Как устроен литий ионный аккумулятор: Что собой представляет и как работает литий-ионный аккумулятор

Литий ионный аккумулятор: конструкция, характеристики

Устройство и принцип работы литий ионного аккумулятораУстройство 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.

Содержание

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 батарейкиПальчиковые 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 батарейкиПальчиковые батарейки

  • на отрицательном электроде.

Пальчиковые батарейкиПальчиковые 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 батареиРазрез литий ионной батареи

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

Элементы литий ионной батареиЭлементы 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 характеристикиРазрядные 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 разрядовЗависимость 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 температурыЗависимость 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 батарейкиДве 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 батарейВиды 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.

 

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-akkumulyatorLitieviy-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-akkumulyatorLitieviy-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-akkumulyatorLitieviy-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-markirovkaLitieviy-akkumulyator-markirovka

Как устроен литиевый аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы — вид АКБ, чаще всего применяемый в следующих видах девайсов: смартфоны, планшеты, ноутбуки. Их часто используют в бытовой технике, электротранспорте — скутерах и велосипедах, в качестве накопителя в энергосистемах.

универсальная АКБ Li-ion 36В 10S4P (27-42В), 22А фото

Как устроены литий-ионные аккумуляторы

В аккумуляторах этого типа анодный и катодный материал наносят на фольгу, в первом случае медную, во втором — алюминиевую. Катодный материал включается в себя растворы литиевых солей двух видов кислот — никеля и кобальта. Гелеобразный электролит состоит из солей лития. Корпус аккумулятора герметичен, внутри его располагаются сепараторы и электроды, к корпусу присоединены клеммы. Важно понять, как устроен литиевый аккумулятор с точки зрения защиты от избыточного давления — в корпусе есть предохранительный клапан, открывающийся в случае аварийных ситуаций.

К числу преимуществ литий-ионных АКБ относятся большая ёмкость на единицу массы, благодаря чему они имеют скромный вес и объем, сравнительно со свинцовыми конкурентами. ВКПД устройства составляет от 94%, при эксплуатации АКБ не загрязняет окружающую среду, благодаря чему они соответствуют европейским стандартам. На сегодняшний день это самый дорогой вид из всех существующих на рынке АКБ (узнать о том, что такое LiFePO4, можно в предыдущей статье).

Как устроены Li-ion аккумуляторы — особенности конструкции

По принципу строения АКБ делятся на два вида: призматические и цилиндрические. Те модели, у которых электродные пластины складываются последовательно одна на другую, называются призматическими. Во втором варианте электроды сворачиваются в рулон, помещают в корпус из стали или алюминия, соединяющий их с отрицательным электродом.

Lithium Ion Battery — 850mAh фото

Большей плотности можно достичь при установке электродов в призматических моделях, но в таких устройствах сжимающие усилия на электроды поддерживать несколько сложней. В некоторых моделях призматических аккумуляторов используют рулонную сборку — в них электроды скручивают в спираль. Такой метод сборки позволяет объединить преимущества обоих видов АКБ.

Большинство Li-ion аккумуляторов, которые есть на современном рынке, — это модели призматические, поскольку их главное предназначение — снабжать электроэнергией телефоны, планшеты и ноутбуки. Конструкции данного вида АКБ не универсальны — как правило, производители девайсов против использования аккумуляторов других компаний.

Отдельной разновидностью Li-ion батарей являются те, оболочка которых сделана из ламинированной фольги. В такой батарее не используют корпус, а просто помещают её в пакет из фольги, который герметично запаивают.

Преимущества подобного конструкционного решения очевидны: более легкий вес и различные варианты формы и размеров.

У таких устройств токовыводы могут быть расположены с одной стороны или с противоположных. К их минусам относятся меньший температурный диапазон, а также более часто возникающая проблема вздутия.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей

BMS/PCM плата защиты 12 Вольт 3S 10 Ампер Li-ion фотоПонять, как устроены литий-ионные аккумуляторы, невозможно, если не разобраться в функционировании системы защиты. Очевиднее преимущество данного вида АКБ — он имеет самую совершенную систему защиты, состоящую из:

  1. ключа на полевом транзисторе;
  2. термопредохранителя;
  3. выключателя, контролирующего уровень давления.

Схема батареи предусматривает на полевом транзисторе ключ, прерывающий процесс заряда, если значение напряжения достигает 4,20В. Кроме этого, в конструкции предусмотрен термопредохранитель, разъединяющий цепь при нагреве устройства до 90 градусов Цельсия. Некоторые модели оснащены выключателем, разрывающим цепь при достижении давления 10,5 кг/м2 внутри корпуса.

В конструкции батареи предусмотрена защита от глубокого разряда, которая контролирует напряжение каждого элемента и разъединяет цепь при возникновении нагрузки 2,7В. Схема защиты срабатывает в двух случаях: при достижении верхнего и нижнего предела значений. Она является ограничением допустимого рабочего тока.

