У сучасних мобільних телефонах, фотоапаратах та інших пристроях найчастіше використовуються літій-іонні батареї, що змінили лужні та нікель-кадмієві, які вони перевершують за багатьма параметрами. Вперше акумулятори з анодом з літію з'явилися в 70-і роки попереднього століття і відразу стали дуже потрібні завдяки високій напрузі та енергоємності.

Історія появи

p align="justify"> Розробки були недовгими, але на практичному рівні виникали труднощі, які вирішили тільки в 90-і роки минулого століття. Через високу активність літію всередині елемента протікали хімічні процеси, що призводили до займання.

На початку 90-х сталася низка нещасних випадків - користувачі телефонів, розмовляючи, отримували сильні опіки внаслідок мимовільного займання елементів, а потім самих пристроїв зв'язку. У зв'язку з цим батареї повністю зняли з виробництва та повернули з продажу випущені раніше.

У сучасних літієво-іонних акумуляторах чистий метал не використовується, тільки його іонізовані з'єднання, оскільки вони стабільніші. На жаль, вченим довелося піти на суттєве зниження можливостей акумулятора, проте вдалося досягти головного – люди більше не страждали від опіків.

Кристалічна решітка різних з'єднаньвуглецю виявилася придатною для інтеркаляції іонів літію на негативному електроді. При зарядці вони переходять із анода на катод, а за розряді навпаки.

Принцип дії та різновиди

У кожному літій-іонному акумуляторі основу мінусового електрода складають вуглецевмісні речовини, структура яких може бути впорядкованою або частково впорядкованою. Залежно від матеріалу змінюється процес інтеркаляції Li C. Плюсовий електрод в основному виконується з латованого оксиду нікелю або кобальту.

Підсумовуючи всі реакції, їх можна подати в наступних рівняннях:

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

Рівняння представлені для випадку розряду, при заряді вони протікають зворотний бік. Вчені проводять роботи з дослідження нових матеріалів, що складаються із змішаних фосфатів та оксидів. Ці матеріали планується використати для катода.

Виділяють два види Li-Ion акумуляторів:

1. циліндричний;
2. призматичний.

Головна відмінність - розташування пластин (у призматичному - одна на одній). Від цього залежить розмір літійного акумулятора. Як правило, призматичні щільніше та компактніше.

Крім того, усередині існує система безпеки – механізм, який при зростанні температури збільшує опір, а при підвищеному тиску розриває ланцюг анод-катод. Завдяки електронній платістає неможливим замикання, оскільки вона контролює процеси всередині АКБ.

Протилежні за полярністю електроди поділяються на сепаратор. Корпус повинен бути герметичним, витікання електроліту або потрапляння всередину води та кисню зруйнують і батарею, і сам електронний пристрій-носій.

У різних виробниківлітійний акумулятор може виглядати абсолютно по-різному, немає єдиної форми виробу. Ставлення активних мас аноду до катода має бути приблизно 1:1, інакше можливе утворення металу літію, що призведе до займання.

Гідності й недоліки

АКБ мають чудові параметри, що відрізняються у різних виробників. Номінальною напругою є 3,7-3,8 при максимальному 4,4 В. Енергетична щільність (один з головних показників) становить 110-230 Вт * год / кг.

Внутрішнє опір становить від 5 до 15 мОм/1Ач. Термін служби за кількістю циклів (розряд/заряд) дорівнює 1000-5000 одиниць. Час для швидкого заряджання - 15-60 хвилин. Один із найбільш значущих плюсів - повільний процес саморозряду (всього 10-20% за рік, з яких 3-6% за перший місяць). Діапазоном робочих температур є 0 - +65 С, при температурах нижче нуля заряд неможливий.

Зарядка відбувається у кілька етапів:

1. до певного моментупротікає максимальний струмзаряду;
2. при досягненні робочих параметрів струм поступово зменшується до 3% максимального значення.

При зберіганні кожні 500 годин необхідна періодична підзарядка, спрямована на компенсацію саморозряду. При перезаряді може містити металевий літій, який, взаємодіючи з електролітом, утворює кисень. Таким чином, підвищується ризик розгерметизації внаслідок підвищення внутрішнього тиску.

Часті перезаряджання сильно знижують термін служби батареї. Крім того, впливає довкілля, температура, струм і т.д.

