Литиевые аккумуляторы

Литиевые или литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в основном присутствуют в сотовых телефонах, ноутбуках, видеокамерах. Изделия дорогие, аккумуляторы тоже, поэтому и обращаться с ними нужно еще грамотнее, чем с любыми другими аккумуляторами. Так в чем же сила Литий-Йона? Здесь, наверное, еще больше слухов и мифов. Во-первых, она начинает появляться сама собой хотя бы потому, что продавцы техники с Li-ion аккумуляторами особых напутствий не дают, говоря, что батарея “умная” и сама все сделает как надо. А вот и не сама. Ведь сколько есть случаев, когда владельцы новых ноутбуков за месяц батарею приводили в негодность и потом платили хорошие за новую батарею. Конечно, литиевые батареи потому и дорогие, что напичканы электроникой, но она, к сожалению, не спасает от дурака.

Переразряд

Как и в случае никелевых аккумуляторов, литиевые также сильно боятся перезаряда и переразряда. Но, поскольку эти батареи используются в интеллектуальных устройствах и комплектуются собственными зарядными устройствами, их электроника не допускает перезаряда – т.о. его можно не бояться. А вот переразряд сложнее контролировать, поэтому он и является самой типичной причиной досрочного выхода аккумулятора из строя. Конечно, в дорогих и сложных устройствах, например, в ноутбуках, отключение происходит до падения напряжения до критического значения. Но прецеденты указывают на то, что это аварийное отключение лучше рассматривать как экстренную меру, до которой, по возможности, лучше не доводить. Это самое главное правило – избегать полной разрядки, поскольку низкое напряжение может отключить цепь аварийной защиты. Бывает, что люди «убивают» батареи, увлекшись тренировкой. Тренировка - вещь хорошая, но для литиевых батарей достаточно 2-3 полных цикла.

Для литиевых батарей нет эффекта памяти, поэтому их можно заряжать когда угодно, так что после тренировки лучше не разряжать батареи до конца. Рекомендуемый нижний порог – 5-10 %. Критический нижний порог – 3 %.

Много неполных циклов или один полный

У литиевых батарей срок службы – примерно 300 циклов. Полным циклом считается цикл полного заряда и полного (т.е. примерно до 3 % емкости) разряда, или наоборот. Если разрядить батарею до 50 %, а потом зарядить, то это будет 1/2 цикла, если до 75 % и зарядить – 1/4 цикла и т.д. Так вот, для телефонов и ноутбуков разница в пользе между полными и неполными циклами различна. В Интернете упорно утверждается, что куча народа заряжала телефоны при неполном разряде (т.е. каждый день дозаряжали телефон) и в итоге угробила их . В то же время, для ноутбуков достоверно известно, что полные циклы быстрее изнашивают батарею, чем неполные . Ситуация проясняется при детальном рассмотрении устройства Li-ion аккумуляторов (см. доп. материалы). Оказывается, многое зависит от контроллера. Именно он контролирует ток заряда, следит за состоянием батареи и т.д. Так вот, в ноутбуках контроллер расположен в самой батарее и корректируется системными утилитами, например калибровкой. В сотовых телефонах контроллер расположен в самом телефоне и так просто не корректируется. Хоть в литиевых батареях и нет эффекта памяти, но есть так называемый эффект “цифровой памяти” . Дело в том, что электроника управления зарядом-разрядом, размещенная в самой батарее, работает независимо от устройства, батарею использующего. Внутренняя электроника следит за уровнем напряжения элемента, прерывает заряд по достижении установленной максимальной величины (с учетом изменения напряжения, обусловленного током зарядки и температуры батареи), прерывает разряд при достижении критической величины и сообщает об этом “наверх” (для этих целей производится большая номенклатура специализированных микросхем). Система же мониторинга батареи “наверху” вычисляет уровень заряда, основываясь на информации о моментах выключения заряда и разряда от батареи и показаниях системы измерения тока. Но если условия работы таковы, что полной разрядки до аппаратного отключения или полной зарядки не происходит, эти вычисления после нескольких циклов могут стать не вполне корректными – емкость батареи со временем падает, да и показания измерителя тока не всегда могут соответствовать реальности. Обычно отклонения не превышают одного процента на каждый цикл, если только в процессе эксплуатации не произошло серьезных изменений, связанных, к примеру, с выходом из строя одного из элементов батареи. Система мониторинга имеет возможность “обучаться”, то есть пересчитывать значение полной емкости батареи, но для этого нужно выполнить как минимум один полный цикл заряд-разряд до срабатывания аппаратных схем самой батареи. Вот и выходит, что при очень частых циклах контроллер сбивается, а, следовательно, неправильно вычисляет заряд батареи и осуществляет неправильную зарядку, в результате чего батарея портится. В отличие от ноутбука, телефон перекалибровать нельзя. Все, что остается в данном случае, это сделать пару полных циклов, чтобы привести контроллер в порядок. Я рекомендую, в идеале, совмещать полные и неполные циклы, придерживаясь принципа “золотой середины”. Лично я со своим сотовым так и делал – в результате, после 2-х лет эксплуатации падение емкости составило не более 40 %, что является нормой. Отчасти, время тоже не щадит литиевые аккумуляторы – они изнашиваются со временем независимо от эксплуатации; век их недолог и разумно менять аккумуляторы раз в 2-3 года.

