Читая "советы по эксплуатации" аккумуляторов на форумах невольно задумываешься - то ли люди физику с химией в школе прогуливали, то ли думают что правила эксплуатации свинцовых и ионных аккумуляторов одинаковые.
Начнем пожалуй с принципов работы Li-Ion аккумулятора. На пальцах все предельно просто - есть отрицательный электрод (сделаный обычно из меди), есть положительный (из алюминий), между ними находится пористое вещество (сепаратор), пропитанный электролитом (он предотвращает "самовольный" переход ионов лития между электродами):

Принцип работы основан на возможности ионов лития встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов - обычно графита или оксида кремния - с образованием химических связей: соответственно при зарядке ионы встраиваются в кристаллическую решетку, тем самым накапливая заряд на одном электроде, при разрядке соответственно переходят обратно к другому элетроду, отдавая нужный нам электрон (кому интересно более точное объяснение происходящих процессов - гуглим интеркаляцию). В качестве электролита используются водосодержащие растворы, не содержащие свободного протона и устойчивые в широком диапазоне напряжений. Как видно в современных аккумуляторах все сделано достаточно безопасно - металлического лития нет, взрываться нечему, по сепаратору бегают только ионы.
Теперь, когда с принципом работы все стало более-менее понятно, перейдем к самым распростаренным мифам о Li-Ion аккумуляторах:

1. Миф первый. Li-Ion аккумулятор в устройстве нельзя разряжать до нуля процентов.
   На деле все звучит правильно и согласуется с физикой - при разрядке до ~2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится - при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже ~3 В "умный" контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все - аккумулятор можно нести на помойку.
   Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до "критических" 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому "разряженному" аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.
2. Миф второй. При повреждении Li-Ion аккумуляторы взрываются.
   Все мы помним "взрывной" Samsung Galaxy Note 7. Однако это скорее исключение из правил - да, литий очень активный металл, и взорвать его в воздухе нетрудно (а в воде он и сам очень ярко горит). Однако в современных аккумуляторах используется не литий, а его ионы, которые куда менее активны. Так что чтобы произошел взрыв нужно сильно постараться - или повредить заряжающийся аккумулятор физически (устроить короткое замыкание), или заряжать очень высоким напряжением (тогда он сам повредится, однако скорее всего контроллер банально сгорит сам и не даст заряжать аккумулятор). Поэтому если у вас вдруг в руках оказался поврежденный или дымящийся аккумулятор - не стоит бросать его на стол и убегать из комнаты с криками "мы все умрем" - просто положите его в металлическую тару и вынесите на балкон (чтобы не дышать химией) - аккумулятор будет тлеть какое-то время и потом потухнет. Главное - не заливать водой, ионы конечно менее активные чем литий, но все же какое-то количество водорода при реакции с водой так же выделится (а он любит взрываться).
3. Миф третий. При достижении на Li-Ion аккумуляторе 300(500/700/1000/100500) циклов он становится небезопасен и его нужно срочно менять.
   Миф, к счастью все меньше и меньше гуляющий по форумам и не имеющий под собой вообще никакого физического или химического объяснения. Да, во время эксплуатации электроды окисляются и коррозируют, что уменьшает емкость аккумулятора, но ничем кроме меньшего времени автономной работы и нестабильного поведения на 10-20% заряда это вам не грозит.
4. Миф четвертый. С Li-Ion аккумуляторами нельзя работать на морозе.
   Это скорее рекомендация, чем запрет. Многие производители запрещают использовать телефоны при отрицательное температуре, да и многие сталкивались с быстрым разрядом и вообще отключением телефонов на холоде. Объяснение этому очень простое: электролит - это водосодержащий гель, а что происходит с водой при отрицательных температурах все знают (да, она замерзает если что), тем самым выводя некоторую область аккумулятора из работы. Это приводит к падениею напряжения, а контроллер начинает считать это разрядкой. Аккумулятору это не полезно, но и не смертельно (после нагрева емкость вернется), так что если вам позарез нужно пользоваться телефоном в мороз (именно пользоваться - достать из теплого кармана, посмотреть время и спрятать назад не считается) то лучше зарядите его на 100% и включите любой процесс, нагружающий процессор - так охлаждение будет происходить медленнее.
5. Миф пятый. Вздувшийся Li-Ion аккумулятор опасен, его нужно срочно выкинуть.
   Это не совсем миф, скорее предосторожность - вздувшийся аккумулятор может банально лопнуть. С химической точки зрения все просто: при процессе интеркаляции происходит разложение электродов и электролита, в результате чего выделяется газ(так же он может выделяться и при перезарядке, но об этом чуть ниже). Но его выделяется крайне мало, и чтобы аккумулятор казался вздутым должно пройти несколько тсотен (если не тысяч) циклов перезарядки (если конечно он не бракованный). Проблем избавиться от газа нет - достаточно проткнуть клапан (в некоторых аккумуляторах он сам открывается при избыточном давлении) и стравить его (дышать им не рекомендую), после чего можно замазать дырку эпоксидной смолой. Конечно былую емкость это аккумулятору не вернет, но хотя бы теперь он точно не лопнет.
6. Миф шестой. Li-Ion аккумуляторам вреден перезаряд.
   А вот это уже не миф, а суровая реальность - при перезарядке велик шанс что аккумулятор вздуется, лопнет и загорится - поверьте, мало удовольствия быть забрызганным кипящим электролитом. Поэтому во всех аккумуляторах стоят контроллеры, банально не дающие зарядить аккумулятор выше определенного напряжения. Но тут надо быть крайне осторожным в выборе аккумулятора - контроллеры китайских поделок зачастую могут сбоить, а фейерверк из телефона в 3 часа ночи думаю вас не обрадует. Разумеется, такая же проблема есть и в брендовых аккумуляторах, но во-первых там такое случается гораздо реже, а во-вторых вам по гарантии поменяют весь телефон. Обычно этот миф порождает следующий:
7. Миф седьмой. При достижении 100% нужно снимать телефон с зарядки.
   Из шестого мифа это кажется разумным, но на деле нет смысла вставать посреди ночи и снимать устройство с зарядки: во-первых сбои контроллера крайне редки, а во-вторых даже при достижении 100% на индикаторе аккумулятор еще некоторое время дозаряжается до самого-самого максимума низкими токами, что добавляет еще 1-3% емкости. Так что на деле не стоит так сильно перестраховываться.
8. Миф восемь. Заряжать устройство можно только оригинальным зарядником.
   Миф имеет место быть по причине некачественности китайских зарядников - при нормальном напряжении в 5 +- 5% вольт они могут выдавать и 6, и 7 - контроллер, конечно, какое-то время будет сглаживать такое напряжение, однако в будущем оно в лучшем случае приведет к сгоранию контроллера, в худшем - к взрыву и (или) выходу из строя материнской платы. Бывает и обратное - под нагрузкой китайский зарядник выдает 3-4 вольта: это приведет к тому что аккумулятор не сможет зарядиться полностью.