Елемент має недоліки, серед яких виділяють такі:

Умови експлуатації

Найкраще зберігати акумулятор за таких умов: заряд повинен бути не менше 40%, а температура - не дуже низька або висока. Найкращим варіантомє діапазон від 0С до +10С. Зазвичай за 2 роки втрачається близько 4% ємності, через що не рекомендується купувати акумулятори. ранніх датвиготовлення.

Вчені винайшли спосіб, що дає змогу збільшити термін придатності. В електроліт додають відповідний консервант. Однак для таких батарей слід провести "тренінг" у вигляді 2-3 циклів повного розряду/заряду, щоб згодом вони змогли працювати в звичайному режимі. В іншому випадку можливе виникнення «ефекту пам'яті» та подальше здуття всієї конструкції. При правильному використанніта дотримання всіх норм зберігання акумулятор може служити довгий часПри цьому його ємність залишиться на високому рівні.

Процеси зарядки розрядки будь-яких акумуляторних батарейпротікають у вигляді хімічної реакції. Однак заряд літій- іонних акумуляторів- Це виняток із правил. Наукові дослідженняпоказують енергетику таких батарей, як хаотичне переміщення іонів. Твердження вчених чоловіків заслуговують на увагу. Якщо з науки правильно заряджати літій-іонні акумулятори, тоді ці прилади повинні служити вічно.

Підтверджені практикою факти втрати корисної ємності АКБ вчені бачать у іонах, блокованих про пастками.

Тому, як і у випадку з іншими подібними системамилітій-іонні прилади не застраховані від дефектів у процесі їх застосування на практиці

Зарядні пристрої для конструкцій Li-ion мають деяку подібність до приладів, призначених для кислотно-свинцевих систем.

Але головні відмінності таких зарядних пристроїв бачаться у подачі підвищених напруг на комірки. До того ж відзначаються жорсткіші допуски по струмах, плюс виключення заряду уривчастим або плаваючим способом при повній зарядці батареї.

Відносно потужний прилад живлення, який може застосовуватися як накопичувач енергії для конструкцій альтернативних джереленергії

Якщо відрізняються деякою гнучкістю, з погляду підключень/відключень напруги, виробники літій-іонних систем категорично відкидають такий підхід.

Акумулятор Li-ion і правила експлуатації цих приладів не допускають можливості безмежного перевищення заряду.

Тому немає для літій-іонних акумуляторів так званого «чудового» зарядного пристрою, здатного продовжити термін служби на тривалий час.

Неможливо отримати додаткову ємність Li-ion рахунок імпульсного заряду чи інших відомих трюків. Літій-іонна енергетика — це свого роду «чиста» система, яка приймає обмежену кількість енергії.

Зарядка кобальто-купажованих АКБ

Класичні конструкції літій-іонних батарейоснащені катодами, структуру яких складають матеріали:

• кобальт,
• нікель,
• марганець,
• алюміній.

Усі вони зазвичай заряджаються напругою до 4,20В/я. Допустиме відхилення становить не більше +/- 50 мВ/я. Але є також окремі видилітій-іонних акумуляторів на основі нікелю, які допускають величину заряду напругою до 4.10В/я.

Кобальт-купажовані літій-іонні акумуляторні батареї оснащуються внутрішніми захисними ланцюгами, але цей момент рідко рятує від вибуху акумулятора в режимі надмірного заряду

Також є розробки літій-іонних АКБ, де збільшено відсоткову частку літію. Їх напруга заряду може досягати значення 4,30В/я і від.

Що ж, збільшення напруги збільшує ємність, але вихід напруги за межі специфікації загрожує руйнуванням структури АКБ.

Тому в своїй масі літій-іонні акумулятори оснащуються захисними ланцюгами, мета яких тримати встановлену норму.

Повний або частковий заряд

Однак практика показує: більшість потужних літій-іонних АКБ можуть приймати більше високий рівеньнапруги за умови короткочасної подачі.

При такому варіанті ефективність зарядки становить близько 99%, а комірка залишається холодною протягом усього часу заряду. Щоправда, деякі літій-іонні батареї все ж таки нагріваються на 4-5C при досягненні повного заряду.