Хранение

Если аккумулятор не используется, рекомендуется хранить его при 40 % емкости в прохладном месте. Нижний предел температуры для хранения и эксплуатации – 00 С. Вообще литиевые аккумуляторы любят быть заряженными, т.е. их лучше и хранить и держать в заряженном состоянии, в отличие от никелевых. Но при длительном хранении максимальный заряд все же сильнее изнашивает батарею, поэтому оптимальным состоянием считается 40 % заряда .

Реанимация батареи

Вообще, если батарея сдохла, лучше купить новую, это самый логичный вариант, хотя и дорогой. Достоверных рецептов реанимации батарей я не встречал. Тут ходят настоящие легенды, особенно про ноутбуки, что люди реанимировали свой угробленный аккумулятор ноутбука и все у них замечательно. Одна из них звучит так: “Нужно полностью разрядить аккумулятор, оставить ноутбук на неделю; затем полностью зарядить аккумулятор и тоже оставить на неделю; через два месяца емкость должна восстановиться” .

Для сотовых телефонов: совмещать полные и неполные циклы (в пропорции “ХЗ”).
Для ноутбуков: как можно меньше полных циклов (после тренировки).
Для всех: рекомендуется делать 80%-ные циклы; не допускать полного разряда (ниже 3 %).

Приветствую, любезные мои друзья и почитатели, данного блога читатели. Вместо очередного урока , правильней сказать статьи в копилку фотошколы , решил я написать статью про тему наболевшую и для всех важную.

Думаю многим, в том числе и вам, много уважаемые мои читатели, будет и интересно, и полезно узнать, что же такого принципиального представляют из себя литий-ионные аккумуляторы , каковы их предельные характеристики, как их нужно использовать, что можно получить при правильном использовании, и конечно же, каков должен быть уход, для длительной жизни аккумулятора . Итак вперед.

Нафига?- вы спросите меня, я вообще затеял писанину на эту тему. Ну батарейка и батарейка и что с нее. Так? Ан нет. Литий-ионный аккумулятор , это по сути топливный бак для многих наших любимых девайсов, а в простонародье устройств. Ну и что? — скажете мне вы, — нам то какая разница? А разница вам большая и важная. Идея написать эту статью появилась после того, как мы со студентами фотошколы ходили на . Погодные условия вполне себе заурядные около -7 -10 по цельсию, солнышко, легкий ветерок, ясно. Приятная в общем погода, для пытливого глаза фотолюбителя. Однако, многие студенты забеспокоились: А для камеры это не опасно? А она не замерзнет? А что будет если замерзнет? (о температурных режимах работы камеры я буду писать отдельную заметку) А что будет с аккумулятором камеры? Мы слышали, что аккумулятор камеры сильно боится холода и может выйти из строя, это правда? Правда, но не вся и не совсем. Давайте разбираться.