В Li-ion батареях с небольшой емкостью и мини-габаритами вместо схемы защиты используют предохранитель. Это позитивно сказывается на стоимости АКБ, но при использовании зарядных устройств с простой конструкцией может произойти перезаряд батареи, что выведет её из строя. Определить эту неисправность довольно легко: батарея перегревается и вздувается. Поиск лучшего материала для катода привел к появлению разных подвидов литиевых АКБ: литиево-марганцевые, литий-кобальтовые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и других. Разобравшись, как устроен литиевый аккумулятор, владелец сможет сделать правильный выбор при покупке. Приобрести комплектующие и батареи можно тут .

Результат — покупка модели, которая будет удовлетворять запросы и прослужит долгий период.

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. Что это, и как правильно эксплуатировать?

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня поговорим про литий ионный аккумулятор, узнаем что это такое и как  правильно эксплуатировать? И так…

Принцип работы любого электрического аккумулятора заключается в накоплении электрической энергии в процессе химической реакции, происходящей при протекании через аккумулятор зарядного электрического тока, и генерации электрической энергии при протекании разрядного тока в процессе обратной химической реакции.

Обратимость химической реакции в аккумуляторе позволяет многократно разряжать и заряжать аккумулятор. В этом и заключается преимущество аккумуляторов перед одноразовыми источниками тока, обычными батарейками, в которых возможен лишь разрядный ток.

В качестве среды для переноса заряда с одного электрода аккумулятора на другой, используется электролит – специальный раствор, благодаря химической реакции которого с материалом на электродах становятся возможными как прямая, так и обратная химические реакции в аккумуляторе, что и делает возможным как заряд аккумулятора, так и его разряд.

Устройство и принцип действия литий-ионного аккумулятора

Сегодня одним из наиболее перспективных типов аккумуляторов является литий ионный аккумулятор. В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) выступает алюминий, а в качестве положительного электрода (анода) – медь. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех:

  • кобальтат лития LiCoO2
  • литий-феррофосфат LiFePO4
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4

а на медную фольгу наносят графит.

Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

Литий ионный аккумулятор
   Литий-феррофосфат LiFePO4

Полимерные электролиты, способные внедрять в свой состав соли лития, в силу своей пластичности делают возможным изготовление литий-ионных аккумуляторов с большой внутренней поверхностью и почти любой формы, а это значительно повышает как технологичность производства, так и массогабаритные характеристики.

В процессе заряда такого аккумулятора, ионы лития перемещаются через электролит, и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде, образуя соединение графитит лития LiC6. При разряде происходит обратный процесс – от анода ионы лития движутся к катоду (окислителю), а во внешней цепи к катоду движутся электроны, в результате процесс приобретает электрическую нейтральность.

Литий ионный аккумулятор
   Устройство и принцип действия литий-ионного аккумулятора

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 вольта, однако разность потенциалов при зарядке может достигать 4,23 вольта. В связи с этим фактом, заряд производится при максимально допустимом напряжении не более 4,2 вольта.

Некоторые соединения лития могут легко возгораться, если напряжение превышено, поэтому в литий-ионные аккумуляторы, традиционно, встраиваются контроллеры уровня заряда, не допускающие превышения критического напряжения. Еще одним способом обеспечения безопасности является встроенный клапан для сбрасывания избыточного давления внутри пакета.

Литий ионные аккумуляторы уже заняли свое достойное место на рынке портативной бытовой техники. Это элементы питания сотовых телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, планшетов, плееров, и т.д.

Литий ионный аккумулятор
   Литий ионные аккумуляторы

Литий-феррофосфат LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. Кобальтат лития LiCoO2, в свою очередь, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения, ведь если из него извлечь литий полностью, то структура станет нестабильной, кобальт перейдет в степень окисления +4 и сможет окислить кислород, а выделяющийся атомарный кислород станет окислять электролит, и произойдет взрыв. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.

Литий-феррофосфат LiFePO4 был предложен в качестве катодного материала аккумуляторов для более мощных устройств в 1997 году Джоном Гуденафом.

Литий-феррофосфат есть в земной коре, и не создаст никаких экологических проблем в будущем. Из него не может выделяться кислород, так как он весь очень прочно связан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона. Однако, для возможности применения этого материала, его нужно было раздробить на мелкие частички, иначе он остался бы изолятором в силу очень малой проводимости. Частички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направления движения ионов лития, затем покрыли нанометровым слоем углерода.

Литий ионный аккумулятор
   Литий ионный аккумулятор для автомобиля

Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.

С точки зрения современной науки, разработка и выпуск даже портативного наноаккумулятора не заставит себя долго ждать, и слово лишь за широким технологическим внедрением разработок. Что касается перспектив электромобилей, то сейчас уже можно считать, что именно они станут основным видом транспорта в городах ближайшего будущего.