Можливо, це пов'язано із захистом або пояснюється високим внутрішнім опором. Для таких АКБ слід зупиняти заряд при зростанні температури понад 10 º C на помірній нормі заряду.

Літій-іонні батареї в зарядний пристрійна зарядці. Індикатор показує повну зарядку акумуляторів. Подальший процесзагрожує пошкодити батареї

Повна зарядка кобальто-купажованих систем настає з граничним значенням напруги. У цьому струм падає величину до 3 -5% від номіналу.

Акумулятор буде показувати повний заряд і при досягненні якогось рівня ємності, що залишається незмінним протягом тривалого часу. Причиною цього може бути підвищений саморозряд батареї.

Збільшення струму заряду та заряд насичення

Слід зазначити: збільшення струму заряду прискорює досягнення стану повного заряду. Літій досягне піку напруги швидше, але заряд до повного насичення ємності вимагає більше часу. Тим не менш, заряджання акумулятора великим струмом швидко збільшує ємність батареї приблизно до 70%.

Літій-іонні акумулятори не підтримують обов'язкової повної зарядкияк у випадку з кислотно-свинцевими приладами. Мало того, саме такий варіант заряджання небажаний для Li-ion. Фактично, краще зарядити АКБ не повністю, тому що висока напруга "напружує" акумулятор.

Вибір порога більше низької напругиабо повного знімання заряду насичення сприяють продовженню терміну служби літій-іонної батареї. Щоправда, такий підхід супроводжується зменшенням часу віддачі енергії АКБ.

Тут слід зазначити: зарядні пристрої побутового призначення, як правило, працюють на максимальної потужностіі не підтримують регулювання зарядного струму(Напруги).

Виробники побутових зарядних пристроїв для літій-іонних акумуляторів вважають тривалий термін служби менше важливим фактором, Чим витрати на ускладнення схемних рішень.

Зарядні пристрої літій-іонних батарей

Деякі дешеві зарядні пристрої побутового призначення часто працюють за спрощеною методикою. Заряджають літій-іонний акумулятор протягом однієї години і менше без переходу на заряд насичення.

Індикатор готовності на таких пристроях спалахує, коли батарея досягає порогу напруги на першому етапі. Стан заряду становить близько 85%, що нерідко задовольняє багатьох користувачів.

Цей зарядний пристрій вітчизняного виробництва пропонується для роботи з різними акумуляторами, У тому числі з літій-іонними АКБ. Апарат має систему регуляції напруги та струму, що вже добре

Зарядні пристрої професійного призначення (дорогі) відрізняються тим, що встановлюють поріг зарядної напруги нижче, тим самим продовжуючи термін служби літій-іонної батареї.

У таблиці показано розрахункові потужностіпри заряді такими пристроями на різних порогових значеннях напруги, із зарядом насичення і без:

Напруга заряду, В/на комірку	Ємність при відсіканні високої напруги, %	Час заряду, хв	Місткість при повному насиченні, %
3.80	60	120	65
3.90	70	135	75
4.00	75	150	80
4.10	80	165	90
4.20	85	180	100

Як тільки літій-іонний акумулятор починає заряджатися, відзначається швидке зростання напруги. Така поведінка можна порівняти з підйомом вантажу гумовою стрічкою, коли має місце ефект відставання.

Ємність, зрештою, буде набрано, коли акумулятор повністю зарядиться. Така характеристика заряду типова всім АКБ.

Чим вищий струм заряду, тим яскравіший ефект гумової стрічки. Низька температураабо наявність осередку з високим внутрішнім опором лише посилюють ефект.

Структура літій-іонної акумуляторної батареї у найпростішому вигляді: 1-мінусова шина з міді; 2 - плюсова шина з алюмінію; 3 - анод з оксиду кобальту; 4 - катод з графіту; 5 - електроліт

Оцінка стану заряду шляхом зчитування напруги зарядженої батареї є недоцільною. Вимірювання напруги розімкнутого ланцюга (холостий хід) після того, як батарея лежала кілька годин, є кращим оціночним індикатором.

Як і для інших батарей, температура впливає на холостий хід так само, як впливає на активний матеріаллітій-іонної АКБ. , ноутбуків та інших пристроїв оцінюється шляхом підрахунку кулонів.

Літій-іонний АКБ: поріг насичення

Літій-іонний акумуляторне здатний поглинати надлишковий заряд. Тому при повному насиченні акумулятора струм заряду відразу необхідно зняти.