Как видно из целой кучи заблуждений далеко не все имеют под собой научное объяснение, и еще меньше реально ухудшают характеристики аккумуляторов. Но это не значит что после прочтения моей статьи нужно бежать сломя голову и покупать дешевые китайские аккумуляторы за пару баксов - все-же для долговечности лучше взять или оригинальные, или качественные копии оригинальных.

Большинство современных электронных устройств, таких как ноутбук, телефон или плеер, комплектуются литий ионными аккумуляторами, которые выступают автономными источниками питания. Данные ионные батареи были разработаны сравнительно недавно, но благодаря своим характеристикам завоевали большую популярность среди конструкторов и производителей гаджетов. Сейчас, кроме различных бытовых приборов, такими источниками питания оснащены многие инструменты для отделки и ремонта, шуруповерты или отрезные машинки. В данной статье рассмотрены виды литий ионных аккумуляторов, сферы их применения и принцип работы.

Виды литий ионных аккумуляторов

Аккумуляторные батареи, работающие по принципу накапливания энергии и выдачи ее на потребляемый прибор, бывают нескольких видов, которые можно объединить в один литий ионных блок. К таким батареям относятся:

1. Литий кобальтовый аккумулятор. Такой прибор состоит из графитового анода и катода, изготовленных из оксида кобальта. Катод имеет пластинчатое строение с зазорами между деталями, поэтому при потреблении питания ионы лития подаются на пластины от анода, возникает электромагнитная реакция, и на клеммы поступает напряжение. Минусом такой системы является слабая устойчивость механизма к перепадам температуры, так как при отрицательных показателях происходит разрядка батареи, даже если она не подключена к потребителю. Во время подзарядки изделия направление тока меняется, и ионы лития поступают через катоды на аноды, происходит их накопление, и напряжение повышается. Категорически запрещается подключать зарядное устройство к батарее, номинальное напряжение которого выше показателя детали, в противном случае аккумулятор может перегреться, пластины расплавятся, а корпус треснет;
2. Литий марганцевая батарея. Также относится к литий ионным аккумуляторам, рабочая среда которых изготовлена из марганцевой шпинели в виде трехмерных крестообразных тоннелей. В отличие от кобальтовой системы, такой тип основы обеспечивает беспрепятственное прохождение ионов лития от анода до катода и далее на контакты прибора. Основным преимуществом литий ионного марганцевого аккумулятора является низкое сопротивление материала, поэтому такие АКБ часто используются для гибридного автотранспорта, инструмента, потребляющего большое количество тока, или в медицинском оборудовании, работающем автономно. Допускается нагрев батареи во время подзарядки до 80 градусов, а номинальный ток может быть до 20-30 Ампер. Не рекомендуется воздействовать на АКБ током, напряжение которого выше 50А, более двух секунд, иначе шпинели могут перегреться и выйти из строя;