Правильная эксплуатация литий ионных аккумуляторов

Под правильной эксплуатацией литиевых аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Литий ионный аккумулятор
   Литий ионный аккумулятор для телефона

При правильной эксплуатации, литий ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литий ионный аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус. Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

Литий ионный аккумулятор

   Испорченный литий ионный аккумулятор

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Литий ионный аккумулятор

   Вовремя отключайте зарядное устройство

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Литий ионный аккумулятор

   Не допускайте глубокий разряд

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам.

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые самодельные индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно — повышать. Читайте нашу статью про беспроводные зарядки «Беспроводная зарядка для телефона. Как устроена и работает?«

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Литий ионный аккумулятор

   Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Литий ионный аккумулятор

   Имейте при себе резервный аккумулятор

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литий ионный аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:
  1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C
  2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В
  3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом
  4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB
  5. Иметь резервный аккумулятор

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Как устроен литий-ионный (Li-ion) аккумулятор. Как подобрать аккумулятор по размерам

   В кабинете патологоанатома. Вскрытие (разборка) литий-ионного аккумулятора.

   Сегодня на приёме у нашего патологоанатома - литий-ионный аккумулятор Nokia BL-5B из одноименного смартфона Nokia. Аккумулятор несколько лет прослужил верой и правдой, но некоторое время назад вспучился и перестал держать заряд. Царствие ему небесное!

   Воспользуемся этим несчастным случаем для пополнения копилки наших знаний об аккумуляторах. Многие интересуются, как устроен литий-ионный аккумулятор. Проведем разборку литий-ионного (Li-ion) аккумулятора.

   Так выглядит наш клиент спереди, сзади и со стороны контактов:

     

   Сделано в Европе (Венгрия), голограмма, все дела.

 

   Теперь - сдираем пластиковую обертку с маркировкой, и смотрим на голое тело клиента. Слабонервных, женщин и детей просим удалиться J.

   

  Литий-ионный аккумулятор представляет собой герметичную металлическую "банку" с заводской маркировкой; сверху находится пластиковая "крышка" с контактами, а снизу - чисто декоративная тонкая черная "подставка".

 

  Отдираем эти пластиковые детали, попутно разрывая контактные проводники. Они нам больше не пригодятся.

   

 

   А так выглядит "банка" аккумулятора сверху:

   

  В центре и справа банки - контакты; а слева, в виде овала с просечкой, - предохранительное "окно" (клапан). При повышении внутреннего давления оно должно лопнуть, тем самым предотвращая взрыв всего аккумулятора в целом.

  Теперь обращаем внимание, что баланс по количеству контактов - не сходится. К аккумулятору подходят 3 контакта, а к "банке" - только два! Куда делся ещё один?!

  А вот посмотрите на оторванную пластиковую "крышечку" аккумулятора:

   

   Обратите внимание на красную деталь с золотистым прямоугольником, расположенную справа. Это ни что иное, как термопереключатель (termoswitch). Вот к нему-то и идет третий (средний) контакт аккумулятора! Другим своим контактом термосвитч соединен с "минусом" аккумулятора.

 

   Этот термосвитч - простое механическое устройство. Внутри находится биметаллическая мембрана, которая при нагреве изгибается и замыкает контакты, сообщая тем самым "наружу" о перегреве аккумулятора.
   В нормальном положении контакты - разомкнуты. Поэтому при "прозвонке" контактов может показаться, что средний контакт аккумулятора ни с чем не соединён.

   Выламываем термосвитч и смотрим на его маркировку, расположенную на обратной стороне:

  

   Таким образом, установлен тип термосвитча - L82AY.

   Надо к этому добавить, что не все литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы построены по такой же схеме термозащиты. Некоторые аккумуляторы имеют не термопереключатель, а полноценный термодатчик, позволяющий измерить температуру аккумулятора. А некоторые - не имеют вообще никакого элемента контроля температуры. Такие аккумуляторы легко отличить по наличию только двух контактов на аккумуляторе (или двух проводов, идущих от аккумулятора).

 

   Далее - спиливаем верхнюю часть "банки", и смотрим, что там внутри:

  

   На этом фото видно, что в результате вспучивания аккумулятора отдельные слои "начинки" аккумулятора разошлись между собой.

   Теперь - окончательно раздираем "банку" и достаем её "начинку":

  

   "Начинка" аккумулятора представляет собой свернутые в рулон четыре ленты: алюминиевую фольгу со слоем пористого углерода (положительный электрод), медную фольгу (отрицательный электрод, тоже со слоем пористого углерода) и два слоя мембраны-разделителя, "прозрачного" для ионов лития. Эта конструкция очень сильно напоминает конструкцию "классического" электролитического конденсатора. Кто разбирал их - тот подтвердит, а кто не разбирал - лучше этого и не делайте: некоторые виды электролитов вредны для здоровья.

  В некоторых местах межвиткового пространства заметны повреждения с вкраплениями мелких белых хлопьев:

  

  

   Далее - полностью разматываем рулон аккумулятора:

  

   Длина рулона оказалась чуть менее 50 см. Видимо, в "их" единицах измерения длина должна была составлять ровно 20 дюймов.