Постійний поточний заряд може призвести до металізації елементів літію, що порушує принцип забезпечення безпеки експлуатації таких АКБ.

Щоб звести до мінімуму утворення дефектів, слід якнайшвидше відключати літій-іонний акумулятор при досягненні піку заряду.

Цей акумулятор вже не візьме заряду стільки, скільки йому належить. По причині неправильної зарядкивін втратив свої основні властивості накопичувача енергії

Як тільки припиняється заряд, напруга літій-іонного акумулятора починає падати. Виявляється ефект зменшення фізичної напруги.

Певний час напруга холостого ходурозподілятиметься між нерівномірно зарядженими осередками з напругою 3,70 В і 3,90 В.

Тут також привертає увагу процес, коли літій-іонна батарея, що отримала повністю насичений заряд, починає заряджати сусідню (якщо така включена в схему), що не отримала заряд насичення.

Коли літій-іонні батареї потрібно постійно тримати в зарядному пристрої з метою забезпечення їхньої готовності, слід робити ставку на зарядні пристрої, що мають функцію короткочасного компенсаційного заряду.

Зарядний пристрій з функцією короткочасного компенсаційного заряду включається, якщо напруга розімкнутого ланцюга падає до 4.05 В/я і вимикається при досягненні напруги 4.20 В/я.

Зарядні пристрої, призначені для оперативної готовності або роботи в режимі очікування, часто дозволяють знизити напругу батареї до 4,00В/я і заряджають літій-іонні АКБ лише до рівня 4,05В/я, не даючи досягти повного рівня 4.20В/я.

Подібна методика знижує напругу фізичну, невід'ємно пов'язану з технічною напругою, і сприяє продовженню терміну служби батареї.

Заряд безкобальтових акумуляторів

Акумулятори у традиційному виконанні мають номінальну напругу комірки рівну 3,60 вольта. Однак для приладів, які не містять кобальту, номінал інший.

Так, літій-фосфатні акумулятори мають номіналом 3,20 вольта ( зарядна напруга 3,65). А нові літій-титанатні акумулятори (виробництво Росія) мають номінальну напругу осередку 2,40 В (зарядне 2,85).

Літій-фосфатні акумуляторні батареї відносяться до накопичувачів енергії, які не містять у своїй структурі кобальт. Цей факт дещо змінює умови заряджання таких акумуляторів

Для таких батарей традиційні зарядні пристрої не підходять, оскільки перевантажують АКБ із загрозою вибуху. І навпаки, система зарядки для безкобальтових батарей не забезпечить достатнім зарядом на 3,60 В традиційний літій-іонний акумулятор.

Перевищений заряд літій-іонного акумулятора

Літій-іонний акумулятор безпечно працює в межах заданих робочих напруг. Однак робота батареї стає нестабільною, якщо вона заряджається вище за робочі норми.

Тривала зарядка літій-іонної батареї напругою вище 4,30В, призначеної під робочий номінал 4.20В, загрожує металізацією анода літієм.

Матеріал катода, у свою чергу, набуває властивостей окислювача, втрачає стабільність стану, виділяє вуглекислий газ.

Тиск акумуляторної комірки наростає і якщо заряд продовжується, пристрій внутрішнього захистуспрацює при тиску від 1000 кПа до 3180 кПа.

Якщо зростання тиску триває і після цього, відкривається захисна мембрана при рівні тиску 3,450 кПа. У такому стані осередок літій-іонного акумулятора знаходиться на межі вибуху і, зрештою, саме так і відбувається.

Структура: 1 – верхня кришка; 2 - верхній ізолятор; 3 - сталева банка; 4 - нижній ізолятор; 5 - вкладка анода; 6 - катод; 7 - сепаратор; 8 - анод; 9 - вкладка катода; 10 - віддушина; 11 - PTC; 12 - прокладка

Спрацювання захисту всередині літій-іонного акумулятора пов'язане із підвищенням температури внутрішнього вмісту. Повністю заряджена акумуляторна батарея має більшу внутрішню температуру, ніж частково заряджена.

Тому літій-іонні батареї бачаться безпечнішими за умови низькорівневої зарядки. Ось чому влада деяких країн вимагає використовувати в літаках Li-ion АКБ, насичені енергією не вище 30% від їх повної ємності.

