Литиевые аккумуляторы сколько вольт

3

Все, что вы хотели знать о Li-Ion аккумуляторах, но боялись спросить (часть 1).

Сейчас на рынке представлено огромное разнообразие Li-Ion аккумуляторов различных марок, как с защитой, так и без. Взрывной рост их популярности пришелся на 2008-2010гг., когда на рынке появились большое количество мощных светодиодных фонарей в зарубежных интернет-магазинах.

Но, стоит признать, что, до сих пор, для большинства пользователей, этот тип элементов питания является достаточно новым и незнакомым. Чтобы не запутаться во всем этом многообразии мы хотим вам дать несколько советов, чтобы помочь определиться, какой именно литиевый аккумулятор вам необходим (защищенный-незащищенный) и как не купить откровенно некачественный товар.

Что нужно знать при использовании Li-Ion аккумуляторов.

В силу технологии Li-Ion аккумуляторы имеют ряд ограничений, которые необходимо соблюдать в процессе эксплуатации.
Это:
• максимальное напряжение (напряжение перезаряда) не должно превышать 4,25-4,35В
• минимальное напряжение (напряжение переразряда) не должно быть ниже 2,2-2,5В
• ток разряда не должен превышать 2ух-кратное значение емкости (2С): т.е. для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток разряда не должен быть выше 4400мА, а обладателя емкости в 3100мАч можно смело разряжать током до 6200мА. Есть особые типы высокомощных Li-Ion аккумуляторов, которые предназначены для работы с большими разрядными токами, превышающими величину их емкости в 5-10 раз.

Аккумуляторная батарея шуруповерта DeWALT, состоящая из аккумуляторов SANYO UR18650WX

• ток заряда не должен быть выше половины значения емкости аккумулятора (0,5С).

По аналогии с током разряда для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток заряда не должен быть выше 1100мА, а аккумулятор с емкостью 3100мАч можно зарядить током в 1550мА.

• Li-Ion аккумулятор НЕ ЗАРЯЖАЕТСЯ при минусовой температуре, но достаточно спокойно относится к работе на морозе с небольшой потерей емкости. Т.е. зарядили аккумулятор дома, пошли, — поработали на улице, потом, опять, принесли заряжать аккумулятор домой. Это утверждение вы можете проверить в действии на вашем смартфоне или фотоаппарате/видеокамере, — там стоит такой же литиевый аккумулятор, только в другом типоразмере.

• Незащищенные аккумуляторы нельзя паять. Если вы хотите собрать из отдельных аккумуляторов большую батарею,

то следует учитывать, что Li-Ion аккумуляторы очень не любят перегрева, а при попытке припаять провод к контакту аккумулятора вы, скорее всего, его перегреете.

Вот так делать не надо

Поэтому собирают аккумуляторные батареи с помощью контактной сварки и специальной ленты.

Качественная сварка Li-Ion аккумуляторной батареи

Опять же, для обслуживания такой батареи вам понадобится контроллер,

Li-Ion аккумуляторная батарея с контроллером заряда-разряда

который будет следить за процессами заряда-разряда аккумуляторов.

Но, перейдем от теории к практике и попробуем дать ответы на самые распространенные вопросы, которые возникают у покупателей при выборе Li-Ion аккумулятора.

1. Защищенный или нет.

Как мы уже говорили, Li-Ion аккумуляторы должны работать в диапазоне напряжений 4,2-2,5В. Для того, чтобы в процессе работы напряжение на АКБ не выходило за пределы этого диапазона на минусовой контакт незащищенного Li-Ion АКБ (их еще называют "ячейка") ставят небольшую электронную плату защиты (зачастую, она именуется просто «защита»).

Именно эта плата обеспечивает работу ячейки в допустимом диапазоне напряжений, предохраняет от перегрузки по току и от короткого замыкания.

Плата защиты приваривается стальной лентой к контактам аккумулятора

и весь этот «бутерброд», упаковывается в термо-пленку с обозначение бренда и емкости (как реальной так и совершенно бредовой, в некоторых случаях).

