон рабочих температур, время быстрого заряда и ток нагрузки относительно ёмкости. Эти характеристики зависят от состава компонентов и не фиксированы. Пределы данных характеристик весьма условны.

Напряжение (В)	номинальное	3,6 – 3.85
	максимальное	4,2 или 4,4
	минимальное	2,75
Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг)	110-243
Время быстрого заряда (мин)	30-60
Внутреннее сопротивление (мОм)	30-50
Ток нагрузки (С)	номинальный	до 1 С
	максимальный	до 2 С
	безопасный	до 3 С (1 мин)
Рабочая температура ( о С)	-20 – +60

Взрывоопасность

Защита аккумулятора

Требования к режимам заряда/разряда

• Критически высокая температура может привести к вздутию аккумулятора. Рабочая температура +20 – +40 о С. Не стоит устраивать солнечные ванны вашему гаджету и тем более париться с ним в бане, эти действия могут вызвать перегрев аккумулятора.
• После полной зарядки гаджет рекомендуется отключать от зарядного устройства.

Если аккумулятор полностью заряжен, то без подзарядки он в зависимости от емкости может сохранять свой заряд до 12 месяце. Это определяется малым значением саморазряда. Однако хранить полностью заряженными литиевые аккумуляторы не рекомендуется. Хранить купленные аккумуляторы надо заряженными менее чем на половину и не дольше 6 месяцев.

Старение и износ

Часто задаваемые вопросы:

Можно ли соединять аккумуляторы последовательно?

• Да, можно. При последовательном подключении будет суммироваться напряжение.
• Нельзя соединять последовательно аккумуляторы с разной ёмкостью. При заряде схемы из последовательно соединенных аккумуляторов с разными ёмкостями, случится перезаряд того, который с меньшей. Это приведет к его перезаряду и перегреву.
• Аккумулятор с меньшей ёмкостью в процессе эксплуатации разрядится первым, возникнет эффект “хромой лошади”, хотя цепь будет использоваться дальше, но это приведет к уменьшению ресурса аккумулятора в целом.

Как правильно параллельно соединить аккумуляторы?

• При параллельном соединении суммируется ёмкость.
• Соединяя аккумуляторы параллельно, следует убедиться в том, что максимальное напряжение на них одинаковое. Иначе может произойти перезаряд того аккумулятора, который имеет меньшее напряжение. Это опасно!

Из-за чего теряется ёмкость у аккумулятора, который работает?

• Ресурс аккумулятора уменьшается по мере исчерпания жизненых циклов.

Для чего защита в аккумуляторе?

• Для экстренного отключения аккумулятора при возникновении нештатных ситуаций.

Нужно ли Li-ion аккумулятор полностью разряжать перед процедурой заряда?

• Li-ion и li-pol аккумуляторы не имеют эффекта памяти, поэтому полностью разряжать их не нужно.
• Их можно заряжать и разряжать в любой момент.

Почему взрываются аккумуляторы?

• Допустимая температура превышена и электролит чрезмерно нагревается.
• При коротком замыкании внутри ячейки АКБ.
• Причин много: производственный брак, механические повреждения, нарушения рекомендаций по эксплуатации.

Как работает аккумулятор?

• АКБ содержат в себе химические реагенты, в которые входят два металла.
• Между электродами анодом (+) и катодом (-) пространство заполнено электролитической жидкостью.
• Жидкость является проводником и участником электролитической диссоциации.
• Электрическая энергия запасается за счет переноса заряженных частиц от анода к катоду.

Ni-Cd, Ni-MH и Li-Ion аккумуляторы. В чем разница. Плюсы и минусы

23 Сентября 2019

Основные типы аккумуляторов:

• Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы
• Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы
• Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы

Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Для аккумуляторного инструмента никель-кадмиевые аккумуляторы являются фактическим стандартом. Инженерам хорошо известны их достоинства и недостатки, в частности Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат кадмий – тяжёлый металл повышенной токсичности.