Поріг внутрішньої температури батарей при повному завантаженніскладає:

• 130-150°C (для літій-кобальтових);
• 170-180°C (для нікель-марганець-кобальтових);
• 230-250°C (для літій-марганцевих).

Слід зазначити: літій-фосфатні акумулятори мають кращу температурну стійкість, ніж літій-марганцеві АКБ. Літій-іонні батареї не єдині з тих, що становлять небезпеку в умовах енергетичного навантаження.

Наприклад, свинцево-нікелеві акумулятори також схильні до розплавлення з подальшим займанням, якщо насичення енергією виконується з порушеннями паспортного режиму.

Тому застосування зарядних пристроїв, що ідеально підходять до батареї, має першорядне значення для всіх літій-іонних акумуляторів.

Деякі висновки від аналізу

Заряджання літій-іонних батарей відрізняється спрощеною методикою порівняно з нікелевими системами. Схема зарядки прямолінійна, з обмеженнями напруги та струму.

Така схема значно простіше, ніж схема, що аналізує складні сигнатури напруги, що змінюються в міру експлуатації батареї.

Процес насичення енергією літій-іонних батарей допускає переривання, ці акумулятори не потребують повного насичення, як у випадку з кислотно-свинцевими АКБ.

Схема контролера для малопотужних літій-іонних акумуляторів. Просте рішення та мінімум деталей. Але схема не забезпечує умови циклу, за яких зберігається довгий термінслужби

Властивості літій-іонних акумуляторів обіцяють переваги в роботі відновлюваних джерел енергії ( сонячних панелейта вітряних турбін). Як правило, чи вітрогенератор рідко забезпечують повний заряд акумулятора.

Для літій-іона відсутність вимог стабільної підзарядки полегшує схему контролера заряду. Літій-іонний акумулятор не вимагає контролера, що вирівнює напругу та струм, як того вимагають свинцево-кислотні АКБ.

Усі побутові та більшість промислових літій-іонних зарядних пристроїв повністю заряджають акумулятор. Однак існуючі пристроїзарядки літій-іонних батарей у своїй масі не забезпечують регуляцію напруги наприкінці циклу.

Літій-іонні акумулятори не такі «вибагливі», як їх нікель-метал-гідридні побратими, але все одно вимагають певного догляду. Дотримуючись п'яти простих правил , можна не лише продовжити життєвий цикллітій-іонних акумуляторних батарей, але й підвищити час роботи мобільних пристроїв без підзарядки.

Не допускайте повного розряду.У літій-іонних акумуляторів немає так званого ефекту пам'яті, тому їх можна і, більше того, потрібно заряджати, не чекаючи розрядки до нуля. Багато виробників розраховують термін життя літій-іонного акумулятора кількістю циклів повного розряду (до 0%). Для якісних акумуляторів це 400-600 циклів. Щоб збільшити термін служби літій-іонного акумулятора, частіше заряджайте свій телефон. Оптимально, як тільки показник заряду батареї опуститься нижче за позначку 10-20 відсотків, можете ставити телефон на зарядку. Це збільшить кількість циклів розряду до 1000-1100 .
Цей процес фахівці описують таким показником як Глибина Розряду (Depth Of Discharge). Якщо ваш телефон розряджено до 20%, то Глибина Розряду становить 80%. У наведеній нижче таблиці показана залежність кількості циклів розряду літій-іонного акумулятора від Глибини Розряду:

Розряджайте раз на 3 місяці.Повний заряд протягом тривалого часу також шкідливий для літій-іонних акумуляторів, як і постійна розрядка до нуля.
Через вкрай нестабільного процесузаряду (ми часто заряджаємо телефон як доведеться, і де вийде, від USB, від розетки, від зовнішнього акумулятораі тд.) фахівці рекомендують раз на 3 місяці повністю розряджати акумулятор і після цього заряджати до 100% і потримати на зарядці 8-12 годин. Це допомагає скинути так званий верхній та нижній прапори заряду акумулятора. Докладніше про це можна прочитати.