на синем аккумуляторе (слева) заявленная емкость не соответствует действительности

Из-за платы защищенные аккумуляторы на пару миллиметров длиннее своих незащищенных сородичей и на 0,5 мм толще.

А, так как, качественная Li-Ion ячейка имеет длину 65мм, то защищенный Li-Ion АКБ вырастает в длине до 68-70мм. Такие аккумуляторы могут обозначаться типоразмером 18700 (где первые две цифры это диаметр в мм., а вторые две- длина). Это надо учитывать при выборе аккумулятора, — сможет ли такой аккумулятор влезть, к примеру, в ваш фонарь или зарядное устройство.
PS. На некоторых зарядных устройствах для Li-Ion аккумуляторах производители заранее указывают, что их продукт может заряжать аккумуляторы типоразмера вплоть до 18700.

зарядные устройства XTAR позволяют заряжать Li-Ion аккумуляторы вплоть до типоразмера 18700

Защищенные аккумуляторы можно применять в любых устройствах, которые расчитаны на работу с Li-Ion источниками питания и не имеют встроенного контроллера заряда-разряда. В настоящее время основными потребителями защищенных АКБ являются светодиодные фонари, так как именно такие аккумуляторы способны обеспечить питанием мощные светодиоды в течении продолжительного времени.

Так же, защищенные аккумуляторы находят все большее распространение в разнообразной маломощной бытовой электронике, которая работает от одного-двух АКБ.

При необходимости собрать более серьезный источник питания прибегают к изготовлению аккумуляторных батарей. Тут уже в ход идут только незащищенные аккумуляторы.

батарея из Li-ion аккумуляторов SANYO

Такие батареи стоят в большинстве современных ноутбуках, в электроинструменте, фото-видео технике, электровелосипедах и т.д. Управляет такими батареями специальный контроллер, который следит за напряжением на каждом отдельном аккумуляторе в батарее и необходимости в индивидуальных платах защиты нет.

контроллер батареи из Li-ion аккумуляторов

Подитог: если у вас светодиодный фонарь, с вероятностью 99% вам необходим защищенный аккумулятор. Если вы хотите отремонтировать батарею в ноутбуке или в шуруповерте или просто вам нужна БАТАРЕЯ из LI-Ion аккумуляторов, то вам необходимы именно незащищенные АКБ.
Часть 2

Как устроен Li-Ion аккумулятор?

Автономную работу всевозможных устройств,отмобильных гаджетов до персонального электротранспорта, обеспечивают аккумуляторы. С учетом необходимых значений емкости и напряжения, они объединяются в аккумуляторные батареи. Ключевые характеристики АКБ – емкость, напряжение, масса, время восполнения заряда, допустимый температурный режим – зависят от типа используемой химии.

Для автономного питания современной техники успешно используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют большой циклический ресурс, малый саморазряд, широкий температурный диапазон и солидную удельную емкость. Катод у таких элементов выполнен из производных лития, а заряд переносят ионы Li. Далее мы подробнее рассмотрим устройство Li-ion аккумуляторов и принцип их работы.

Как устроена литий-ионная батарея?

В основе конструкции литий-ионного аккумулятора– 2 составляющие: анод, выполненный из пористого углерода на фольге из меди, и катод – из оксида лития на фольге из алюминия. Их разделяет пористый сепаратор из полипропилена, обильно пропитанный электролитом, который выполняет функции проводника. Система находится в герметичном корпусе. Электроды подключены к токосъемникам. Некоторые аккумуляторы дополнительно имеют клапан-предохранитель для сброса внутреннего давления.

Пластины из меди и алюминия, смазанные электролитом и разделенные пористой прослойкой, обычно сворачиваются в рулон. В итоге получается элемент цилиндрической формы. При другом способе укладки пластин получаются изделия в форме призм и пакетов. Состав катода бывает разным: LiMn2O4, LiFePO4, LiCoO2,LiMnO2, LiMnRON, LiC6, LiNiO2и т.д.

