Как устроен литий ионный аккумулятор

10

Как создают аккумуляторные батареи

Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.

Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.

Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.

Li-ion — литий-ионные

Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.

Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник

Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.

Li-po — литий-полимерные

Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.

Li-po и технологии

Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.

Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.

Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.

Li-po vs Li-ion

Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.

Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.

Литий

Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.

Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.

Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.

Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.

Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.

Извлечение лития

Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.

Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.

Литиевый соляной пруд в Аргентине.

Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.

Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.

Другие химические элементы

Составляющие стоимости Li-ion батареи.

Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.

Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.

Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.

Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.

В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.

Строение Li-po батареи

Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).

Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.

Процесс производства батареи

Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.

Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.

Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.

В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.

Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/

Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.

В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.

Литий-ионный аккумулятор: устройство, принцип работы, характеристики

Сложно представить себе жизнь современного человека без мобильного телефона, планшета, ноутбука, mp3 плеера, колонки и прочих переносных портативных гаджетов. Но вряд ли можно было бы представить себе их работу без качественного источника питания. Одним из наиболее распространенных вариантов для электроснабжения переносных устройств является литий-ионный аккумулятор. Как устроен и чем примечателен такой аккумулятор, мы рассмотрим в этой статье.

Устройство и принцип работы

Литий, как химический элемент давно известен способностью легко отдавать заряд за счет одного электрона расположенного на внешней орбите. Однако в соединениях литий стабилизируется, и его соли плохо вступают в реакцию. В Li-Ion аккумуляторах задача применения свойств этого химического элемента для питания электрических потребителей решается за счет конструктивных особенностей.

Рис. 1. Устройство литий-ионного аккумулятора

Конструктивно литий-ионный аккумулятор состоит из следующих частей:

• Положительно заряженный электрод – выполняется из алюминиевой фольги. Как правило, он выполняется из трех слоев, первый из которых представляет собой алюминий, а другие два – это порошковые или гелиевые напыления. В состав покрытия включаются проводящие основы и углеродистые структуры.
• Отрицательно заряженный электрод – композитный элемент изготавливаемый на основе медной фольги, которая покрывается наноструктурированными солями лития. Которые представлены соединениями лития с железом или кобальтом, их наносятся на медную поверхность посредством проводящего клея.
• Электролит – предназначен для наполнения пространства между анодом и катодом. В ходе эксплуатации литий-ионного аккумулятора электролит пропускает положительные ионы лития, но являются непроходимым препятствием для отрицательно заряженных электронов. Как правило, жидкий электролит выполняется на основе литиевых солей.
• Сепаратор или разделитель – применяется для отделения анода от катода, позволяет избежать необратимой химической реакции в случае внутреннего короткого замыкания пластин или при прорастании дендритов. Чаще всего выполняется из пористого листового полиэтилена, находящегося в слое электролита.

В соответствии с п.3.6 ГОСТ Р МЭК 62660-1-2014 под литий-ионным аккумулятором следует понимать такой аккумулятор, у которого при заряде от катода ионы лития переходят в анод, а в случае разряда через нагрузку перемещаются обратно. На этапе изготовления источника питания система положительного и отрицательного электрода находится в стабильном состоянии.

Рис. 2. Изначально система литий-ионного аккумулятора в стабильном состоянии

Как только к обкладкам будет приложено зарядное напряжение, под его воздействием начнется процесс выделения электронов из атомов лития, с образованием положительно заряженных ионов.

Рис. 3. Под воздействием зарядного напряжения из атомов выделятся электроны

Электроны начнут притягиваться к медному электроду, но не смогут проникнуть через толщу электролита. Поэтому элементарные заряженные частицы начнут перемещаться по замкнутой цепи.

Рис. 4. Электроны по замкнутой цепи перейдут от катода к аноду

В то время как положительно заряженные ионы лития смогут беспрепятственно проникнуть через электролит и перейдут в пористый графитовый слой. Таким образом, происходит накопление заряда в литий-ионном аккумуляторе, процесс продолжается до насыщения катодной зоны.

Рис. 5. Ионы лития переместятся через электролит

В итоге получается такое состояние литий-ионного аккумулятора, при котором отрицательный электрод обладает определенным зарядом, но его состояние крайне нестабильно. Скопившиеся под воздействием постороннего источника питания ионы лития и электроны уравновешивают друг друга.