Тримайте частково зарядженими. Оптимальним станом тривалого зберігання літій-іонного акумулятора є рівень заряду від 30 до 50 відсотків при температурі 15°C. Якщо ж залишити батарею повністю зарядженою, згодом її ємність суттєво знизиться. А ось акумулятор, який довгий час припадав пилом на полиці розрядженим до нуля, швидше за все, вже не жилець - пора відправляти його на утилізацію.
У наведеній нижче таблиці показано скільки залишається ємності в літій-іонному акумуляторі в залежності від температури зберігання і рівня заряду при зберіганні протягом 1 року.

Використовуйте оригінальний зарядний пристрій.Мало хто знає, що зарядний пристрій у більшості випадків вбудований безпосередньо всередину мобільних пристроїв, а зовнішній мережевий адаптерТільки знижує напругу і випрямляє струм побутової електромережі, тобто безпосередньо на батарею не впливає. Деякі гаджети, наприклад цифрові фотокамери, позбавлені вбудованого зарядного пристрою, і тому їх літій-іонні акумулятори вставляють у зовнішній зарядник. Ось тут використання зовнішнього зарядного пристрою сумнівної якості замість оригінального може негативно позначитися на працездатності батареї.

Не допускайте перегрівання.Ну а лютим ворогомлітій-іонних акумуляторів є висока температура- Перегріву вони геть не переносять. Тому не допускайте потрапляння на мобільні пристроїпрямих сонячних променів, а також не залишайте їх у безпосередній близькості від джерел тепла, наприклад електрообігрівачів. Максимально допустимі температури, при яких можливе використання літій-іонних акумуляторів: від –40°C до +50°C

Також, ви можете подивитися

Сьогодні саме літій-іонні акумулятори найчастіше застосовуються в різних областях. Особливо широко використовуються в мобільній електроніці (КПК, мобільні телефони, ноутбуки та багато іншого), електромобілях і так далі. Це пов'язано з їх перевагами в порівнянні з нікель-кадмієвими (Ni-Cd) і нікель-металогідридними (Ni-MH) акумуляторами, що раніше широко застосовувалися. І якщо останні наблизилися впритул до своєї теоретичної межі, то технології літій-іонних акумуляторів знаходяться на початку шляху.

Пристрій

У літій-іонних акумуляторах як негативний електрод (катод) працює алюміній, а позитивним електродом (анодом) виступає мідь. Електроди можуть бути виконані в різній формі, однак, як правило, це фольга у формі довгастого пакета або циліндра.

• Анодний матеріал на мідній фользі та катодний матеріал на алюмінієвій фользі поділяються пористим сепаратором, який просочений електролітом.
• Пакет електродів встановлюються в герметичний корпус, а аноди і катоди приєднуються до клем-токознімачів.
• Під кришкою акумулятора може бути спеціальні пристрої. Один пристрій реагує збільшенням опору на позитивний коефіцієнт температури. Другий пристрій розриває електричний зв'язок між позитивною клемою та катодом при підвищенні тиску газів в акумуляторі понад допустиму межу. У деяких випадках корпус оснащується запобіжним клапаном, який скидає внутрішній тиск за умов експлуатації або аварійних ситуацій.
• Для підвищення безпеки експлуатації у ряді акумуляторів застосовується і зовнішня електронний захист. Вона не допускає можливості надмірного розігріву, короткого замиканнята перезарядження акумулятора.
• Конструктивно акумулятори виробляються призматичному і циліндричному варіантах. Згорнутий у вигляді рулону пакет сепаратора та електродів у циліндричних акумуляторах поміщений у алюмінієвий або сталевий корпус, з яким з'єднується негативний електрод. Через ізолятор на кришку виводиться позитивний полюс акумулятора. Призматичні акумулятори створюються складанням прямокутних пластин один на одного.

Подібні літій-іонні акумулятори дозволяють забезпечити більш щільне пакування, проте в них важче підтримувати стискаючі зусилля на електроди, ніж у циліндричних. У ряді призматичних батарей використовується рулонне складання пакету електродів, скручених у еліптичну спіраль.

Більшість акумуляторів виробляється в призматичних варіантах, тому що основне їх призначення - забезпечення роботи ноутбуків і мобільних телефонів. Конструкція Li-ion акумуляторів відрізняється абсолютною герметичністю. Ця вимогапродиктовано неприпустимістю витікання рідкого електроліту. Якщо пари води або кисень потраплять усередину, відбувається реакція з електролітом і матеріалами електродів, що веде до повного виведення акумулятора з ладу.