Типы Li-ionаккумуляторов

В зависимости от используемого материала катода литиевые элементы бывают:

1. Литий-марганцевые (LiMn2O4, LNO). Имеют меньшее внутреннее сопротивление, высокую мощность и умеренную емкость – 100–150 Вт·ч/кг. Стандартные токи заряда и разряда – до 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С и С-рейтингом разряда до 10С, а в импульсном режиме – до 50С. Ресурс – около 500 циклов. Применяются такие накопители в электроинструменте, силовых агрегатах, медицинском оборудовании.
2. Литий-кобальтовые (LiCoO2, LCO). Имеют высокую энергоемкость (150–200 Вт·ч/кг), но уступают аналогам по термической стабильности и сроку службы (500–1000 циклов). Токи заряда и разряда для таких элементов не должны превышать 1С. Накопители энергии на основе кобальта встречаются все реже, но еще используются в мобильных телефонах, цифровых камерах, ноутбуках.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC, NCM). Обеспечивают высокую мощность и емкость – 150–220 Вт·ч/кг, выдерживают 1000–2000 циклов. Стандартные токи заряда и разряда – 1С. Используются в медицинском и промышленном оборудовании, электровелосипедах и других видах электротранспорта.
4. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA). Отличаются высокой удельной энергоемкостью – 200–260 Вт·ч/кг. Имеют ресурс около 500 циклов, зарядные токи 0,7С и разрядные 1С. Обеспечивают автономное питание промышленного и медицинского оборудования, электрических силовых агрегатов и других устройств, требующих высокой емкости. (LFP, LiFePO4). Отличаются большим ресурсом (более 2000 циклов), термической и химической стабильностью, высокой безопасностью эксплуатации и малым внутренним сопротивлением. Их удельная энергоемкость составляет 90–120 Вт·ч/кг, ток зарядки – 1С, ток разрядки – до 25С. Используются такие элементы питания в устройствах, для которых важна выносливость аккумов, способность работать на морозе и выдерживать высокие токи нагрузки.
5. Литий-титанатные (LiTi). Отличаются низким номинальным напряжением (2,4 В) и удельной энергоемкостью 70–80 Вт·ч/кг, но быстро заряжаются, имеют широкий температурный диапазон и ресурс 3000–7000 циклов. Номинальные токи зарядки 1С, максимум – 5С. Допустимые разрядные токи – 10С, а при импульсной подзарядке – 30С. Литий-титанатные элементы считаются самыми безопасными. Используются они в уличном освещении, ИБП, электротранспорте.

Как работает литиевый аккумулятор?

Принцип работы Li-ion аккумуляторов идентичен для элементов всех типов, независимо от материала катода.Когда на электроды подается напряжение – «плюс» на оксид лития и «минус» на графит – положительно заряженные ионы лития отцепляются от молекул оксида и переходят на углеродную пластинку. В результате протекает окислительная реакция, и аккумулятор заряжается.

При работе литиевого аккумулятора под нагрузкой протекает обратный процесс. Ионы Li + возвращаются на пластинку из оксида лития, в свое стандартное состояние. Графитовая пластинка на фольге из меди становится «минусом», а оксид лития на фольге из алюминия – «плюсом».

Особенности зарядкиLi-ionэлементов

Литий-ионные элементы питания чувствительны к перезаряду. На поверхности анода при чрезмерном заряде осаждается металлический литий. Он выглядит как мелкий мшистый осадок и способен вступать в реакцию с электролитом. На катоде при перезаряде активно выделяется кислород. Внешне это может проявляться в виде интенсивного нагрева, роста давления и разгерметизации элемента.

Заряжаются Li-ionаккумуляторы в 2 этапа:

1. При стабильном значении тока 0,2С–1С до рекомендованного производителем напряжения, обычно – 4,1–4,2 В. Длится эта стадия около 40 минут.
2. При неизменном напряжении. Процесс зарядки завершается, когда значение зарядного тока уменьшается до величины, составляющей 3% от начального значения.