У никель-кадмиевых аккумуляторов есть так называемый «эффект памяти» суть которого сводится к тому, что при заряде не полностью разряженного аккумулятора его новый разряд возможен только до того уровня, с которого его зарядили. Другими словами аккумулятор «помнит» уровень остаточного заряда, с которого его полностью зарядили.

Итак, при заряде не полностью разряженного Ni-Cd аккумулятора происходит уменьшение его ёмкости.

Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Опишем только самый простой и надёжный способ.

При использовании аккумуляторного инструмента с Ni-Cd аккумуляторными батареями следует придерживаться простого правила: заряжать только полностью разряженные аккумуляторы.

Рекомендуется хранить Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в разряженном состоянии, желательно чтобы разряд не был глубоким, в противном случае это может вызвать необратимые процессы в батарее.

Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

• Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
• Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
• Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
• Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
• Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более

Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

• Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
• Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
• После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
• Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Эти аккумуляторы предлагаются на рынке как менее токсичные (по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами) и более экологически безопасные, как в производстве, так и при утилизации.

На практике Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы действительно демонстрируют весьма большую ёмкость при габаритах и массе, несколько меньших, чем у стандартных Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов.

Благодаря практически полному отказу от применения токсичных тяжелых металлов в конструкции Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов последние после использования могут быть утилизованы вполне безопасно и без экологических последствий.

У никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижен «эффект памяти». На практике «эффект памяти» практически незаметен из-за высокого саморазряда этих аккумуляторов.

При эксплуатации Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов желательно разряжать их в процессе работы не полностью.

Хранить Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы следует в заряженном состоянии. При длительных (более месяца) перерывах в работе аккумуляторы следует перезаряжать.

Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

• Нетоксичные аккумуляторы
• Меньший «эффект памяти»
• Хорошая работоспособность при низкой температуре
• Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами

Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

• Более дорогой тип аккумуляторов
• Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
• После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
• Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы

Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы

Несомненным достоинством литий-ионных аккумуляторов является практически незаметный «эффект памяти».

Благодаря этому замечательному свойству Li-Ion аккумулятор можно заряжать или подзаряжать по мере необходимости, исходя из потребностей. Например, можно подзарядить не полностью разряженный литий-ионный аккумулятор перед важной, ответственной или продолжительной работой.

Длительное хранение рекомендуется производить при половинном уровне заряда литий-ионного аккумулятора.

К сожалению эти аккумуляторы являются наиболее дорогими аккумуляторными батареями. Кроме того литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, независящий от числа циклов разряд-заряд.

Резюмируя можно предположить, что литий-ионные аккумуляторы лучше всего пригодны для случаев постоянной интенсивной эксплуатации аккумуляторного инструмента.

Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

• Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
• Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
• Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
• Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
• Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

• Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
• Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
• Ограниченный срок службы

Из практики эксплуатации Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов в телефонах, фотокамерах и т.д. можно отметить, что эти аккумуляторы служат в среднем от 4 до 6 лет и выдерживают за это время около 250-300 циклов разряда-заряда. При этом абсолютно точно замечено: больше циклов разряд-заряд – короче срок службы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов!

Все эти типы аккумуляторов имеют такой важный параметр как емкость. Емкость аккумулятора показывает, сколько времени он сможет питать подключенную к нему нагрузку. У радиостанции емкость аккумулятора измеряется в миллиампер-часах. Эта характеристика обычно указывается на самой батарее.

Для примера возьмем радиостанцию Альфа 80 и ее батарею емкостью 2800 мАч. При цикле работы 5/5/90, где 5% времени работы радиостанции на передачу, 5% работы на прием, 90% времени дежурный режим — время работы радиостанции составит не менее 15 часов. Чем ниже будет этот параметр у батареи, тем меньше она сможет проработать.

Следите за новостями в наших группах:

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.