   Итак, пора огласить итоги и выводы.

   Наш покойный пациент всю жизнь проработал в одном и том же смартфоне, и потому никогда не имел возможности нарушить режим эксплуатации. Тем не менее, и его настиг неизбежный конец в виде выхода из строя.

   Таким образом, констатируем, что устройства со съемными аккумуляторами имеют преимущество перед устройствами с несъемными аккумуляторами. У последних, чтобы решить проблему с аккумулятором, для замены придется обратиться в сервис-центр (или помучиться самому с риском полностью испортить устройство). А у первых - просто вытащить старый и вставить новый аккумулятор.

 

   Дополнение: как подобрать аккумулятор по размерам

   В большинстве случаев для подбора аккумулятора достаточно в поисковике (или на интернет-площадках: Яндекс.Маркет, Алиэкспресс и т.д.) наименование устройства, для которого Вам нужно подобрать аккумулятор, например: "Аккумулятор для смартфона Superpuper FSB-2020 Plus".

  Но в некоторых случаях такой поиск не помогает, поскольку в устройстве установлен не специфический аккумулятор, изготовленный специально для него, а просто подходящий серийно выпускаемый "универсальный" аккумулятор.

   В этом случае задача сводится к банальному подбору нужного аккумулятора по размерам.

   Обычно размер аккумулятора указывается на нём самом в виде группы цифр непонятного назначения:

   Например, на этом аккумуляторе стоят цифры: 4052140. Вот в них и зашифрованы размеры аккумулятора, но только не так, как у нас принято (Длина - Ширина - Высота), а в обратном порядке (Высота - Ширина - Длина).

   Причём высота зашифрована в десятых долях миллиметра, а все остальные размеры - в миллиметрах.

   Таким образом, размеры этого аккумулятора составляют 4 мм (высота) x 52 мм (ширина) x 140 мм (длина).

   В поиске (например, на Алиэкспресс) можно сразу вводить эту последовательность цифр: "аккумулятор 4052140".

   Если требуемого аккумулятора нет (например, уже снят с производства), то для его замены можно подобрать другой, чуть меньший по габаритам.

   В редких случаях аккумулятор может быть совсем "голым" (без обозначений). В этом случае его надо просто замерить и от этого исходить в поисках.

   В обозначениях размера аккумулятора есть "тонкость": если обозначение размера начинается с нуля, то высота обозначена не в десятых долях миллиметра, а в миллиметрах. Кстати, обозначение высоты всегда занимает 2 знака. А величины ширины и длины могут быть как 2-значными, так и 3-значными (необходимо подходить творчески в соответствии с реально имеющимся аккумулятором).

 

   Вскрытие проводил
   Ваш Доктор.
   03.12.2015

   Другие статьи цикла "Как устроен смартфон":

 - Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

 - Что такое USB OTG в смартфоне и планшете?

 - Навигация (GPS, ГЛОНАСС и др.) в смартфонах и планшетах. Источники ошибок. Методы тестирования.

 - Вскрытие (разборка) камеры смартфона. Устройство камеры смартфона (мобильного телефона).

 - Съемка камерой мобильного телефона (смартфона). Параметры камер мобильных телефонов. Основные характеристики, проблемы и примеры дефектов на снимках. Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

 - Фотосъемка в режиме HDR (High Dynamic Range) в смартфоне. Что это такое, какая польза и когда можно использовать?

 

Как работает литиевый (литий-ионный) аккумулятор?

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
Опубликовано 29.03.2016 22:48
Автор: Abramova Olesya

Пионером разработки литий-содержащих батарей считается Г. Н. Льюис, сделавший первые исследования в этой сфере в далеком 1912 году. Но только в 1970-х технологии продвинулись настолько, что позволили создать первую коммерчески оправданную неперезаряжаемую литиевую батарею. Попытки разработать перезаряжаемую версию предпринимались в 1980-х, но из-за нестабильности металлического лития претерпели неудачу. (Металл-литиевая батарея использует литий в качестве анода, а литий-ионная - графит, активный же материал находится в ней на катоде).

Литий является самым легким из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую удельную энергоемкость на единицу веса. Аккумуляторные батареи с литиевым анодом могут обеспечивать чрезвычайно высокую плотность энергии, но в середине 1980-х было обнаружено, что циклический режим работы приводит к образованию дендритов на аноде. Эти нежелательные образования могут проникать в сепаратор и приводить к короткому замыканию. При этом будет быстро расти температура ячейки и литий расплавится, что приведет к возгоранию или даже взрыву. Большинство батарей с металлическим литием были отозваны после случаев нанесения ожогов людям.