В наших с вами камерах, стоят литий-ионные аккумуляторы. Что бы это значило? А вот что. У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры использования, в сравнении с другими типами аккумуляторов. Не буду вдаваться в подробности, но в наше время, большинство производителей бытовой электроники, стараются снабдить свои изделия именно Li-ion аккумуляторами, так как они более просты и дешевы в производстве и менее вредны для окружающей среды.

Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем — щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет

После множества испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых аккумуляторов закручена вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процессы, происходившие при эксплуатации, в конце концов, приводили к бурной реакция, получившей название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых аккумуляторных батарей, которые впервые использовали в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавший лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за свойственной металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумулятора без применения Li, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, тем не менее Li-ion аккумуляторы безопасны при обеспечении правильных режимов заряда и разряда.

Если дальше, кому то важна и интересна часть про то какие химические процессы были и есть в литий-ионных аккумуляторах, как эти самые процессы укрощали, то путь вам в гугль. Я в химии и физике не настолько силен, чтоб писать статью от чтения которой буду засыпать сам.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение — 3,5-3,7 В.

Если еще несколько лет назад разработчики-производители считали максимально достижимой — емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов(вспоминаем школьный курс физики), то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов, а то и тысячи.

Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные — до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс литий-ионных аккумуляторов: 500-1000 циклов заряд-разряда.

И вот тут то многие скажут: -Ааааа. Вот почему можно снимать камерой при умеренно низких температурах. Да, — отвечу вам я. Плюс к этому, когда аккумулятор работает, отдавая энергию, в нем происходят химические реакции, побочным эффектом которых является выделение тепловой энергии, что позволяет аккумулятору дольше сохранять рабочий диапазон температуры. К тому же, когда мы вынимаем камеру из кофра, на улице, она(камера, фотокамера) у нас тоже имеет положительную температуру, то есть мы еще увеличиваем временной ресурс, в течении которого можем проводить съемку на улице при -7 ..-15 °С. Добавьте к этому температурный нагрев процессора камеры во время съемки, нагрев матрицы, даже тепло рук, которыми мы держим камеру и ей передаем, продлевает тепловой и временной ресурс работы камеры при умеренно низких температурах.

Это что касается использования аккумуляторов в работе. Теперь давайте немного поглядим на сторону заряда и хранения. Литий-ионные батареи не требуют какого-то особенного ухода. Основные правила их эксплуатации можно найти в инструкции к телефону/ноутбуку/камере, а все остальное берут на себя схема BMS и контроллер заряда в питаемом устройстве. Тем не менее при покупке часто можно услышать от продавца или приятеля-«гуру» следующие утверждения:

«…первая зарядка - 12–15 часов…» или, как вариант, «…просто оставляете устройство подключенным всю ночь…»;

«…нужно сделать 3–5 полных цикла, чтобы аккумулятор набрал емкость…»;

«…батарею желательно заряжать и разряжать полностью…»;

«… ну и что, что аккумулятору уже год, он же не использовался; срок его службы зависит исключительно от количества циклов «заряд–разряд»…».

Давайте посмотрим, насколько вышесказанное соответствует действительности.

Первое утверждение попросту лишено смысла – управляющая электроника не позволит зарядить батарею больше положенного.

Совет №2 тоже несостоятелен. Литий-ионные аккумуляторы после первой же зарядки работают с полной отдачей, а разряжаются поначалу быстрее просто потому, что владелец устройства настраивает и изучает его, демонстрирует друзьям и знакомым и т. п. Через неделю-две гаджет входит в нормальный режим, что, естественно, положительно сказывается на автономности. Но одна полная зарядка перед началом использования все-таки желательна. Это нужно не для аккумулятора, а для того, чтобы аппарат мог определить ее реальную емкость и в дальнейшем правильно отображать остаток заряда.