Рис. 6. Заряженное состояние литий-ионного аккумулятора

Такой баланс заряда в литий-ионном аккумуляторе сохраняется до тех пор, пока к его выводам не подключат какую-либо нагрузку.

При подключении любого электрического прибора для электронов, расположенных в отрицательно заряженном электроде, появиться путь для перемещения в направлении катода.

Рис. 7. При подключении нагрузки электроны переместятся обратно к катоду

Электроны будут перемещаться по внешней электрической цепи, а положительно заряженные ионы лития пройдут сквозь электролит литий-ионного аккумулятора. Направленное движение отрицательно заряженных ионов и создает электрический ток. По мере перемещения заряженных частиц от отрицательного электрода к положительному, аккумулятор будет разряжаться, а для восстановления энергии, его потребуется подзарядить снова.

Характеристики

В эксплуатации литий-ионного аккумулятора опираются на его технические параметры. К основным характеристикам батарей данного типа относят:

• Плотность энергии – измеряется в Вт*ч/кг, для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего, находится в пределах от 90 до 120.
• Удельная мощность – определяет количество энергии в единице веса, составляет порядка 1 – 1,8 кВт/кг.
• Процент саморазряда – определяет количество растрачиваемой аккумулятором энергии за период времени. Для литий-ионных моделей составляет 2 – 3% в месяц. При условии нахождения батареи в комнатной температуре саморазряд составляет только 7% в год.
• Допустимый диапазон температур – для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего составляет от — 30 до +50°С, но в некоторых моделях может варьировать в пределах от – 60 до +70°С.
• Число циклов – указывает количественное выражение для возможности разряда и последующего заряда до выхода литий-ионного аккумулятора со строя. В зависимости от модели и конструктивных особенностей составляет от 2 до 5тысяч циклов. А при 0,5 – 1 тысяче, как правило, теряется порядка 20% начальной емкости.
• Минимальное и максимальное напряжение – для литий-ионных аккумуляторов наименьшая величина составляет в пределах 2,2 – 2,5В, а наибольшая составляет 4,25 – 4,35В.
• Время заряда – при оптимальном режиме составляет около 2 – 4 часов.

Преимущества и недостатки

В последнее время литий-ионные аккумуляторы заняли свою весомую нишу в сфере независимых источников питания и продолжают вытеснять другие модели. Такой успех объясняется рядом весомых преимуществ:

• Обладают высокой энергетической плотностью, в сравнении с щелочными, кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными.
• В сравнении с другими видами, один элемент характеризуется куда большей величиной напряжения, которую тот способен выдать.
• Характеризуются довольно большим количеством циклов заряда и разряда, благодаря чему могут похвастаться более длительным сроком эксплуатации.
• Может функционировать в достаточно широком температурном диапазоне.
• В сравнении с другими типами аккумуляторов, не содержит веществ, представляющих угрозу экологии.

Однако, на ряду с преимуществами, литий-ионные аккумуляторы характеризуются и некоторыми недостатками. Так, в случае несоблюдения основных режимов заряда или эксплуатации батарея может не только выйти со строя, но и загореться. В случае понижения температуры менее допустимого предела, емкость аккумулятора может снизиться до 20%. При избыточном заряде литий-ионный быстро выходит со строя.

Особенности эксплуатации

В случае неправильной эксплуатации литий-ионные аккумулятор быстро выходят со строя. Как могли заметить некоторые владельцы мобильных телефонов, такая батарея часто вздувается, что мешает нормальному закрытию крышки.

Рис. 8. Вздутие литий-ионной батареи

Подобная ситуация является следствием выделения большого количества газов, которые и раздувают корпус Li-Ion батареи. В то же время, при правильной эксплуатации, источник питания прослужит в 10 раз дольше.

Одним из важнейших правил для литий-ионных источников питания является соблюдение умеренного температурного режима. Не допускается как чрезмерный перегрев, к примеру, оставлять моблиьный телефон на пляже под воздействием прямых солнечных лучей, возле обогревателей или в автомобиле на палящем солнце. В равной степени, как и резкие переохлаждения. В случае выявления чрезмерного нагрева в ходе заряда, необходимо прекратить процедуру и вынуть литий-ионную батарею для охлаждения.