1. Литий ионные аккумуляторные батареи с железо-фосфатным катодом. Такая батарея встречается редко из-за сравнительно высокой стоимости производства, ее конечная цена немного выше, чем у других литий ионных аккумуляторов. Фосфатный катод имеет большое преимущество: это срок службы изделия и значительно превосходящая аналогичные приборы периодичность подзарядки. Чаще всего данные АКБ имеют гарантию от 10 до 50 лет или около 500 циклов зарядки. Благодаря таким показателям, батареи с фосфатом железа часто применяются в промышленности, когда необходимо получить высокое напряжение на выходе;
2. Литий никель марганец кобальт оксидные ионные аккумуляторные батареи. Это самая практичная, с точки зрения стоимости производства и надежности готового изделия, комбинация материалов для изготовления катода. Благодаря электрохимическим свойствам перечисленных веществ, выполненный из них катод обладает низкими показателями сопротивления, поэтому во время долгого простоя батареи, разряжение будет минимальными. Также с помощью увеличения размера стакана или ячейки катода можно повысить общую емкость аккумулятора или увеличить напряжение тока. Секрет кроется в сочетании марганца и никеля, которое при правильном комбинировании создает цепочку с высокими показателями электрохимических свойств;
3. Литий титанатный аккумулятор. Разработан в начале 80-х годов, в отличие от ионных батарей с графитовым сердечником, катод этого прибора изготавливается из нанокристаллов титаната лития. Катод из этого материала позволяет осуществлять подзарядку батареи за короткий промежуток времени и сохранять напряжение с нулевым сопротивлением. Данный агрегат часто используется в автономных системах уличного освещения, когда за короткий срок необходимо накопить энергию и отдавать ее на потребителя долгое время. Минусом такой системы является сравнительно высокая стоимость готового аккумулятора, но она быстро окупается за счет повышенного срока эксплуатации детали.

Важно! Все перечисленные литий ионные батареи относятся к не обслуживаемым аккумуляторам, поэтому в случае повреждения или выхода из строя отремонтировать или выполнить сервисные работы по добавлению электролита не получится. Любые манипуляции по вскрытию крышки АКБ приведут к разрушению пластин батареи и полному выходу из строя.

Принцип работы литий ионных батарей

Все литий ионные аккумуляторы имеют схожую структуру, которая имеет несколько незначительных отличий, не влияющих на принцип работы детали. Наружная оболочка изготавливается из композитного материала, пластика или тонкого цветного металла, что встречается очень редко. Чаще всего, аккумулятор состоит из пластикового корпуса, металлических клемм для контакта с потребителем и внутренних стержней с положительным и отрицательным напряжением. Заряд внутреннего лития осуществляется путем подключения внешнего прибора со стабильным током, но каждое изделие имеет первичную зарядку, которая возникает вследствие химической реакции между анодом и катодом.

Процессы на отрицательном электроде, выполненном из углеродистого материала, который имеет вид природного слоеного графита, беспорядочны, заряженные электричеством атомы движутся по матрице, не теряя при этом напряжение. Все показатели в этом секторе имеют отрицательное значение.

Положительный электрод литиевого аккумулятора изготавливается исключительно из оксидов кобальта или никеля, а также из литий марганцевых шпинелей. Во время разряда ионы лития отходят от углеродного сердечника и, вступив в реакцию с кислородом, проникают сквозь катод и устремляются наружу, но при этом они не могут покинуть тело батареи. Заряженные ионы лития теряют свое напряжение и остаются на поверхности анода до момента зарядки лития. Во время заряда весь процесс происходит в обратной последовательности.

Конструкция литий ионной батареи

Как щелочной элемент питания, литиевый аккумулятор производится в виде цилиндра или может иметь призматическую форму. В цилиндрической батарее в качестве сердечника используются свернутые в рулон электроды, изолированные специальной оболочкой и помещенные в металлический корпус, который связан с отрицательно заряженными элементами. Для соблюдения полярности минусовый контакт располагается снизу, а плюсовой – на верху детали, причем данные элементы между собой не должны соприкасаться, иначе ток будет циркулировать по проводнику, что приведет к самопроизвольному разряжению.

Призматическая форма литий ионной батареи встречается весьма часто. В данной конструкции сердечник формируется путем складывания друг на друга специальных пластин, которые находятся на минимальном расстоянии между собой. Такая система позволяет обеспечить более высокие технические характеристики, но из-за плотного прилегания пластин во время того, как аккумуляторы заряжаются, возможны перегрев сердечника и оплавление сетки, что приводит к снижению продуктивности детали.

Нередко можно встретить комбинированную систему устройства литий ионной батареи, когда скручиваемые в рулон электроды формируются в овальный цилиндр. При этом соблюдаются правила плавности перехода, и в то же время прямой участок имитирует пластинчатую форму. Такие аккумуляторы обладают характеристиками обоих видов изделий, срок их эксплуатации намного выше.