Быстрее происходит зарядка в импульсном режиме.Но для продления срока службы литиевых элементов их рекомендуется заряжать током, номинал которого составляет 50% от значения емкости, т.е. 0,5С.

Защита литиевых аккумуляторов

Элементы питания на основе лития защищены от коротких замыканийвнутри системы, например, с помощью 2-слойного сепаратора. Один из его слоев выполняется не из полипропилена, а из аналога полиэтилена. При риске короткого замыкания, к примеру, если дендриты лития прорастают к катоду, защитный слой локально нагревается, частично плавится, становится непроницаемым и блокирует последующее прорастание дендритов.

Для защиты от избыточного заряда и глубокого разряда накопители энергии снабжаются специальными ограничителями – платами защиты по току и напряжению. Они не допускают выхода напряжения за границы рекомендованного диапазона и в критических ситуациях автоматически отключают элемент от питания или нагрузки.

Поэтому для безопасной работы элементов и аккумуляторных батарей важно использовать BMSплаты. В противном случае высок риск повреждения аккумуляторов и их преждевременного выхода из строя. Такой контроллер зарядно-разрядного процесса может устанавливаться и на отдельные аккумуляторы, и на собранную из них батарею.

Производство литиевых элементов питания

Сырье для основных элементов в схеме Li-ion аккумуляторов – катода и анода – имеет вид мелкофракционного черного порошка. Чем мельче частицы, тем больше получается эффективная площадь электродов. Оптимальная форма частиц – сферическая, с гладкими краями, т.к. неровности чувствительны к токовым нагрузкам.

Производственный процесс состоит из следующих этапов:

1. Порошковидные материалы наносятся в виде суспензии на фольгу. Аноды и катоды обычно производятся в различных цехах, чтобы обеспечить максимальную чистоту материалов. Металлическая фольга играет роль токоприемника.
2. Фольга с нанесенными материалами сушится, разделяется на полоски и складывается в несколько слоев. Процесс сворачивания строго контролируется, т.к. любые дефекты способны привести к коротким замыканиям внутри системы.
3. Между пластинами анода и катода зажимается сепаратор, обработанный электролитом.
4. Пластинки сворачиваются рулоном или по другой схеме и помещаются в корпус.

Готовые изделия проходят тестирование – контролируемый цикл заряда-разряда. Подзарядку начинают с минимального напряжения и с постепенным его повышением.Протестированные изделия заряжаются до оптимального уровня, чтобы исключить риск значительного падения напряжения из-за саморазряда, и поставляются в продажу.

Предыдущая статья нашего блога посвящена сигнализации для электровелосипедов.

Какое напряжение Li-ion аккумулятора лучше

При выборе Li-ion аккумуляторов учитываются разные характеристики: типоразмер, наличие защиты, бренд, циклический ресурс, допустимые токи заряда и разряда. Но главную роль играют 2 параметра – емкость и номинальное напряжение. У большинства литий-ионных элементов номинальное напряжение равно 3,6 или 3,7 В.

Но встречаются и ячейки с отличающимся вольтажом. Например, элементы питания на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4) имеют номинальное напряжение 3,2 вольта. Встречаются в продаже и литий-ионные ячейки с увеличенным напряжением: 3,75 В, 3,8 В, 3,85 В. О том, какое напряжение Li-ion аккумулятора лучше, почему и что зависит от этого параметра, проанализируем в этой статье.

Типы напряжений

Этот параметр включает несколько видов:

1. Номинальное напряжение – измеряется в средней точке графика разряда. Как правило, составляет 3,6 или 3,7 В.
2. Реальное или рабочее – бывает от 2,4 до 4,4 В.
3. Минимальное – допустимое значение, до которого аккумулятор может разрядиться без потери своих эксплуатационных характеристик. Для большинства литиевых ячеек составляет 2,4–2,5 В, а для высоковольтных моделей – 2,8–3 В.
4. Максимальное – допустимый верхний предел, превышение которого считается перезарядом и вредит работоспособности аккумулятора. Как правило, составляет от 4,2 В у большинства до 4,35–4,4 В у высоковольтных моделей.