У рекомендации №3 «ноги растут» еще из правил эксплуатации никель-кадмиевых батарей, которые нужно было предварительно полностью разряжать, иначе необратимо терялась часть емкости. Их литий-ионные собратья не имеют подобного «эффекта памяти», мало того – им противопоказан глубокий разряд. При частом применении это неактуально, так как система BMS не дает аккумулятору разрядиться до конца, но если он будет пребывать в разряженном состоянии месяц и более, остатки заряда «утекут», схема защиты заблокирует процесс зарядки и отключится, после чего зарядка будет уже невозможна. Избыточный заряд тоже вреден, но в большинстве устройств это уже учтено, и они заряжают батарею не до 100%.

Встречается также совет типа «заряжайте как хотите, но хотя бы раз в неделю (месяц) проведите цикл полностью». Такая схема работы оптимальна для никель-металлгидридных аккумуляторов – они тоже обладают эффектом памяти, но намного меньшим, чем Ni-Cd, и восстанавливают емкость после 1–2 полных циклов. Для литий-ионных батарей это справедливо лишь частично, так, например, рекомендуется сделать после длительного хранения.

Из утверждения номер 4 следует логичный, казалось бы, вывод: раз время жизни батареи измеряется количеством циклов, значит, лучше использовать по максимуму. Это ошибка. Полные заряд и разряд быстрее изнашивают ее, а неполные циклы, напротив, продлевают жизнь. К тому же литий-ионные аккумуляторы теряют емкость даже без использования. Уже после года «на полке» их ресурс уменьшается на 5–10%, после 2 лет – на 20–30%. Поэтому, приобретая новое портативное устройство, обращайте внимание на дату выпуска источника питания. Очевидно также, что покупка батареи «впрок», даже если ее трудно найти в продаже, бесполезна.

Очень важно соблюдать температурный режим работы литий-ионных батарей. На морозе ниже -20 °С они просто перестают отдавать ток, а при жаре выше +45 °С хотя и функционируют, но такие климатические условия активизируют процесс старения, значительно сокращая срок жизни аккумулятора. А вот заряжать его можно только при положительных (по Цельсию) температурах, иначе велик риск выхода устройства из строя. Вообще, оптимальная рабочая температура литий-ионных АКБ составляет +20 °С.

Литий-ионные батареи постоянно совершенствуются, производители активно экспериментируют с материалами электродов и электролита. В 1994 г. появились аккумуляторы с литий-марганцевыми, а в 1996 – с литий-железо-фосфатными катодами. Они гораздо стабильнее и легко переносят большой разрядный ток, поэтому нашли применение в электроинструментах и электромобилях. С 2003 г. выпускаются батареи, использующие сложный состав катода (LiNiMnCoO2) и обладающие наилучшим сочетанием характеристик среди всех перечисленных. Но по удельной емкости и цене литий-кобальтовые экземпляры пока никому превзойти не удалось, а преимущества новых типов не востребованы в мобильных телефонах и ноутбуках, потребляющих относительно небольшой ток.

Если вы временно отложили свой аппарат, но хотите сберечь его аккумулятор в рабочем состоянии, – знайте, что лучше всего литий-ионные аккумуляторы хранятся при температуре около +5 °С. Чем она выше и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее стареет батарея и теряет емкость. Лучше всего зарядить ее до 40–50%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет, положить в холодильник (но не в морозильную камеру!) и периодически подзаряжать.

Вот и все, что я хотел сказать по поводу элементов питания, наших с вами друзья, электронных питомцев. Будь то телефон, плеер или фотокамера.

Данная статья подготовлена по материалам найденным на просторах интернета и собранным тут в кучку для удобства и понимания сути процесса.

Есть вопросы? Пишите в комментариях, и Я обязательно отвечу.

P.S. Друзья, если статья понравилась вам или стала вам полезной. Сделайте и мне взаимное добро. Поделитесь ссылкой на статью на своих страничках «Вконтакте», «Одноклассниках», «Facebook», «Tweeter» и других страничках. Для этого нужно всего лишь нажать кнопки внизу страницы и следовать простым шагам инструкции. Так же приглашаю вас подписаться на мою рассылку, тогда вы точно не пропустите следующую, надеюсь интересную и полезную, статью. Форма подписки находится в верхнем правом углу страницы.