Во время химической реакции и работы аккумулятора внутри корпуса образуются газы, которые содержат в себе вредные вещества. Для оперативного отвода этих паров в корпусе литий ионных батарей имеется выпускное отверстие, которое имеет связь с банками и вовремя отводит скопившейся газ из полости АКБ. Некоторые батареи с высокой мощностью оборудованы специальным клапаном, который срабатывает во время критического скопления паров.

Проверка литий ионной батареи

Заряды лития внутри АКБ нуждаются в периодической проверке, несмотря на то, что указанная батарея считается не обслуживаемой, так как ее корпус запаян, элемент питания все равно необходимо проверять с помощью специального прибора.

Проверка всегда начинается с наружного осмотра, во время которого проверяется корпус детали на наличие трещин и деформаций. Также осматриваются клеммы АКБ, производится очистка от окисления и других загрязнений.

Важно! Необходимо содержать батарею в чистоте, не допуская замыкания между собой контактов, так как это может привести к полной разрядке аккумулятора, восстановить его будет весьма проблематично.

Для проверки внутреннего состояния сердечника используется нагрузочная вилка, которая подключается к клеммам и измеряет номинальное напряжение в сети. Затем на АКБ подается разряд, и прибор считывает показатели по удержанию тока внутри детали. Важно учитывать, что на момент проверки батарея должна быть полностью заряжена, иначе показатели будут неточными.

Применение литий ионных аккумуляторов

Литий ионные батареи используются во многих сферах в зависимости от их комплектации, формы и номинального напряжения. Самое распространённое применение АКБ – это автомобилестроение, в каждом транспортном средстве имеется свой источник питания, который отвечает за запуск авто и исполняет другие функции.

Также указанные батареи применяются в мобильных устройствах, ноутбуках и других гаджетах. Устройство подобных элементов питания схоже с автомобильными, единственное отличие заключается в габаритах изделий, которые могут быть размером со спичечную коробку.

В последнее время стало популярным внедрять литий ионные аккумуляторы в системы бесперебойного питания дома и в качестве аварийных источников электричества, при этом на постоянной основе батарея подключена к центральной сети. Во время работы приборов от простой электростанции производится зарядка АКБ, а когда питание отключается, она автоматически начинает отдавать ток на потребителя. При этом перезаряжаемую батарею необходимо правильно расположить и обеспечить ее системами защиты от перегрева.

Видео

Время работы современных смартфонов без подзарядки определяется их аккумуляторной батареей и ее характеристиками.

Какие бывают аккумуляторы?

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы уже неактуальны - они исправно работали долгое время, но имели ряд недостатков. В наших гаджетах в большинстве случаев используются батареи на основе лития - литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol).

Одна из основных характеристик АКБ - емкость. Она определяет, сколько электроэнергии способен накопить аккумулятор, и как долго устройство сможет работать автономно. Наиболее часто встречаются батареи с емкостью от 2000 до 3000 мАч (миллиампер/час). Габариты литий-ионных источников остаются весьма компактными в отличие от предшественников.

Литий-полимерные АКБ отличаются от литий-ионных разнообразием геометрических форм и, что сейчас особенно актуально, минимальной толщиной, которая начинается от 1 мм. Это позволяет использовать их в весьма тонких смартфонах.

Литиевые аккумуляторы отличаются длительным сроком службы при условии правильной эксплуатации. Производители многих известных смартфонов предусмотрели замену АКБ только в сервисном центре, сделав корпус устройства монолитным, а заднюю крышку и батарею - несъемными. Без специального оборудования и знаний самостоятельно пользователь не сможет провести эту операцию.

Температура во время эксплуатации. На емкость аккумулятора напрямую влияет . Высокая температура способствует более быстрому накоплению энергии, при низкой температуре емкость значительно падает. Если вы будете использовать недостаточно заряженный , то он быстро разрядится. Причем существует риск опустить заряд до нуля, что крайне нежелательно - литиевые аккумуляторы страдают от полного разряда.

И противоположная ситуация. Заряженный на 100% смартфон используется под прямыми солнечными лучами. Образно говоря, в этом случае 100% заряда превращается в 110%, и получается излишек накопленной электроэнергии, что может привести к снижению емкости.

Исходя из этого, стоит соблюдать температурные условия работы гаджета. Причем речь не идет о естественном нагреве при активном использовании - такое повышение температуры для аккумулятора не представляет опасности

Время зарядки и зарядное устройство. Каждый литиевый источник оснащен специальным контроллером, который должен предохранить его от лишнего тока. При достижении полного заряда происходит отключение поступающего тока.

В работе контроллера возможны ошибки и погрешности, которые приводят к перезаряду. Иногда это связано с использованием неоригинальных зарядных устройств для смартфона. Не рекомендуется надолго оставлять в розетке заряжающийся смартфон по достижении им полного заряда. Также нужно использовать оригинальные зарядные устройства или те, чьи параметры .

Литиевые аккумуляторы нужно заряжать, не дожидаясь полного отключения устройства, к примеру, на 10-15% остаточного заряда. Их можно подпитывать по возможности в течение дня, например, USB-порта рабочего компьютера или в машине. Добиваться полного заряда необязательно.