Принцип дії

• У літій-іонних акумуляторах є два електроди у вигляді анода і катода, між ними знаходиться електроліт. На аноді при підключенні батареї в замкнутий ланцюгутворюється хімічна реакція, що призводить до утворення вільних електронів.
• Зазначені електрони прагнуть потрапити на катод, де менша їх концентрація. Однак від прямого шляхудо катода від анода утримує їхній електроліт, який знаходиться між електродами. Залишається єдиний шлях- Через ланцюг, куди замикається батарея. При цьому електрони, рухаючись по зазначеному ланцюзі, живлять енергією пристрій.
• Позитивно заряджені іони літію, які були залишені електронами, що втекли, в той же час через електроліт направляються до катода, щоб задовольнити потребу в електронах на стороні катода.
• Після переміщення всіх електронів до катода настає смерть батарейки. Але літій-іонний акумулятор перезаряджається, тобто процес можна звернути назад.

За допомогою зарядного пристрою можна впустити енергію в ланцюг, тим самим буде запущена реакція протікання в зворотному напрямку. В результаті буде отримано скупчення електронів на аноді. Після перезарядження акумулятора він здебільшого залишатиметься таким до моменту приведення його в дію. Однак з часом батарея втрачатиме частину свого заряду навіть у режимі очікування.

• Місткість батареї має на увазі кількість іонів літію, які можуть впровадитися в кратери і крихітні пори анода або катода. Згодом, після численних перезаряджень катод та анод деградують. У результаті кількість іонів, які можуть вмістити, зменшується. При цьому акумулятор не може утримувати колишню кількість заряду. Зрештою, він повністю втрачає свої функції.

Літій-іонні акумулятори виконані так, що їхню зарядку потрібно постійно контролювати. З цією метою в корпус встановлюється спеціальна платавона називається контролер заряду. Чіп на платі здійснює управління процесом зарядки акумулятора.

Стандартна зарядка акумулятора виглядає так:

• Контролер на початку процесу заряду подає струм завбільшки 10% від номінального. У Наразінапруга піднімається до 2,8 Ст.
• Потім струм заряду збільшується до номінального. В даний період напруга при постійному струмізростає до 4,2 ст.
• Після завершення процесу заряду струм падає при постійній напрузі 4,2 В до моменту 100% заряду батареї.

Стадійність може відрізнятися через застосування різних контролерів, що веде до різної швидкостізарядки та відповідно сумарної вартості акумулятора. Літій-іонні акумулятори можуть бути без захисту, тобто контролер знаходиться в зарядному пристрої або з вбудованим захистом, тобто контролер розташовується всередині батареї. Можуть бути пристрої, де захист захисту вбудований безпосередньо в акумулятор.

Різновиди та застосування

Існують два форм-фактори літій-іонних акумуляторів:

1. Циліндричні літій-іонні акумулятори.
2. Таблетні літій-іонні акумулятори.

Різні підвиди електрохімічної літій-іонної системи називаються за типом активної речовини, що застосовується. Поєднує всі ці літій-іонні акумулятори те, що всі вони є герметичними акумуляторами, що не обслуговуються.

Можна навести 6 найпоширеніших типів літій-іонних акумуляторів:

1. Літій-кобальтовий акумулятор . Він є популярним рішенням для цифрових камер, ноутбуків та мобільних телефонівчерез високий показник питомої енергоємності. Акумулятор складається з катоду з оксиду кобальту та графітового анода. Недоліки літій-кобальтових акумуляторів: обмежені можливостінавантаження, низька термічна стабільність та відносно короткий строкслужби.

Області застосування ; мобільної електроніки.

1. Літій-марганцевий акумулятор . Катод із кристалічної літій-марганцевої шпинелі виділяється тривимірною каркасною структурою. Шпінель забезпечує низький опір, проте відрізняється більш помірною питомою енергоємністю, ніж кобальт.

Області застосування; Електричні силові агрегати, медичне обладнання, електроінструмент.

1. Літій-нікель-марганець-кобальт-оксидний акумулятор . У катоді батареї поєднуються кобальт, марганець та нікель. Нікель славиться високою питомою енергоємністю, але низькою стабільністю. Марганець забезпечує низьке внутрішній опір, проте призводить до низької питомої енергоємності. Поєднання металів дозволяє компенсувати їх мінуси та задіяти сильні сторони.