• Перевод

Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и - если повезет - медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.

Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.

Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.

Введение в литий-ионные аккумуляторы

В обычной литий-ионной батарее, мы найдем катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом. Мы также найдем анод или положительный электрод, который сегодня, как правило, изготавливается из графита. Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.

Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.

Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.

Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.

Когда мёртвая батарея действительно мертва?

Когда мы говорим о «мёртвой» батарее, важно понять две метрики производительности: энергия и мощность. В некоторых случаях очень важна скорость, с которой вы можете получать энергию из батареи. Это мощность. В электромобилях высокая мощность делает возможным быстрое ускорение, а также торможение, при котором батарее требуется получить заряд в течение нескольких секунд.

В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.

Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.

Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его - повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой - это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.

В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.

Что ломается и почему

Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод, в идеале хотелось бы, чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру.

Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.

Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.

В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.

Проблема коррозии

Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Итак, у нас есть глина из такого «активного» материала, как литий-кобальтовый оксид (который представляет собой керамику и не является очень хорошим проводником), а также клееподобный связующий материал, нанесенный на кусок металла.

Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.

Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.

Слишком много хорошего

Графит - материал, широко используемый для изготовления анодов - термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. В идеальном мире эта реакция происходила бы один раз, чтобы создать защитный слой, и на этом всё закончится.

В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.

Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.

Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.

Создавая лучшие батареи

Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы функционировали подобно витаминам в нашем рационе, т.е. позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом, говорит Абрахам. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.

Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.

Потребительский рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов огромен – около $10 млрд, при этом он довольно устойчив, темп роста составляет всего 2% в год. А как же электромобили, спросите вы? Действительно, в ближайшие годы, в связи развитием электромобилей, прогнозируется темп ежегодного роста литий-ионных аккумуляторов в 10%. На удивление, самой большой областью роста рынка Li-ion батарей по-прежнему остается «все остальное», начиная от мобильных телефонов и заканчивая вилочными погрузчиками.

«Другие» приложения для литий-ионных аккумуляторов, как правило, имеют одну общую черту – это устройства, которые получают питание от запечатанных свинцово-кислотных батарей (англ. sealed lead acid (SLA)). За последние почти 200 лет свинцово-кислотные батареи заняли лидирующую позицию на рынке электроники, но они вот уже несколько лет вытесняются с рынка литий-ионными аккумуляторами. Поскольку во многих случаях литий-ионные батареи стали заменять свинцово-кислотные батареи (аккумуляторы), стоит сравнить эти два вида накопителей энергии, подчеркнув основные технические особенности и экономическую целесообразность применения Li-ion вместо традиционных SLA устройств.

История применения аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

Химические особенности

Фундаментальные основы химических процессов в ячейках придают свинцово-кислотным и литий-ионным устройствам определенные свойства и различные степени функциональных возможностей. Ниже приведены некоторые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов, которые сделали его основным в течении десятилетий и недостатки, которые теперь приводят к его замене, а также подобные аспекты для литий-ионных устройств.

Свинцово-кислотная батарея

• СКБ проста, надежна и недорога. Ее можно использовать в широком диапазоне температур.
• Батареи должны хранится в постоянно заряженном состоянии (SoC) и они не поддаются быстрой зарядке.
• СКБ имеют большой вес. Их гравиметрическая плотность энергии очень мала.
• Жизненный цикл обычно составляет от 200 до 300 разрядов/зарядов, что очень мало.
• Кривая заряда/разряда позволяет измерять SOC с простым контролем напряжения.

Литий-ионная батарея

• Имеют максимальную плотность энергии по размеру и весу.
• Жизненный цикл обычно составляет от 300 до 500, но может измеряться и тысячами для литий-фосфатных ячеек;
• Очень мал диапазон рабочих температур;
• Доступны различные размеры ячеек, формы и другие возможности;
• Нет необходимости в техническом обслуживании. Уровень саморазряда очень мал.
• Требуется реализация схем по безопасности эксплуатации. Сложный алгоритм зарядки.
• Измерения SoC требует непростых решений из-за нелинейности кривой напряжения.