Хранение. Если владелец смартфона планирует длительное время не использовать устройство, рекомендуемая степень заряда АКБ в этом случае должна составлять около 50%.

Количество циклов зарядки литиевых аккумуляторов составляет примерно 1200 раз. Простая арифметика говорит о том, что ресурса АКБ хватит минимум на 3 года. При соблюдении указанных выше рекомендаций можно увеличить срок службы батареи.

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 30.03.2016 23:38

Разные подвиды литий-ионной электрохимической системы именуются по типу своего активного вещества, и могут обозначаться как полностью словами, так и в укороченном виде - химическими формулами. Объединяется литиевые аккумуляторы то, что все они относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам . Такие формулы не очень удобны для прочтения или запоминания ввиду своей сложности, поэтому и они упрощаются - к буквенной аббревиатуре.

Например, кобальтит лития, один из самых распространенных материалов для литий-ионных аккумуляторов, имеет химическую формулу LiCoO2 и аббревиатуру LCO. Из соображений простоты также может использоваться короткая словесная форма - “литий-кобальт”. Кобальт является основным активным веществом и именно по нему характеризуется тип батареи. Другие типы литий-ионной электрохимической системы также аналогично сводятся к краткой форме. В данном разделе перечислены шесть наиболее распространенных типов Li-ion.

1. Литий-кобальтовый аккумулятор (LiCoO2)

Высокий показатель удельной энергоемкости делает литий-кобальтовый аккумулятор популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер. Аккумулятор состоит из графитового анода и катода из оксида кобальта. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются к нему от анода. При зарядке направление меняется на противополжное. Недостатком литий-кобальтовых аккумуляторов является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). На рисунке 1 показана структура такого аккумулятора.

Рисунок 1: Структура литий-кобальтового аккумулятора. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, при зарядке - от катода к аноду.

Литий-кобальтовый аккумулятор не может заряжаться или разряжаться при силе тока выше его С-рейтинга . Это означает, что ячейка типоразмера 18650 емкостью 2400 мАч может заряжаться или разряжаться силой тока не превышающей 2400 мА. Принудительный быстрый заряд или подключение нагрузки, требующей больше чем 2400 мА, приведет к чрезмерному стрессу и перегреву. Для быстрой зарядки производители рекомендуют С-рейтинг 0,8С или около 2000 мА. При использовании системы защиты аккумулятора она автоматически ограничивает заряд и разряд до безопасного уровня - около 1С.

Рисунок 2: Оценка усредненного литий-кобальтового аккумулятора. Литий-кобальтовая электрохимическая система выделяется высокой удельной энергоемкостью, но предлагает средние показатели удельной мощности, безопасности и срока службы.

Таблица характеристик

Кобальтит лития: LiCoO2 катод (~60% кобальта), графитовый анод Сокращенное обозначение: LCO или Li-кобальт Разработан в 1991 году
Напряжение	3,60 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3,0-4,2 В
Удельная энергоемкость	150-200 Вт*ч/кг; специализированные модели обеспечивают до 240 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	0,7-1С, напряжение зарядки 4,20 В (большинство моделей); процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи
С-рейтинг разряда	1С; при напряжении ниже 2,50 В срабатывает отсекатель; разряд силой тока выше 1С сокращает срок службы батареи
	500-1000, зависит от глубины разрядов, нагрузки, температур
Тепловой пробой	Обычно при 150°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения	Мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты
Комментарий	Очень высокая удельная энергоемкость, ограниченная удельная мощность. Высокая стоимость кобальта. Служит в областях, где требуется большая емкость. Имеет стабильный спрос на рынке.

Таблица 3: Характеристики литий-кобальтового аккумулятора.

2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4)

Устройство литий-ионного аккумулятора с марганцевой шпинелью было впервые опубликовано в журнале “Materials Research Bulletin” в 1983 году. В 1996 году компания Moli Energy коммерциализировала литий-ионную ячейку с литий-марганцевой шпинелью в качестве материала катода. Трехмерная структура шпинели улучшает поток ионов на электроде, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления и улучшению обработки тока. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термическая стабильность, но срок жизни и количество циклов ограничены.

Низкое внутреннее сопротивление такой ячейки обеспечивает быструю зарядку и высокое возможное значение силы тока разряда. В типоразмере 18650 литий-марганцевый аккумулятор может разряжаться силой тока в 20-30 А с умеренным теплообразованием. Кроме того, он способен выдерживать импульсы до 50 А в течение одной-двух секунд. Непрерывная же нагрузка в 50 А приведет к нагреву аккумулятора, который не должен превышать 80°С во избежание деградации. Литий-марганцевые аккумуляторы используются для мощных инструментов, медицинского оборудования, а также в гибридном и электротранспорте.

На рисунке 4 представлена графическая иллюстрация трехмерного кристаллического каркаса материала катода. Этим материалом является шпинель, у которой начальная ромбовидная решеточная структура трансформируется в трехмерную.