В случае выявления испорченной и уже вздутой батареи, ни в коем случае не следует пытаться ее проколоть или отремонтировать. Лучше замените е на новую в целях собственной безопасности, но внимательно следите за соблюдением основных режимов и правильным зарядом.

Особенности зарядки

От правильного заряда зависит продолжительность работы литий-ионного аккумулятора и величина емкости, в сравнении с заводскими характеристиками. Так, следует отметить следующие особенности:

Все о литий-ионных аккумуляторах Статья

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) на сегодняшней день являются одни из самых распространенных. Фотоаппараты, смартфоны, видеокамеры, электроинструменты – это лишь небольшая часть списка предметов, в которых используется этот источник питания. Это один из самых новых типов аккумуляторов (первый был выпущен в 1991 году), а в 2019 году за его изобретение трем ученым дали Нобелевскую премию.

Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы. Другое дело, что альтернатив нет, что и обуславливает их повсеместное использование. В нашей статье мы подробно разберем их устройство, плюсы, минусы, особенности работы и другие важные нюансы.

Принцип работы и устройство

Ниже на схеме можно посмотреть устройство литий-ионного аккумулятора. У него есть два типа электродов: катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, которые разделены пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом. Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи.

Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.

К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя. Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться. На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.

Устройство литий-ионного аккумулятора подразумевает использование платы, которая контролирует зарядку (это необходимо). Впрочем, о зарядке мы еще поговорим отдельно: там особый процесс. Также отметим, что в качестве катодных материалов сегодня используют разные соединения: литий-феррофосфат, литий-марганцевая шпинель, кобальт лития.

Преимущества

К ключевым преимуществам относят следующие параметры:

• Очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
• Высокий ток при работе;
• Нет необходимости в обслуживании;
• Саморазряд очень низкий;
• Готовность к эксплуатации в любой момент;
• Нет эффекта памяти;
• Возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
• Диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

Недостатки

Список недостатков литий-ионных аккумуляторов короче, но и здесь есть достаточно важные моменты. Отметим, что некоторые особенности мы будем подробно разбирать в следующем разделе, так как они очень важны.

• Дорогие (относительно других АКБ);
• При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк;
• Срок службы зависит от времени использования;
• Опасность взрыва или возгорания;
• Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки;
• Недопустимы механические повреждения;
• Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Особенности литий-ионных аккумуляторов.

Некоторые плюсы и минусы, а также особенности литий-ионных аккумуляторов стоит разобрать отдельно. В первую очередь те, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.

Опасность взрыва и возгорания

Считается, что это одна из ключевых проблем. Именно поэтому их запрещено провозить в багаже на самолетах. Тем не менее, в данный момент опасность преувеличена (хотя, в случае с авиацией, лучше перестраховаться и здесь запрет имеет смысл). Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. После циклов зарядки и разрядки на нем образовывались дендриты, которые приводили к замыканию, которое и вызывало возгорание или взрыв. Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились.

Сегодня такое происходит редко, но в СМИ можно часто увидеть новости, о взрыве смартфонов и т.д. Причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, АКБ низкого качества, короткие замыкания внутри аккумулятора (полностью от этой проблемы не избавились). В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры.

В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка. Это примерно как пострадать от удара молнии: никто не застрахован, но происходит это очень редко.

Отдельно расскажем про тушение. В ходе горения происходят не совсем традиционные химические реакции, поэтому литий-ионный аккумулятор может гореть даже без кислорода. Кроме того, при контакте с водой литий может образовывать водород. Если небольшой аккумулятор можно затушить водой, то в случае с крупными (например, в электромобилях) это будет неэффективным способом тушения.

Эффект памяти

К преимуществам литий-ионных аккумуляторов традиционно относят отсутствие эффекта памяти, особенно в сравнении с никель-кадмиевыми АКБ. Тем не менее, последние исследования показали, что это ошибка, однако эффект является настолько незначительным, что его можно не учитывать.