Присущая металлическому литию неустойчивость, особенно во время зарядки, привела к поиску неметаллических решений с использованием ионов лития. Уже в 1991 году корпорация Sony выпустила первую коммерческую версию литий-ионного аккумулятора, и сейчас эта электрохимическая система является наиболее перспективной и быстрорастущей на рынке. Хотя, в сравнении с литий-металлической батареей, литий-ионная имеет более низкую удельную энергоемкость, она безопаснее (при условии соблюдения значений напряжения и предельного тока). (Смотрите: Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов).

Заслуга изобретения литий-кобальт-оксидной батареи, прообраза современной литий-ионной, должна принадлежать Джону Б. Гудэнафу (родился в 1922 году). Говорят, что во время своих исследований, он бы нанят кампанией Nippon Telegraph and Telephone (NTT), работая на нее в США и Японии. Когда в 1991 году корпорация Sony запатентовала литий-кобальт-оксидную батарею, обнаружилось, что в ней использовались наработки Гудинэфа, но ему не удалось в судебном порядке доказать свою причастность к этому изобретению. В 2014 году, в честь признания заслуг в разработке литий-ионных батарей, он был награжден премией Национальной Инженерной Академии США. В 2015 году Израиль наградил Гудэнафа грантом в 1 миллион долларов США, которые тот пожертвовал Техасскому Университету на научные изыскания.

Ключевой момент прекрасного показателя удельной энергоемкости кроется в высоком напряжении ячейки аккумулятора — 3,60 В. Развитие и улучшение активных веществ и электролита открывают потенциал для дальнейшего увеличения плотности энергии. Нагрузочные характеристики крайне хороши, кривая разряда батареи указывает на эффективное использование накопленной энергии в широком диапазоне напряжений - от 3,70 до 2,80 В на ячейку.

В 1994 году себестоимость литий-ионной ячейки типоразмера 18650 (цилиндр 65 мм длиной и 18 мм в диаметре) была $10, а емкость составляла 1100 мАч. В 2001 году цена опустилась до $3, а емкость возросла до 1900 мАч. Сегодня же емкость высокоэнергетичных моделей типоразмера 18650 доходит до 3000 мАч, а затраты на производство снизились еще более. Снижение затрат, повышение удельной энергоемкости и отсутствие в составе токсичных материалов открыли путь литий-ионной электрохимической системе для становления в общепринятый формат аккумуляторов, используемых в портативных устройствах, тяжелой промышленности, электротранспорте и спутниках. (Смотрите: История форматов и типоразмеров электрических батарей).

Литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в обслуживании, и это дает им преимущество, которым большинство других электрохимических систем не может похвалиться. Им не присущ эффект “памяти”, соответственно, отпадает необходимость в периодическом полном разряде для поддержания максимальной емкости. Саморазряд в разы меньше показателей батарей на основе никеля, что облегчает работу систем индикации уровня заряда. Номинальное напряжении ячейки в 3,6 В позволяет непосредственно питать мобильные телефоны, планшеты и цифровые камеры, позволяя сократить расходы на конструкции. Недостатком является необходимость встраивания системы защиты, что влияет на конечную цену аккумулятора.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Как и все электрические батареи, литий-ионная состоит из катода (положительный электрод), анода (отрицательный электрод) и электролита в качестве проводника. Катод представляет собой оксид металла, а анод состоит из пористого углерода. Во время разряда ионы движутся от анода к катоду через электролит и сепаратор, при заряде же процесс меняет направление на противоположное - ионы теперь текут от катода к аноду. На рисунке 1 показан этот процесс.

Ионный поток литий-ионного аккумулятора

Рисунок 1: Ионный поток литий-ионного аккумулятора. При заряде и разряде ячеек ионы курсируют между катодом (положительный электрод) и анодом (отрицательный электрод). При разряде на аноде происходит окислительный процесс, или потеря электронов; на катоде в то же время происходит восстановительный процесс, или присоединение электронов. При зарядке процессы меняются местами.

Существует много видов литий-ионных батарей, но все они имеют общую черту - модный термин “литий-ионный” в названии. Несмотря на то, что они поразительно похожи на первый взгляд, эти батареи различаются по производительности и выбору активного вещества, которое и определяет их уникальные особенности. (Смотрите: Виды литий-ионных аккумуляторов).

Оригинальный литий-ионный аккумулятор Sony использовал кокс (материал на основе углерода) в качестве анода. Начиная с 1997 года большинство производителей, в том числе и Sony, перешли на графит для достижения пологой кривой разряда. Графит является формой углерода, которая имеет долговременный цикл стабильности и используется, например, как грифель в карандашах. Это наиболее распространенный углеродный материал после жестких и мягких углеродов. Нанотрубки на основе углерода до сих пор не нашли своего применения в коммерческих моделях литий-ионных аккумуляторов, поскольку они, как правило, имеют сложную структуру и влияют на производительность. Материал, на который возлагаются большие надежды и благодаря которому надеются повысить производительность, - графен.

кривые напряжения при разряде современного литий-ионного аккумулятора

На рисунке 2 показаны кривые напряжения при разряде современного литий-ионного аккумулятора и его ранней версии с анодом из кокса.