Электроника

Важно понимать различие между батарейным блоком и аккумулятором. Ячейка – основной составной элемент пакета. Помимо этого, в пакет еще входит электроника, разъемы и корпус. На рисунке выше показаны примеры данных устройств. Литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь, как минимум, реализованные схемы защиты и управления ячейкой, а зарядное устройство и система измерения напряжения гораздо сложнее, чем в свинцово-кислотных устройствах.

При использовании литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, основные отличия в электронике будут заключаться в следующем:

Зарядка

Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора довольно проста при соблюдении определенных порогов напряжений. В литий-ионных батареях используют более сложный алгоритм, за исключением пакетов на основе фосфата железа. Стандартный метод заряда для таких устройств – метод постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV). Он включает в себя двухэтапный процесс зарядки. На первом этапе происходит заряд с постоянным током. Длится это до тех пор, пока напряжение на ячейке не достигнет определенного порога, после чего напряжение остается постоянным, а ток снижается по экспоненциальному закону, пока не достигнет значения отсечки.

Подсчет заряда и связь

Как упоминалось ранее, заряд СКБ можно измерять простыми средствами измерения напряжения. При использовании литий-ионных аккумуляторов необходим контроль уровня заряда ячеек, для чего необходима реализация сложных алгоритмов и циклов обучения.

I 2 C является наиболее распространенным и экономичным протоколом связи, используемым в литий-ионных аккумуляторах, но он имеет ограничения в отношении помехоустойчивости, целостности сигнала на расстоянии и общей полосы пропускания. SMBus (шина управления системой), производная от I 2 C, очень распространена в батареях меньшего размера, но в настоящее время не имеет какой-либо эффективной поддержки для мощных или более крупных пакетов. CAN прекрасно подходит для сред с высоким уровнем шума или там, где требуются длительные прогоны, например во многих СКБ-приложениях, но это стоит довольно дорого.

Прямые замены

Следует подчеркнуть, что ныне существует несколько стандартных форматов свинцово-кислотных батарей. Например - U1, стандартный форм-фактор, используемый в приложениях резервного питания медицинского оборудования. Литий-железо-фосфатный аккумулятор оказался вполне достойной заменой свинцово-кислотным. Фосфат железа обладает замечательным жизненным циклом, хорошей проводимостью зарядов, улучшенной безопасностью и низким импедансом. Напряжения литий-железо-фосфатных аккумуляторов также хорошо согласуются с напряжениями свинцово-кислотных (12 В и 24 В), что позволяет использовать одни и те же зарядные устройства. Программные пакеты для обслуживания и контроля батарей включают в себя интеллектуальные функции, такие как отслеживание заряда, счетчик циклов заряда/разряда и другие.

Литий-железо-фосфатные батареи сохраняют 100% емкости при хранении, в отличие от СКБ батарей, которые теряют емкость в течение нескольких месяцев хранения. На рисунке выше сравниваются два продукта и типы достижений, достигнутых при переходе от СКБ к Li-ion.

Выводы

Очень мало существует батарей, которые способны хранить столько же энергии, как свинцово-кислотные, что делает данный вид аккумуляторов экономически выгодным для многих мощных устройств. Литий-ионная технология постоянно снижается в цене, а также постоянные совершенствование их химических структур и систем безопасности делает их достойным конкурентом свинцово-кислотной технологии. Устройства для их применения могут быть самые различные, начиная от устройств бесперебойного питания, до электромобилей и беспилотников.

Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чем главное отличие от ионной батареи?

Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.

Срок службы литий-полимерного аккумулятора

В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.

Недостатки

Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.

Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций

С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать - Li-pol или Li-ion, - не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.

Оптимальный метод зарядки

Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос - как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.

Меры предосторожности

В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания - разумеется, при условии поддержания их герметичности.

Какой аккумулятор лучше - Li-pol или Li-ion?

Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.

Заключение

Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.