Області застосування; для приватного та промислового використання ( , системи безпеки, сонячні електростанції, аварійне освітлення, телекомунікації, електромобілі, електровелосипеди тощо).

1. Літій-залізо-фосфатний акумулятор . Його основні переваги: ​​тривалий термін служби, високі показникисили струму, стійкість до неправильне використання, підвищена безпеката гарна термічна стабільність. Однак такий акумулятор має невелику ємність.

Області застосування; стаціонарні та портативні спеціалізовані пристрої, де потрібні витривалість та високі струми навантаження.

1. Літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидний акумулятор . Його основні переваги: ​​високі показники щільності енергії та енергоємності, довговічність. Однак показники безпеки та висока вартість обмежують його застосування.

Області застосування; електричні силові агрегати, промисловість та медичне обладнання.

1. Літій-титанатний акумулятор . Його основні переваги: швидка зарядка, тривалий термін служби, широкий температурний діапазон, відмінні показники продуктивності та безпеки. Це найбезпечніша літій-іонна акумуляторна батарея.

Однак у неї висока вартість та низька питома енергоємність. На даний момент ведуться розробки щодо здешевлення виробництва та збільшення питомої енергоємності.

Області застосування; вуличне, електричні силові агрегати автомобілів (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), ДБЖ.

Типові характеристики

Загалом літій-іонні акумулятори мають такі типові характеристики:

• Мінімальна напруга – не нижче 2,2-2,5В.
• Максимальна напруга не вище 4,25-4,35В.
• Час заряду: 2-4 години.
• Саморозряд при кімнатній температурі- Порядку 7% на рік.
• Діапазон робочих температур, починаючи від −20 °C до +60 °C.
• Число циклів заряду/розряду до досягнення втрати 20% ємності становить 500-1000.

Гідності й недоліки

До переваг можна віднести:

• Висока енергетична щільність порівняно з лужними акумуляторами із застосуванням нікелю.
• Достатньо висока напруга одного акумуляторного елемента.
• Відсутність ефекту пам'яті, що забезпечує просту експлуатацію.
• Значна кількість циклів заряду-розряду.
• Тривалий термін експлуатації.
• Широкий температурний діапазон, що забезпечує постійні робочі властивості.
• Відносна екологічна безпека.

Серед недоліків можна виділити:

• Помірний струм розряду.
• Щодо швидке старіння.
• Порівняно висока вартість.
• Неможливість роботи без вбудованого контролера.
• Імовірність самозаймання при високих навантаженьі при надто глибокому розряді.
• Конструкція потребує суттєвих доробок, адже вона не доведена до досконалості.

Перші експерименти зі створення літієвих гальванічних елементів було зафіксовано ще 1012 року. Реально діючу модель змогли створити в 1940 році, перші серійні екземпляри (неперезаряджувані!), З'явилися 70-х роках, а тріумфальна хода цього типу акумуляторів почалося з початку 90-х років, коли японська компанія Sony змогла освоїти їхнє комерційне виробництво.

В даний час вважається, що це один з найперспективніших напрямків створення автономних електричних джереленергії незважаючи на їхню досить високу (на рівні) вартість.

Головна перевага такого типу акумулятора – висока енергетична щільність (близько 100 вт/год на 1 кг ваги) та можливість виконання великого циклу зарядки/розрядки.

Новостворені батареї характеризуються і таким чудовим показником, як низька швидкістьсаморозряду (всього від 3-х до 5% за перший місяць, з подальшим зниженням цього показника). Це дозволяє при

І це ще не все - у порівнянні з широко поширеними Ni-Cd, нова схемапри тих же габаритах забезпечує втричі більшу працездатність за фактично відсутнього негативного ефекту пам'яті.

Негативні характеристики

літій іонних акумуляторів.

Насамперед – висока вартість, необхідність збереження батареї у зарядженому стані та так званий «ефект старіння», який проявляється навіть у тому випадку, коли гальванічний елемент не був в експлуатації. Остання неприємна властивість проявляється у постійному зниженні ємності, яка через два роки може призвести до повного виходу виробу з ладу.