Рисунок 4: Структура литий-марганцевого аккумулятора. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели имеет трехмерную каркасную структуру, которая появляется после начального формирования. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, но имеет более умеренную удельную энергоемкость чем кобальт.

Емкость литий-марганцевого аккумулятора примерно на треть меньше емкости литий-кобальтового. Гибкость конструкции позволяет оптимизировать батарею под разные задачи и создавать модели с улучшенными показателями долговечности, удельной мощности или удельной энергоемкости. Например, версия в типоразмере 18650 с улучшенными показателями мощности имеет емкость только 1100 мАч, в то время как оптимизированная под емкость - 1500 мАч.

На рисунке 5 показан гексагональный график типичного литий-марганцевого аккумулятора. Характеристики могут казаться не особо впечатлительными, но последние разработки имеют улучшенные показатели удельной мощности, безопасности и продолжительности жизни.

Рисунок 5: Характеристики обычной литий-марганцевого аккумулятора. Несмотря на умеренную общую производительность, новые модели демонстрируют улучшенную удельную мощность, безопасность и продолжительность жизни.

Большинство литий-марганцевых аккумуляторов комбинируются с литий-никель-марганец-кобальтовыми (NMC) для повышения удельной энергоемкости и продления срока службы. Этот союз позволяет использовать сильные стороны обеих систем и называется LMO (NMC). Именно эти комбинированные аккумуляторы используются в большинстве электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. LMO – часть такого аккумулятора, которая составляет около 30 %, обеспечивает высокие ускорительные возможности электродвигателя, а NMC часть отвечает за размер автономного пробега.

Исследования в литий-ионной системе в значительной степени тяготеют к объединению литий-марганцевых ячеек с никель-марганец-кобальтовыми. Эти три активных металла могут легко комбинироваться для получения необходимого результата, будь то повышение удельной мощности, нагрузочных характеристик или долговечности аккумулятора. Этот широкий диапазон возможностей необходим для удовлетворения единым технологическим подходом и рынка потребительских аккумуляторов, где на первом месте стоит емкость; и промышленности, где необходимы аккумуляторные системы с хорошими нагрузочными характеристиками, с длительным сроком службы и с надежной безопасной эксплуатацией.

Таблица характеристик

Литий-марганцевая шпинель: LiMn2O4 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: LNO или Li-марганцевый (шпинельная структура) Разработан в 1996 году
Напряжение	3,70 В (3,80 В) номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3.0-4.2 В
Удельная энергоемкость	100-150 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	Стандарт 0,7-1С; 3С максимум; зарядка до 4,20 В (большинство батарей)
С-рейтинг разряда	Стандарт 1С; существуют модели с 10С; импульсный режим работы (до 5 секунд) - 50С; при 2,50 В срабатывает отсекатель
Количество циклов заряда/разряда	300-700 (зависит от глубины разрядов и температуры)
Тепловой пробой	Обычно при 250°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения	Электроинструмент, медицинское оборудование, электрические силовые агрегаты
Комментарий	Высокая мощность, но умеренная емкость; безопаснее литий-кобальтовых; обычно используется вместе с NMC

Таблица 6: Характеристики литий-марганцевого аккумулятора.

3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMnCoO2 или NMC)

Одним из наиболее успешных вариантов исполнения литий-ионной электрохимической системы является сочетание никеля, марганца и кобальта (NMC) в катоде. По аналогии с литий-марганцевыми, эти системы могут быть оптимизированы под емкость или мощность. Например, NMC аккумулятор в типоразмере ячейки 18650 для умеренной нагрузки имеет емкость 2800 мАч и может обеспечивать силу тока в 4-5 А; а версия в том же типоразмере, но оптимизированная под мощностные показатели имеет емкость только 2000 мАч, но максимальная сила тока разряда у нее - 20 А. Показатель емкости можно увеличить и до 4000 мАч, если добавить кремний в состав анода. Но с другой стороны, это значительно уменьшит нагрузочные характеристики и долговечность такого аккумулятора. Столь неоднозначные свойства кремния появляются из-за его расширения и уменьшения при зарядке и разрядке, что приводит к механической неустойчивости конструкции аккумулятора.

Секрет технологии NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогией может служить обыкновенная поваренная соль, где по отдельности ее компоненты, натрий и хлор, весьма токсичны, но их соединение образует полезное пищевое вещество. Никель известен своей высокой удельной энергоемкостью, но низкой стабильностью; марганец же имеет преимущество в виде шпинельной структуры, которая обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но и приводит к недостатку - низкой удельной энергоемкости. Сочетание же этих металлов позволяет компенсировать недостатки друг друга и в полной мере использовать сильные стороны.

NMC аккумуляторы используются для мощных инструментов, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Состав катода, как правило, сочетает никель, марганец и кобальт в равных частях, то есть каждый металл занимает треть от общего объема. Такое распределение также известно как 1-1-1. Сочетание в таком соотношении выгодно своей стоимостью, так как содержание дорогого кобальта по сравнению с другими версиями батареи относительно невелико. Еще одна успешная комбинация NMC содержит 5 частей никеля, 3 части кобальта и 2 части марганца. Эксперименты по поиску удачных комбинаций этих активных веществ продолжаются и сейчас. На рисунке 7 продемонстрированы характеристики NMC аккумулятора.