Все дело в ионах лития, которые теряют свои свойства при неполной зарядке. Часть из них остается на катоде, они переходят в пограничное состояние. То есть, они фактически подошли к барьеру освобождения, но не преодолели его. Поэтому при зарядке, когда свободные ионы пытаются вернуться на свое место, они встречаются с теми, которые находятся в пограничном состоянии и тем самым процесс становится более сложным, а структура электрода изменяется. Существуют определенные предложения, как избавиться от этого эффекта, но, повторим, он носит незначительный характер.

Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд

Выше мы писали, что в данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:

• На первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
• Номинальный ток, напряжение до 4,2 В;
• На финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.

В принципе, рядовому пользователю знать этого не нужно, контролеры и зарядные устройства поддерживают данные режимы автоматически. Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.

Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше. То есть, разница будет в 9 раз.

Здесь многое зависит от типа устройства, в котором используется АКБ. Разумеется, для смартфона или электроинструмента зарядка на уровне даже 70-80% емкости батареи выглядит невозможной, это попросту затруднит эксплуатацию. Но допускать разряд ниже 20% стоит только в крайнем случае, это действительно очень существенно продлевает срок жизни аккумулятора.

Старение

Данный тип аккумуляторов подвержен процессу старения, это достаточно серьезный недостаток. С этой точки зрения нет никакого смысла покупать батареи «про запас» и хранить их длительное время, но при этом не использовать. Поэтому если вы покупаете литий-ионный аккумулятор отдельно, стоит обратить пристальное внимание на дату его изготовления. Подавляющее большинство не могут служить более пяти лет (усредненное значение).

Кроме того, условия хранения также оказывают существенное воздействие на время хранения. Оптимальные условия: 40% заряд, температура от 0 до +10 градусов по Цельсию. А под сроком хранения до 5 лет подразумевается снижение емкость до уровня 80% от номинальной.

Оригинальные и не оригинальные

Литий-ионные аккумуляторы производят многие компании и каждый видел картину, когда АКБ от производителя устройства стоит значительно дороже, чем аналог. При этом емкость может быть одинаковой. Стоит ли экономить? Вопрос сложный, который зависит от того, в каком именно устройстве используется аккумулятор.

Разберем на примере смартфонов. Выше мы писали, что при заряде используется контроллер, но в случае со смартфонами, он находится не в АКБ, а в самом телефоне. То есть, все функции, которые должны обеспечивать эффективную работу, делегированы в само устройство. Это сделано сознательно, подобный подход как раз и создает не оригинальным АКБ изначально худшие условия.

Но есть устройства (например, электроинструмент, часть ноутбуков), где данная проблема не является актуальной и там никакой разницы вы не заметите. Поэтому мнение о том, что «дешевые китайские литий-ионные аккумуляторы плохие» — отчасти миф. Да, встречается продукция низкого качества, но зачастую снижение характеристик обусловлено факторами, на которые производитель АКБ повлиять никак не может.

Температура использования

Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура эксплуатации находится в диапазоне от – 20 до +50 градусов. Перегрев и переохлаждение не допускаются. Зарядка при низкой температуре также недопустима. Также, при падении температуры, снижается емкость. При отрицательной температуре батарея может потерять до 50% емкости, то есть, разрядится в два раза быстрее.

Существуют аккумуляторы с внутренним подогревом (если подразумевается эксплуатация при очень низких температурах), также некоторые устройства сами могут служить в роли обогревателя при работе, что несколько расширяет диапазон значений. Самая лучшая температура для работы литий-ионных аккумуляторов +20 градусов. Изменения как в плюс, так и в минус, негативно сказываются на емкости и ресурсе.

Характеристики

Характеристики могут зависеть от типа аккумулятора, химического состава его компонентов и варьироваться в определенных пределах.

• Энергоемкость: от 110 до 280 Втч/кг;
• Количество циклов заряда и разряда при емкости 80%: 600-700;
• Значение внутреннего сопротивления: от 4 до 15 мОм/Ач;
• Напряжение одного элемента: от 2,5 В до 4,2 В;
• Саморазряд: зависит от температуры и степени заряда. При 100% заряде и оптимальной температуре – около 1,5% в месяц;
• Скорость быстрой зарядки: около 60 минут.

Это диапазоны основных значений. Могут быть определенные отличия у аккумуляторов различных форм-факторов, например, напряжение 1,5 В (АА и ААА), но здесь речь идет о стабилизированном выходном напряжении, которое не зависит от напряжения в самих ячейках.