Как меняется напряжение при работе Li-ion аккумулятора?

Когда элемент питания полностью заряжен (уровень заряда равен 100%), его вольтаж составляет 4,2–4,4 В, в зависимости от характеристик модели. При дальнейшем подключении к нагрузке аккум отдает накопленную энергию и постепенно разряжается, удерживая при этом номинальный вольтаж 3,6–3,7 В (±0,1 В при разрядном токе 0,2–0,5С).

Когда уровень остаточного заряда достигает 20% от накопленной емкости, напряжение снижается до 3 В. Чтобы не допустить глубокого разряда и химической деградации аккума, BMS плата отключает его от нагрузки. Обычно это происходит при снижении напряжения до 3–2,75 В. Когда разряженные элементы подключаются к зарядному устройству, их вольтаж снова увеличивается до 4,2–4,4 В.

Параметры зарядки Li-ion аккумуляторов

До какого напряжения заряжать Li-ion аккумулятор – зависит от параметров конкретной модели, но для большинства литиевых элементов верхний предел составляет 4,2 В. Кроме напряжения полного заряда, важную роль при выборе зарядного устройства играет допустимый ток заряда. Он может составлять от 0,5С до 1С, где С – это значение емкости. Например, аккум емкостью 2500 мАч допускается заряжать током от 1,25 А до 2,5 А.

Влияние химического состава

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных подвидов, с некоторыми различиями в электрохимической системе. Эти различия влияют на рабочие параметры аккумов, в т. ч. и на значения напряжения. В зависимости от используемого активного вещества, различают литий-кобальтовые, литий-марганцевые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и другие подвиды Li-ion элементов питания.

Самые популярные категории и их основные характеристики приведены в таблице.

Обозначение

INR или NCM

IMR или LMO

NCR или NCA

IFR или LFP

Формула активного вещества (материал катода)

Номинальное напряжение

U min

U max

Ток разряда

10С, кратковременно – до 30С

25С, кратковременно – до 40С

Допустимый ток заряда

Срок службы

Более 500 циклов

Более 3000 циклов

Различия в характеристиках объясняются разным составом аккумуляторов, а именно использованием в роли катодного материала оксидов кобальта, никель-марганец-кобальта, марганца, никель-кобальт-алюминия или железо-фосфата.

Методы повышения напряжения

Для повышения напряжения ячеек нужно снизить их внутреннее сопротивление. Для этого производители экспериментируют с материалами катода и анода, совершенствуют известные схемы и формулы, разрабатывают и внедряют инновационные добавки к электролиту. На каждом этапе они стараются найти компромисс между емкостью, токоотдачей и сроком службы элементов питания.

Кроме распространенных моделей на 3,6 и 3,7 В, можно встретить Li-ion аккумы на 3,75 В, 3,8 В, 3,85 В. В частности, батареи с вольтажом порядка 3,8 В широко используются в смартфонах. Такие элементы питания называют высоковольтными и обычно обозначают LiHV или High Voltage Li-ion. Заряжаются они не до 4,2, а до 4,4 В. Чтобы достичь таких значений, производители прибегают к разным хитростям, например, покрывают поверхность катода тонким слоем специальных материалов и включают добавки в электролит.

Какое напряжение лучше?

Существенной разницы между элементами питания с номинальным напряжением 3,6 В и 3,7 В при эксплуатации не наблюдается. Тем не менее, увеличение этого параметра влечет за собой возрастание энергоемкости. Известно, что для приблизительного расчета запасаемой емкости (в ватт-часах) достаточно умножить напряжение в вольтах на емкость в ампер-часах. Чем больше это значение, тем выше энергоемкость аккумулятора.