Рисунок 7: Оценка характеристик NMC аккумулятора. NMC имеет хорошую общую производительность и отличную удельную энергоемкость. Данная аккумуляторная батарея является предпочтительным выбором для электротранспорта и имеет самый низкий уровень самонагрева.

В последнее время именно NMC семейство литий-ионных аккумуляторов становится наиболее популярным, так как благодаря возможности комбинации активных веществ стало можно сконструировать экономичную батарею с хорошей производительностью. Никель, марганец и кобальт могут быть легко смешаны, чтобы удовлетворить широкий спектр требований для электротранспорта или систем аккумулирования энергии, специфика которых предполагает регулярную циклическую работу. Семейство NMC аккумуляторов активно развивается в своем многообразии.

Таблица характеристик

Литий-никель-марганец-кобальт-оксид: LiNiMnCoO2 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN аналогично комбинации металлов) Разработан в 2008 году
Напряжение	3,60-3,70 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3,0-4,2 В на ячейку, или выше
Удельная энергоемкость	150-220 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	0,7-1С, зарядка до 4,20 В, в некоторых моделях до 4,30 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи
С-рейтинг разряда	1С; некоторые модели поддерживают 2С; при 2,50 В срабатывает отсекатель
Количество циклов заряда/разряда
Тепловой пробой	Обычно при 210°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения	Электровелосипеды, медицинское оборудование, электроавтомобили, промышленность
Комментарий	Обеспечивают высокую емкость и мощность. Широкий спектр практического применения, доля рынка стремительно растет

Таблица 8: Характеристики литий-никель-марганец-кобальт-оксидного (NMC) аккумулятора.

4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)

В 1996 году в Университете Техаса были проведены исследования, в результате которых был открыт новый материал для катода литий-ионного аккумулятора - фосфат железа. Литий-фосфатная система обладает хорошими электрохимическими свойствами и низким внутренним сопротивлением. Основными преимуществами таких аккумуляторов являются высокие показатели силы тока и длительный срок службы, к тому же они обладают хорошей термической стабильностью, повышенной безопасностью и стойкостью к неправильному использованию.

Литий-фосфатные аккумуляторы более стойкие к перезаряду; если в случае длительного времени к ним приложено высокое напряжение, то деградационные последствия будут заметно меньше в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. Но напряжение ячейки в 3.20 В снижает показатель удельной энергоемкости до уровня, даже меньшего, чем у литий-марганцевого аккумулятора. Для большинства электрических батарей холодная температура снижает производительность, а жаркая - сокращает срок службы, литий-фосфатная система не является исключением. У нее также более высокий показатель саморазряда в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. На рисунке 9 показаны характеристики литий-фосфатного аккумулятора.

Литий-фосфатные аккумуляторы часто используются в качестве замены стартерным свинцово-кислотным. Четыре ячейки такой батареи обеспечат напряжение в 12,8 В - аналогично напряжению шести двухвольтовых ячеек свинцово-кислотного. Генератор транспортного средства подзаряжает свинцово-кислотный аккумулятор до 14,40 В (2,40 В на ячейку). Для четырех литий-фосфатных ячеек предельное напряжение будет 3,60 В, после подзарядку следует отключить, чего не происходит в обычном транспортном средстве. Литий-фосфатные аккумуляторы стойкие к перезаряду, но даже они при длительном сохранении повышенного напряжения деградируют. Низкие температуры также могут стать проблемой при использовании литий-фосфатного аккумулятора в качестве замены обычному стартерному.

Рисунок 9: Оценка характеристик литий-фосфатного аккумулятора. Литий-фосфатная электрохимическая система обеспечивает отличную безопасность и долгий срок службы, но удельная энергоемкость имеет умеренные показатели, также стоит отметить высокий саморазряд.

Таблица характеристик

Литий-феррофосфат: LiFePO4 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: LFP или Li-фосфат
Напряжение	3,20, 3,30 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 2,5-3,65 В на ячейку
Удельная энергоемкость	90-120 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	1С стандарт, зарядка до 3,65 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа
С-рейтинг разряда	1С; в некоторых версиях до 25С; 40 А импульсные токи (до 2 секунд); при 2,50 В срабатывает отсекатель (напряжение ниже 2 В наносит вред)
Количество циклов заряда/разряда	1000-2000 (зависит от глубины разрядов и температуры)
Тепловой пробой	270°С. Безопасный даже при полном заряде
Области применения	Портативные и стационарные устройства, где необходимы высокие токи нагрузки и выносливость

В современных мобильных телефонах, фотоаппаратах и других устройствах чаще всего используются литий-ионные батареи, сменившие щелочные и никель-кадмиевые, которые они превосходят по многим параметрам. Впервые аккумуляторы с анодом из лития появились в 70-е годы предыдущего столетия и сразу стали очень востребованы благодаря высокому напряжению и энергоемкости.