Восстановление аккумулятора

Ситуаций, когда литий-ионный аккумулятор может потребовать восстановление может быть две:

1. Аккумулятор работает, однако разряжается очень быстро;
2. Он полностью разряжен, но зарядка не работает.

В первом случае речь идет про естественную потерю емкости, и поделать с этим ничего нельзя. Даже в теории не существует способа вернуть номинальную емкость у литиевого аккумулятора. Во втором случае кое-что сделать можно, в интернете можно найти очень подробные инструкции по восстановлению в данном случае.

Чаще всего это происходит из-за глубокой разрядки, длительного не использования аккумулятора (когда он разряжен) или после воздействия очень низких температур. Проблема здесь в зарядных устройствах, которым кажется, что на аккумуляторе недопустимо низкое напряжение и поэтому они препятствуют подачи тока. Это сделано не просто так, цель – безопасность. Просто тут зарядное устройство ошибочно «думает», что внутри произошло замыкание или другие неполадки, а при таких ситуациях заряжать его попросту опасно. То есть, это вопрос безопасности.

При данной неполадке восстановление аккумулятора заключается в обмане зарядного устройства. Например, можно взять другую зарядку, которая не такая «умная». Однако, в этом случае нужно ограничивать максимальный ток. Здесь мы не будем писать длинные и подробные инструкции, их вы легко найдете сами, мы лишь отметили, что восстановление литий-ионного аккумулятора возможно.

Частые вопросы

В заключительной части мы разберем самые частые вопросы про литиевые аккумуляторы и дадим на них подробные ответы.

Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?

В настоящее время – нет. Можно сказать, что данная технология – апогей развития химических аккумуляторов. Теоретически (да и практические) альтернативы есть, но у них либо слишком высокая цена, либо низкий ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что пока не произойдет прорыва в технологиях, вменяемой альтернативы не будет.

Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?

Да, это возможно и не требует специальных знаний и большого опыта. Чаще всего замену делают в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние стоят дороже, зато их характеристики лучше. Чаще всего делают переделку шуруповертов и других подобных электроинструментов с питанием от АКБ.

Как утилизировать?

Литиевые аккумуляторы чаще всего просто выкидывают, особенно если говорить о совсем небольших, отдавать которые на переработку никому даже в голову не приходит. Кроме того, в России очень мало предприятий, которые занимаются данным типом аккумуляторов. Конечно, выкидывать их не правильно, но, к сожалению, зачастую другого выбора просто нет.

Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Данный вопрос не совсем корректный. Без уточнения характеристик, которые имеют значение, ответить на него невозможно. Где-то будет лучше один тип, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому нельзя сказать, какой из них лучше.

Правда ли то, что китайские литий-ионные аккумуляторы плохие?

Откроем секрет: большинство литиевых АКБ производят в Китае. В данном случае вопрос не в месте производства, а в контроле качества. Те, которые стоят значительно дешевле аналогов, очевидно, будут иметь худшие характеристики, поэтому от экономии толку не будет. Есть определенная цена, которая обусловлена производственными затратами, ее снижение автоматически снижает характеристики.

Литий ионный аккумулятор

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

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

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

Устройство и принцип действия литий-ионного аккумулятора

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

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

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

а на медную фольгу наносят графит.

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

Литий-феррофосфат LiFePO4

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

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

Устройство и принцип действия литий-ионного аккумулятора

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

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

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

Литий ионные аккумуляторы

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

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

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

Литий ионный аккумулятор для автомобиля

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

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

Правильная эксплуатация литий ионных аккумуляторов

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

Литий ионный аккумулятор для телефона

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

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

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

Не допускайте перегрева

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

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

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

Испорченный литий ионный аккумулятор

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

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

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

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

Вовремя отключайте зарядное устройство

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

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

Вовремя отключайте зарядное устройство

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

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

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

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

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

Не допускайте глубокий разряд

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

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

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

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

Не допускайте глубокий разряд

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

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

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

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

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

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

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

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

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

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

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

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

Имейте при себе резервный аккумулятор

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

Имейте при себе резервный аккумулятор

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