С другой стороны, у аккумуляторов с увеличенным вольтажом бывает меньший циклический ресурс. И наоборот, аккумы с меньшим напряжением могут значительно превосходить конкурентов по остальным не менее важным параметрам. Яркий пример таких аккумуляторов – модели на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4).

Преимущества LFP аккумуляторов

Несмотря на меньшее напряжение (3,2 В), они превосходят конкурентов по таким параметрам как:

• диапазон рабочих температур от -30 до +50 °С;
• увеличенный циклический ресурс – минимум 2000 циклов;
• меньшая подверженность эффекту старения – при хранении емкость падает всего на 1,5% в год;
• термическая и химическая стабильность;
• безопасность эксплуатации;
• устойчивость к возгоранию, даже при разгерметизации;
• простота утилизации;
• устойчивость к глубокому разряду, перезаряду, короткому замыканию, перегреву;
• способность выдерживать токи разряда до 25С и увеличенный зарядный ток;
• меньшее время заряда.

И хотя удельная энергоемкость у LFP ячеек на 14% меньше, чем у Li-ion элементов других типов, во многих случаях этот аспект отходит на второй план. Например, при выборе аккумуляторных батарей для электровелосипедов и других видов персонального транспорта для круглогодичной эксплуатации лучшими заслуженно считаются АКБ типа LiFePO4. Также они предпочтительны в качестве тяговых АКБ для лодочных моторов и в целом для жестких условий эксплуатации.

Поэтому правильно выбирать Li-ion аккумуляторы не только и не столько по напряжению, как по всей совокупности характеристик.

Какое напряжение Li-ion-аккумулятора лучше: 3,6В, 3,7В, 3,75В, 3,8В или 3,85В?

Какое значение лучше выбирать по напряжению Li-ion-аккумулятора в смартфоне? Ведь вариантов немало: 3,6В, 3,7В, 3,75В, 3,8В или 3,85В.

Напряжение на аккумуляторе указывается двух типов:

• • номинальное (то есть основное рабочее, указывается всегда);
• • максимальное (снижается ток, работает защита от перезаряда, иногда не указано — ниже объясним, почему).

Цифра в значении напряжения зависит от конструкции и типа электрохимической системы литиевого элемента. Узнайте, есть ли разница, и какие элементы лучше для надёжности, срока службы, быстрой зарядки и так далее.

Что означает напряжение Li-ion-аккумулятора смартфона «3,7В / 4,2В»?

Типовой вариант литий-ионных (и литий-полимерных) аккумуляторов с кобальтовым катодом (LCO) имеет напряжение на элемент:

• • 3,6В номинальное;
• • 4,2В максимальное.

Вот, как это напряжение влияет на работу литий-ионного аккумулятора:

• • Аккумулятор заряжается до 4,2В (индикация 100%);
• • Постепенно разряжаясь, он удерживает номинальное напряжение на уровне 3,6В (+/- 0,1В при токе разряда 0,2C-0,5C);
• • При остатке около 20% заряда от ёмкости напряжение падает до 3,0В;
• • Срабатывают алгоритмы контроля аккумулятора (например, управляющая плата BMS и аппаратно-программные средства смартфона — он выключается).
• • Срабатывает защита, когда напряжение падает до критического у Li-ion значения 3,0-2,75В (точная цифра зависит от материалов, задумки инженеров и сборки).

Сильно разряженный Li-ion-аккумулятор выключается после срабатывания защиты по нижнему порогу напряжения — размыкается цепь. Восстановить можно. Правда, понадобится специальное оборудование. И результат получится со значительной потерей ёмкости (глубокий разряд).

Исконно-номинальное значение напряжения Li-ion-аккумулятора 3,6В — до 3,7В его увеличили в маркетинговых целях за счёт понижения внутреннего сопротивления.