Для повышения производительности графитового анода, в его состав могут быть добавлены различные примеси, в том числе и на основе кремниевых сплавов. Молекулярная структура графита такова, что с одним ионом лития взаимодействуют шесть атомов углерода, один же атом кремния взаимодействует с четырьмя ионами лития. Это означает, что кремниевый анод теоретически может хранить в десять раз больше энергии в сравнении с графитовым, но у него есть недостаток - расширение во время заряда. Поэтому из соображений стабильности в состав анода добавляется только определенное количество кремния.

Использование наноструктурированного литий-титаната в качестве анодной примеси показывает многообещающие показатели количества жизненных циклов, хорошие нагрузочные возможности, отличную производительность при низких температурах и высокую безопасность, но имеются и недостатки - низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость.

Эксперименты с материалами для анода и катода позволяют производителям усиливать определенные характеристики батареи, но повышение одних параметров приводит к ослаблению других. Существуют разные модели аккумуляторов, оптимизированные под определенную специфику работы. Например, есть специальные литий-ионные аккумуляторы с большой емкостью для увеличения времени автономной работы, а есть и с повышенным значением удельной мощности, где емкость не играет первоочередную роль. Существуют и гибридные модели, где соблюден баланс между характеристиками. (Смотрите: Базовые знания о разряде электрохимического источника тока).

Для достижения высокой удельной энергоемкости и уменьшения себестоимости можно заменить кобальт более дешевым никелем, но это скажется на стабильности батареи. И если для новых компаний, которые только выходят на рынок литий-ионных аккумуляторных батарей, включение в состав никеля выглядит допустимым, то солидные производители делают упор на безопасность и долговечность батареи. В таблице 3 приведены преимущества и недостатки литий-ионной электрохимической системы.

Преимущества Высокая удельная энергоемкость и высокие нагрузочные характеристики
Долгий срок службы; необслуживаемые
Высокая производительность, низкое внутреннее сопротивление, хорошая кулоновская эффективность
Простой алгоритм и достаточно короткое время зарядки
Низкий саморазряд (более чем в два раза меньше показателя NiCd и NiMH)
Недостатки Необходимость во встроенной системе защиты
Деградационные процессы при высоких значениях температуры и напряжения
Необходимость в дополнительном обогреве при низких температурах зарядки
Специальные регламентирующие правила при транспортировке в больших количествах

Таблица 3: Преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов.

Последнее обновление 2016-02-16

Как работают литий-ионные аккумуляторы | HowStuffWorks

Литиево-ионные аккумуляторы

бывают разных форм и размеров, но внутри они выглядят примерно одинаково. Если бы вы разобрали аккумуляторную батарею ноутбука (что мы НЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания батареи и начала пожара), вы найдете следующее:

  • Литиево-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими батареями, которые выглядят почти идентичными элементам АА, либо они могут быть призматическими , что означает, что они квадратные или прямоугольные. Компьютер, который содержит:
  • Одна или несколько температур датчики для контроля температуры аккумулятора
  • Преобразователь напряжения и схема регулятора напряжения для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
  • Экранированный разъем ноутбука , который позволяет источнику питания и информации поступать и выходить из аккумулятора
  • A отвод напряжения , который контролирует энергетическую емкость отдельных элементов в блоке батарей
  • Монитор состояния зарядки аккумулятора , представляющий собой небольшой компьютер, который выполняет весь процесс зарядки, чтобы обеспечить максимально быструю и полную зарядку аккумуляторов.

Если аккумулятор заряжается во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться остудить предметы. Если вы оставляете свой ноутбук в очень горячей машине и пытаетесь использовать ноутбук, этот компьютер может не дать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы будут полностью разряжены, батарейный блок отключится, потому что элементы разрушены. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы измеритель батареи ноутбука мог сказать вам, сколько заряда осталось в батарее.

Это довольно сложный маленький компьютер, который питается от батарей. Такое энергопотребление является одной из причин того, что литий-ионные аккумуляторы теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц в режиме ожидания.

литий-ионные клетки

Как и у большинства батарей, у вас есть внешний корпус из металла. Использование металла особенно важно здесь, потому что аккумулятор находится под давлением. Этот металлический корпус имеет своего рода чувствительное к давлению вентиляционное отверстие .Если батарея когда-либо станет настолько горячей, что она может взорваться от избыточного давления, это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление. Батарея, вероятно, будет бесполезна, так что этого следует избегать. Вентиляция строго там в качестве меры безопасности. Так же как и с положительным температурным коэффициентом (PTC) , устройство, которое должно предохранять аккумулятор от перегрева.

Этот металлический корпус содержит длинную спираль, состоящую из трех тонких листов, спрессованных вместе:

  • A Положительный электрод
  • A Отрицательный электрод
  • Сепаратор

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит.Эфир является одним из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист микроперфорированного пластика. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через них.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO 2 . Отрицательный электрод выполнен из углерода. Когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному электроду и присоединяются к углероду.Во время разряда ионы лития возвращаются в LiCoO 2 из углерода.