История появления

Разработки были недолгими, но на практическом уровне возникали трудности, которые разрешили только в 90-е годы прошлого века. Из-за высокой активности лития внутри элемента протекали химические процессы, которые приводили к возгоранию.

В начале 90-х произошел ряд несчастных случаев - пользователи телефонов, разговаривая, получали сильные ожоги в результате самопроизвольного воспламенения элементов, а затем и самих устройств связи. В связи с этим батареи полностью сняли с производства и вернули из продажи выпущенные ранее.

В современных литиево-ионных аккумуляторах чистый металл не используется, только его ионизированные соединения, так как они более стабильны. К сожалению, ученым пришлось пойти на существенное снижение возможностей аккумулятора, однако удалось добиться главного - люди больше не страдали от ожогов.

Кристаллическая решетка различных соединений углерода оказалась подходящей для интеркаляции ионов лития на отрицательном электроде. При зарядке они переходят с анода на катод, а при разряде наоборот.

Принцип действия и разновидности

В каждом литий-ионном аккумуляторе основу минусового электрода составляют углеродсодержащие вещества, структура которых может быть упорядоченной или частично упорядоченной. В зависимости от материала меняется процесс интеркаляции Li в C. Плюсовой электрод в основном выполняется из латированного оксида никеля или кобальта.

Суммируя все реакции, их можно представить в следующих уравнениях:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - для катода.
2. С + xLi+ + xe → CLix - для анода.

Уравнения представлены для случая разряда, при заряде они протекают в обратную сторону. Ученые проводят работы по исследованию новых материалов, состоящих из смешанных фосфатов и оксидов. Эти материалы планируется использовать для катода.

Выделяют два вида Li-Ion аккумуляторов:

1. цилиндрический;
2. призматический.

Главное отличие - расположение пластин (в призматическом - друг на друге). От этого зависит размер литионного аккумулятора. Как правило, призматические плотнее и компактнее.

Кроме того, внутри существует система безопасности - механизм, который при возрастании температуры увеличивает сопротивление, а при повышенном давлении разрывает цепь анод-катод. Благодаря электронной плате становится невозможным замыкание, так как она контролирует процессы внутри АКБ.

Противоположные по полярности электроды разделяются сепаратором. Корпус должен быть герметичным, вытекание электролита или попадание внутрь воды и кислорода разрушат и батарею и само электронное устройство-носитель.

У различных производителей литионный аккумулятор может выглядеть абсолютно по-разному, нет единой формы изделия. Отношение активных масс анода к катоду должно быть примерно 1:1, иначе возможно образование металла лития, которое приведет к возгоранию.

Достоинства и недостатки

АКБ обладают превосходными параметрами, различающимися у разных производителей. Номинальным напряжением является 3,7−3,8 В при максимальном 4,4 В. Энергетическая плотность (один из главных показателей) составляет 110−230 Вт*ч/кг.

Внутреннее сопротивление составляет от 5 до 15 мОм/1Ач. Срок службы по количеству циклов (разряд/заряд) равен 1000−5000 единиц. Время для быстрой зарядки - 15−60 минут. Один из самых значимых плюсов - медленный процесс саморазряда (всего 10−20% за год, из которых 3−6% за первый месяц). Диапазоном рабочих температур является 0 С - +65 С, при температурах ниже нуля заряд невозможен.

Зарядка происходит в несколько этапов:

1. до определенного момента протекает максимальный ток заряда;
2. при достижении рабочих параметров ток постепенно уменьшается до 3% от максимального значения.

При хранении примерно каждые 500 часов необходима периодическая подзарядка, направленная на компенсацию саморазряда. При перезаряде может осаждаться металлический литий, который, взаимодействуя с электролитом, образует кислород. Таким образом повышается риск разгерметизации вследствие повышения внутреннего давления.

Частые перезарядки сильно снижают срок службы батареи. Кроме того, влияет окружающая среда, температура, ток и т. д.

У элемента есть недостатки, среди которых выделяют следующие:

Условия эксплуатации

Лучше всего хранить аккумулятор при следующих условиях : заряд должен быть не менее 40%, а температура - не очень низкой или высокой. Лучшим вариантом является диапазон от 0С до +10С. Обычно за 2 года теряется около 4% емкости, из-за чего не рекомендуется покупать аккумуляторы более ранних дат изготовления.

Ученые изобрели способ, позволяющий увеличить срок годности. В электролит добавляют соответствующий консервант. Однако для таких батарей следует провести «тренинг» в виде 2−3 циклов полного разряда/заряда, чтобы впоследствии они смогли работать в обычном режиме. В противном случае возможно возникновение «эффекта памяти» и последующее вздутие всей конструкции. При правильном использовании и соблюдении всех норм хранения аккумулятор может служить долгое время, при этом его емкость останется на высоком уровне.