Диапазон напряжений 3,7-4,2В (рабочий ещё шире: 2,75В-4,2В) используется в литий-ионной технологии повсеместно (в элементах 18650, аккумуляторы в смартфонах, смарт-часах, планшетах, ноутбуках, электроинструменте, электротранспорте). Но встречаются и другие варианты.

Какое напряжение литий-ионного аккумулятора лучше?

Увеличение напряжения от штатных 3,6В добавляет мощности аккумулятору и увеличивает максимальную ёмкость при заряде выше 4,2В.

Однако перезаряд плохо сказывается на сроке службы и безопасности ячейки. Требуются другие материалы, более дорогое производство, чтобы снизить негативный эффект. Новые модели смартфонов могут предложить такие технологии, но стоят ли они усилий и переплаты?

Отличия, которые скрывают цифры по напряжению Li-ion-аккумулятора

Первое значение соответствует номинальному и указывается обязательно на всех ячейках. Второе значение указывается либо рядом, либо где-нибудь в описании характеристик на стикере с информацией. Притом найти его удаётся не всегда на корпусе ячейки (в таком случае считается, что оно штатное для технологии — 4,2В).

3,6В / 4,2В

Традиционные аккумуляторы (обычно с кобальтовым катодом). Исконные значения технологии Li-ion и Li-ion Polymer.

3,7В / 4,2В

Современный и наиболее распространённый вариант достигнут в маркетинговых целях («3,7В больше 3,6В») с небольшой доработкой материалов катода и анода (снижено внутреннее сопротивление).

3,75В / 4,2 или 4,25В

Компромисс между долговечностью, ёмкостью и мощностью, которым пользуются производители во флагманских и популярных моделях. Чтобы достичь большего максимального напряжения при заряде 4,25В поверхность катода покрывается специальными материалами (от грубого нанесения до структурного перекрытия оболочкой), разрабатываются добавки к электролиту.

3,8-3,85В / 4,35-4,4В

Новейшие разработки материалов (тонкоплёночные покрытия катода и добавки в электролит) позволяют заряжать аккумуляторы до 4,35 (+/-0,05В). Это увеличивает мощность (например, полезно для электромотора) и ёмкость (время автономной работы).

Они называются высоковольтовые элементы (LiHV или High Voltage Li-ion, например, HV-LIPO). Из особых требований — поддержка 4,4В со стороны зарядного устройства (должно быть правильно настроено по напряжению полной зарядки для дополнительной ёмкости).

Заряд до такого высокого напряжения, как 4,4В плохо влияет на долговечность. Даже с использованием новейших технологий защиты электродов от чрезмерного износа производитель получает ячейки, в которых уменьшается максимальное число циклов заряд-разряд. Для их работы требуются более ответственные меры, чтобы изделие соответствовало стандартам безопасности.

Интересно, что в Datasheet литий-ионных аккумуляторов 3,85В / 4,4В тестирование демонстрирует более экстремальный заряд до 4,6В. Это ещё сильнее увеличивает ёмкость и мощность.

Однако инженеры отмечают, что для безопасности заряда до такого высокого напряжения следует строго следить за повреждениями и вздутием. Если они есть, то так сильно заряжать нельзя, опасно.

Ответы на частые вопросы по напряжению Li-ion-аккумулятора

Срок службы батареи Li-ion согласован с моральным устареванием модели смартфона. В связи с этим фактом, короткий цикл жизни элемента питания с точки зрения производителей вполне приемлем. Почему бы и не увеличить циферку в ёмкости пусть и немного за счёт срока службы?

На практике мы сталкиваемся с определёнными эффектами при использовании разных напряжений аккумуляторов в одном и том же смартфоне. Возникают популярные вопросы, на которых хотелось бы дать краткие ответы.

Вопрос 1: Напряжение 4,35В или 4,4В действительно лучше, чем 4,2В?