Движение этих ионов лития происходит при довольно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка вырабатывает 3,7 вольта. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычной щелочной батареи типа АА, которую вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные аккумуляторы более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. Посмотрите, как Батареи Работают для деталей о различных химических батареях.

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионной батареи, и выясним, почему они могут взорваться дальше.

,

Как работают литий-ионные аккумуляторы | HowStuffWorks

Литиево-ионные аккумуляторы

бывают разных форм и размеров, но внутри они выглядят примерно одинаково. Если бы вы разобрали аккумуляторную батарею ноутбука (что мы НЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания батареи и начала пожара), вы найдете следующее:

  • Литиево-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими батареями, которые выглядят почти идентичными элементам АА, либо они могут быть призматическими , что означает, что они квадратные или прямоугольные. Компьютер, который содержит:
  • Одна или несколько температур датчики для контроля температуры аккумулятора
  • Преобразователь напряжения и схема регулятора напряжения для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
  • Экранированный разъем ноутбука , который позволяет источнику питания и информации поступать и выходить из аккумулятора
  • A отвод напряжения , который контролирует энергетическую емкость отдельных элементов в блоке батарей
  • Монитор состояния зарядки аккумулятора , представляющий собой небольшой компьютер, который выполняет весь процесс зарядки, чтобы обеспечить максимально быструю и полную зарядку аккумуляторов.

Если аккумулятор заряжается во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться остудить предметы. Если вы оставляете свой ноутбук в очень горячей машине и пытаетесь использовать ноутбук, этот компьютер может не дать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы будут полностью разряжены, батарейный блок отключится, потому что элементы разрушены. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы измеритель батареи ноутбука мог сказать вам, сколько заряда осталось в батарее.

Это довольно сложный маленький компьютер, который питается от батарей. Такое энергопотребление является одной из причин того, что литий-ионные аккумуляторы теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц в режиме ожидания.

литий-ионные клетки

Как и у большинства батарей, у вас есть внешний корпус из металла. Использование металла особенно важно здесь, потому что аккумулятор находится под давлением. Этот металлический корпус имеет своего рода чувствительное к давлению вентиляционное отверстие .Если батарея когда-либо станет настолько горячей, что она может взорваться от избыточного давления, это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление. Батарея, вероятно, будет бесполезна, так что этого следует избегать. Вентиляция строго там в качестве меры безопасности. Так же как и с положительным температурным коэффициентом (PTC) , устройство, которое должно предохранять аккумулятор от перегрева.

Этот металлический корпус содержит длинную спираль, состоящую из трех тонких листов, спрессованных вместе:

  • A Положительный электрод
  • A Отрицательный электрод
  • Сепаратор

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит.Эфир является одним из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист микроперфорированного пластика. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через них.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO 2 . Отрицательный электрод выполнен из углерода. Когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному электроду и присоединяются к углероду.Во время разряда ионы лития возвращаются в LiCoO 2 из углерода.

Движение этих ионов лития происходит при довольно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка вырабатывает 3,7 вольта. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычной щелочной батареи типа АА, которую вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные аккумуляторы более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. Посмотрите, как Батареи Работают для деталей о различных химических батареях.

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионной батареи, и выясним, почему они могут взорваться дальше.

,

Как продлить литиевые батареи

Узнайте, что приводит к старению Li-ion и что может сделать пользователь батареи, чтобы продлить срок его службы.

Исследования аккумуляторов настолько сосредоточены на химии лития, что можно себе представить, что будущее аккумуляторов лежит исключительно на литии. Есть веские основания для оптимизма, поскольку литий-ионный во многих отношениях превосходит другие химические препараты. Приложения растут и выходят на рынки, которые ранее были прочно удержаны свинцовой кислотой, например, в режиме ожидания и выравнивания нагрузки.Многие спутники также питаются от Li-ion.

Литий-ионный еще не полностью созрел и все еще совершенствуется. Заметные успехи были достигнуты в долговечности и безопасности, в то время как емкость увеличивается постепенно. Сегодня Li-ion отвечает ожиданиям большинства потребительских устройств, но приложения для электромобилей нуждаются в дальнейшем развитии, прежде чем этот источник питания станет общепринятой нормой.

Как помощник по уходу за батареей, у вас есть выбор, как продлить срок службы батареи. Каждая аккумуляторная система имеет уникальные потребности в отношении скорости зарядки, глубины разряда, нагрузки и воздействия неблагоприятных температур.Проверьте, что вызывает потерю емкости, как повышение внутреннего сопротивления влияет на производительность, что делает повышенный саморазряд и насколько низко может разрядиться аккумулятор? Вы также можете быть заинтересованы в основах тестирования батареи.