Ответ: Да, это даст больше ёмкости на первые 50-100 полных циклов заряд-разряд (и мощности, например, для мотора в электроинструменте). Далее у двух аккумуляторов 4,35В и 4,2В ёмкость фактически сравняется — «карета превратится в тыкву». В теории срок службы аккумулятора, который продолжают перезаряжать выше 4,2В, будет меньше. Но если не заряжать его выше 80%, то, вероятно, он прослужит даже больше [тезис аргументирован, но требует практических испытаний].

Вопрос 2: Стоит ли искать только аккумуляторы с напряжением 4,2В?

Ответ: Нет, основывать свой выбор только на этой характеристике не стоит. Вы получите аккумулятор со сроком службы 500 полных циклов (на 100-150 циклов больше в сравнении с 4,4В), но с учётом быстрого морального устаревания смартфонов это преимущество может быть совершенно неважно (составит всего несколько месяцев от двух-трёх лет).

Вопрос 3: Есть ли разница между аккумуляторами 3,6В и 3,7В?

Ответ: Есть, но она фактически незаметна. Отличается внутреннее сопротивление, которое критично при определённых экстремальных обстоятельствах.

Вопрос 4: Есть ли разница между аккумуляторами 3,85В и 3,75В?

Ответ: Есть, и довольно большая. Отличаются технологии производства и применения материалов для катода, анода и электролита. Они влияют на максимальный заряд, в том числе дают возможность безопасно заряжать до 4,4В (требуется соответствующая поддержка на заряднике). Это в свою очередь увеличивает максимальную ёмкость (Wh = Ah * V или Вт·ч = А·ч * В).

Вопрос 5: Есть ли разница между аккумуляторами 3,7В и 3,75В?

Ответ: Есть, и она практически незаметна, если производитель не указал максимальное напряжение 4,35В (тогда отличия будут, как в вопросе 4). Обычно на аккумуляторе 3,75В это значение не указывают (тогда считается 4,2В), реже вписывают «измеренное» максимальное напряжение 4,25В — является по сути маркетинговым ходом.

Вопрос 6: Есть ли ещё информация? Я не нашёл напряжение, которое указано на моём аккумуляторе.

Ответ: Могут встречаться промежуточные значения, вроде «3,82В». Это некие «измеренные» («rated voltage») цифры по номинальному напряжению после увеличения максимального напряжения заряда до 4,4В. Достаточно придерживаться указанной выше вилки, чтобы понимать разницу. Кратные напряжения, например, 11,1В говорят о составе батарейного блока из трёх подключённых между собой аккумуляторов 3,7В (3шт x 3,7В = 11,1В).

Напряжение Li-ion аккумулятора — это важная для инженеров характеристика, которую учитывают при концептуальное разработке коммерческого продукта (например, смартфона, планшета, электродрели). Параметры применения литий-ионной ячейки зависят от её максимального напряжения при зарядке, что достигается разными технологическими решениями.

Сейчас актуальны две разновидности максимального напряжения Li-ion:

• • 4,2В (исконное, штатное значение, иногда даже не указывается — и так понятно, аккумуляторы с отсечкой на 4,2В «живут» немного дольше);
• • 4,35В или 4,4В (элементы высокого напряжения или High Voltage Li-ion/LiPo, их срок службы уменьшен взамен на указанные выше преимущества).

Номинальное напряжение 3,6В, 3,7В, 3,75В, 3,8В или 3,85В, указанное на корпусе аккумулятора по сути не влияет на срок службы, если максимальное напряжение одинаковое (4,2В). Но может говорить о разных материалах, применяющихся для катода, анода и электролита.

Все утверждения, которые мы привели в этой статье, основаны на расчётах, исследованиях и тезисах Battery University. В ходе своей работы мы опирались на собственный опыт производства аккумуляторов литий-ионного типа в компании Neovolt.

Для дальнейшего самостоятельного изучения рекомендуем обратиться к научному исследованию: «Практическая оценка литий-ионных аккумуляторов» [опубликовано в ScienceDirect] — эта работа входит в национальную программу ключевых исследований и разработок Китая (грант №2016YFB0100100 )

Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.