BU-415: как заряжать и когда заряжать?
BU-706: краткое изложение того, что можно и чего нельзя делать

Что вызывает литий-ионный возраст?

Литий-ионный аккумулятор работает на движение ионов между положительным и отрицательным электродами.Теоретически такой механизм должен работать вечно, но цикличность, повышенная температура и старение снижают производительность с течением времени. Производители придерживаются консервативного подхода и указывают, что срок службы литий-иона в большинстве потребительских товаров составляет от 300 до 500 циклов разрядки / зарядки.

Оценка срока службы батареи по счетным циклам не является окончательной, поскольку разрядка может варьироваться по глубине и нет четко определенных стандартов того, что составляет цикл (см. BU-501: Основы разрядки).Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств предлагают замену батареи на отметке даты, но этот метод не учитывает использование. Батарея может выйти из строя в течение отведенного времени из-за интенсивного использования или неблагоприятных температурных условий; однако, большинство упаковок длится значительно дольше, чем указано на марке.

Производительность батареи измеряется емкостью, что является основным показателем работоспособности. Внутреннее сопротивление

.
Как работают литий-ионные аккумуляторы? | Промышленная литий-ионная батарея Toshiba SCiB ™ SIP Series

Что такое литий-ионный аккумулятор? Какие функции у него есть?

Литий-ионная батарея - это тип перезаряжаемой батареи, которая заряжается и разряжается ионами лития, движущимися между отрицательным (анодным) и положительным (катодным) электродами. (Обычно батареи, которые можно заряжать и разряжать несколько раз, называются вторичными батареями, тогда как одноразовые батареи называются первичными батареями.)
Поскольку литий-ионные аккумуляторы подходят для хранения энергии большой емкости, они используются в широком спектре приложений, включая бытовую электронику, такую ​​как смартфоны и ПК, промышленные роботы, производственное оборудование и автомобили.

  • О, правда? Аккумуляторы для смартфонов! Литий-ионные аккумуляторы используются
    в знакомых продуктах, не так ли? Кстати, что такое литий?

  • Литий - это металл, найденный в естественной среде
    .Вы помните периодическую таблицу
    элементов, таких как мантра?
    Harry He Likes Beer But Can Not Obtain Food♪

Все литий-ионные аккумуляторы имеют одинаковую производительность?

А. Литий-ионные аккумуляторы делятся на различные виды в зависимости от размера, формы, материала, используемого для положительного и отрицательного электродов, и так далее.
Промышленная литий-ионная батарея Toshiba SCiB ™ использует оксид лития-титана на отрицательном электроде и обеспечивает длительный срок службы, быструю зарядку, высокие характеристики входной / выходной мощности, отличную работу при низких температурах и широкий эффективный диапазон SOC.

  • Каждый литий-ионный аккумулятор отличается!
    Убедитесь, что вы получите именно тот, который вам нужен.

Как литий-ионные аккумуляторы накапливают энергию?

Литий-ионная батарея состоит из 1) анода и катода; 2) разделитель между двумя электродами; и 3) электролит, который заполняет оставшееся пространство батареи. Анод и катод способны хранить ионы лития. Энергия накапливается и высвобождается при прохождении ионов лития между этими электродами через электролит.

При накоплении энергии (т.е. во время зарядки)
Harry He Likes Beer But Can Not Obtain Food♪
  • 1. Зарядное устройство передает ток на аккумулятор.
  • 2. Ионы лития движутся от катода к аноду через электролит.
  • 3. Батарея заряжается от разности потенциалов между двумя электродами.
при использовании энергии (т.е.во время выгрузки)
Harry He Likes Beer But Can Not Obtain Food♪
  • 1. Между анодом и катодом образуется разрядная цепь.
  • 2. Ионы лития, хранящиеся в аноде, движутся к катоду.
  • 3. Энергия используется.
  • Аккумулятор
    можно заряжать и разряжать много раз за счет движения ионов лития.

  • Мистер Литий - трудолюбивый, курсирующий взад и вперед!
    Ему нужны инновации в стиле работы!

Как литий-ионные аккумуляторы отличаются от свинцово-кислотных?

Как правило, литий-ионные аккумуляторы легче и могут заряжаться быстрее, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.
А литий-ионные аккумуляторы более экологичны, поскольку не содержат никаких веществ с высокой нагрузкой на окружающую среду.

  • Моя свинцово-кислотная батарея тоже удобна ...
    Кроме того, свинцово-кислотные батареи дешевле. Я использую их десятилетиями.

  • Верно. Трудно сказать, какой из них лучше. Все зависит от вашего приложения
    , окружающей среды, материала и так далее.
    Вот почему вам нужно учиться и выбрать правильный аккумулятор для вас.

  • Правильный аккумулятор для меня ... Как романтично!
    Теперь я хочу узнать больше о литий-ионных батареях.

  • Хорошо! Во втором периоде я научу вас, как
    выбрать правильный для вас. Быть в курсе!

,

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *