Какие бывают литий ионные аккумуляторы

18

Литиевые аккумуляторы

Среди самых современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. В химии литий из металлов самый активный.

Он обладает огромным ресурсом хранения энергии. 1 кг лития способен хранить 3860 ампер-часов. Хорошо известный цинк сильно отстаёт. У него этот показатель равен 820 ампер-часов.

Элементы на основе лития могут вырабатывать напряжение до 3,7V. Но лабораторные образцы способны вырабатывать напряжение около 4.5V.

В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не применяется.

Сейчас распространены 3 типа литиевых аккумуляторов:

Литий-ионные (Li-ion). Номинальное напряжение (U_ном.) – 3,6V;

Литий-полимерные (Li-Po, Li-polymer или «липо»). U_ном. – 3,7V;

Литий-железо фосфатные (Li-Fe или LFP). U_ном. – 3,3V.

Все эти типы литиевых аккумуляторов различаются материалом катода или электролита. В Li-ion используется катод из кобальтата лития LiCoO₂, в Li-Po применён электролит из гелеобразного полимера, а в Li-Fe используется катод из литий-ферро-фосфата LiFePO₄.

Любой литиевый аккумулятор (или устройство в котором он работает) оснащён небольшой электронной схемой – контроллером заряда/разряда. Так как аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к перезаряду и глубокому разряду, это необходимо. Если "расковырять" любой литиевый аккумулятор от сотового телефона, то в нём можно обнаружить небольшую электронную схему – это и есть защитный контроллер (Protection IC).

Если встроенного контроллера (или супервизора заряда) в литиевой батареи нет, то такой аккумулятор называют незащищённым. В таком случае контроллер встроен в прибор, который питается от такой батареи, а зарядка возможна только от прибора или от специального зарядного устройства.

На фото показан незащищённый Li-Po аккумулятор «Turnigy 2200 mAh 3C 25C Lipo Pack». Данная акк.батарея состоит из 3 последовательно включенных ячеек (3C — 3 cell) по 3,7V и поэтому имеет балансировочный разъём. Продолжительный ток разряда может достигать 25С, т.е. 25 * 2200мА = 55000мА = 55А! А кратковременный ток разряда (10 сек.) – 35С!

Для литиевых батарей, которые представляют собой несколько последовательно включенных ячеек, требуется сложное зарядное устройство, оснащённое балансиром. Такой функционал реализован, например, в таких универсальных зарядных устройствах, как «Turnigy Accucell 6» и «IMAX B6».

Балансир нужен для того, чтобы во время заряда составной литиевой батареи выровнять напряжение на отдельных ячейках. Из-за различий между ячейками одни могут заряжаться быстрее, а другие медленнее. Поэтому применяется специальная схема шунтирования зарядного тока.

Вот такую распайку имеют балансировочный и силовой шлейф у LiPo-аккумулятора на 11,1V.

Как известно, перезаряд ячейки литиевого аккумулятора (особенно Li-Polymer) свыше 4,2V может привести к взрыву или самовозгоранию. Поэтому во время заряда необходимо контролировать напряжение на каждой ячейке составной батареи аккумулятора!

Правильная зарядка литиевых аккумуляторов.

Литиевые аккумуляторы (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) заряжаются по методу CC/CV («постоянный ток/постоянное напряжение»). Метод заключается в том, что сначала, когда напряжение на элементе мало, его заряжают постоянным током (constant current) определённой величины. При достижении напряжения на элементе (например, до 4,2V – зависит от типа аккумулятора), контроллер заряда поддерживает постоянное напряжение (constant voltage) на нём.

Первая стадия заряда литиевого аккумулятора – CC – реализуется за счёт обратной связи. Контроллер так подбирает напряжение на элементе, чтобы ток заряда был строго постоянной величины.

В течение первой стадии заряда литиевый аккумулятор накапливает большую часть мощности (60 – 80 %).

Вторая стадия заряда – CV – начинается тогда, когда напряжение на элементе достигает определённого порогового уровня (например, в 4,2V). После этого контроллер просто поддерживает постоянное напряжение на элементе и отдаёт ему тот ток, который ему необходим. К концу заряда ток снижается до значения 30 – 10 мА. При таком токе элемент считается заряженным.

Во время второй стадии аккумулятор накапливает оставшиеся 40 – 20 % мощности.

Стоит отметить, что превышение порогового напряжения на литиевом аккумуляторе чревато его чрезмерным перегревом и даже взрывом!

При зарядке литиевых аккумуляторов рекомендуется помещать их в невозгораемый пакет. Это особенно актуально для аккумуляторов, которые не имеют специального бокса. Например, такие, которые применяются в радиоуправляемых моделях (авто-, авиа- моделирование).

Недостатки литий-ионных аккумуляторов.

Основным и самым пугающим недостатком аккумуляторов на основе лития, я бы назвал их пожароопасность при превышении рабочего напряжения, перегреве, неправильном заряде и безграмотной эксплуатации. Особенно много нареканий относительно литий-полимерных (Li-Polymer) аккумуляторов. Однако, литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы не имеют такой негативной особенности – они пожаробезопасны.

Также литиевые аккумуляторы очень боятся холода – быстро теряют свою ёмкость и перестают заряжаться. Это относится к Li-ion и Li-Po аккумуляторам. Литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы более устойчивы к морозу. Собственно, это одно из положительных качеств Li-Fe аккумуляторов.

Недостатком литиевых аккумуляторов является и то, что они требуют наличия специального контроллера заряда – электронной схемы. А в случае составной аккумуляторной батареи и балансира.

При глубоком разряде литиевые аккумуляторы теряют свои первоначальные свойства. Особенно глубокого разряда боятся Li-ion и Li-Po аккумуляторы. Даже после восстановления такой аккумулятор будет иметь меньшую ёмкость.

Если литиевый аккумулятор не будет "работать" долгое время, то сначала напряжение на нём снизится до порогового уровня (как правило 3,2-3,3V). Электронная схема полностью отключит ячейку аккумулятора, а затем начнётся глубокий разряд. Если напряжение на ячейке снизится до 2,5V, то это может привести к выходу её из строя.

Поэтому стоит время от времени подзаряжать аккумуляторы ноутбуков, сотовых телефонов, mp3-плееров во время длительного простоя.

Обычно срок службы рядового литиевого аккумулятора составляет 3 — 5 лет. Спустя 3 года ёмкость аккумулятора начинает довольно заметно уменьшаться.

«Литий-ионный»: великая путаница в аккумуляторах

Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion Battery) — это название объединяет все аккумуляторы литий-ионного типа, даже если у них совершенно разные материалы анода, катода и состав электролита.

Нужно сравнение аккумуляторов Li-Ion? Например, 18650? Рекомендуем перейти к полному руководству.

Всё кажется простым до тех пор, пока вы не услышите в одном предложении литий-титанат и литий-железо-фосфат, а потом не начнёте сравнивать литий-ионный с литий-полимерным. Как развязать клубок путаницы в этих многочисленных названиях?

Если вы слышите о литий-кобальтовом аккумуляторе, то знайте, что это самый обыкновенный и наиболее распространённый литий-ионный аккумулятор из наших с вами смартфонов. Почему он «кобальтовый»? Из-за кобальта на его катоде.

По маркетинговому названию производители могут понимать особенности конкретной ячейки.

Или другой пример. Зная о преимуществах кремниевых анодов аккумуляторов, в тех же массовых литий-кобальтовых ячейках можно достичь лучшей ёмкости, чем с традиционным графитовым анодом. То есть в проект смартфона инженером будет закладываться уже литий-кобальтовый аккумулятор с кремниевым анодом.

Разберёмся подробнее в маркировке Li-Ion.

Типы литий-ионных аккумуляторов отличаются по типу материала анода, катода, электролита

Для чего им разные материалы? У одной химии больше пользы в безопасности или ёмкости (увеличена плотность энергии), у другой лучше получится удерживать заряд в мороз или увеличить ток разряда (актуально в электроинструменте или электромобилях).

При выборе анода, катода, электролита многое зависит от назначения самого электронного устройства.

Разберём принцип выбора типа литий-ионного аккумулятора для смартфона

Инженер компании-производителя при проектировании исходит из следующих потребностей:

• • компактные (толстые и тяжёлые гаджеты не покупают — почему так);
• • максимально ёмкие (чтобы держал заряд весь день, а лучше два);
• • максимально дешёвые (в масштабном производстве каждый рубль имеет значение).

Ради этого можно пожертвовать определёнными характеристиками:

• • сроком службы (количества циклов достаточно для двух-трёх лет эксплуатации, ведь к тому моменту смартфон морально устаревает);
• • предиктивной безопасностью (толстый прочный корпус не нужен — его заменяет корпус смартфона, да и выполнять контроль лучше более «умными» программно-аппаратными средствами).

К литий-ионной аккумуляторной ячейке в компактном размере, ёмкой с приемлемым сроком службы и базовой безопасностью как раз идеально подходит кобальтовый катод (LiCoO2, LCO) в тандеме с графитовым анодом. Недорогой в производстве, быстро изготавливается, массовый продукт.

Но ведь есть устройства, где срок службы и безопасность куда важнее цены и ёмкости.

Например? Источники бесперебойного питания. Мы в подробностях рассказывали как раз о таких надёжных батареях — литий-железо-фосфатных (LiFePo4, LFP).

Служат больше 10 лет, высокий ток разряда, выдерживают термические потрясения, беспрецедентно для литий-ионной технологии стабильны даже при коротком замыкании. Но всё ещё слишком дорого стоят за ту же ёмкость, что и LCO.

О «гаджетовой» компактности LiFePo4 при этом можно забыть. Если только сравнивать их со свинцово-кислотными АКБ из наших с вами автомобилей. Потому они лучше подходят как раз для ИБП (безопаснее, работают более 10 лет, не нужно обслуживать).

Наиболее распространённые типы литий-ионных аккумуляторов

Разделение на типы и маркировка обычно выбирается по катоду. Реже по аноду. Ещё реже по электролиту.

LCO | Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2

Наиболее распространённый тип Li-Ion благодаря отличным характеристикам ёмкости (самая высокая энергоёмкость после NCA), мощности и цены.

В LCO хуже, чем в других системах: безопасность (требуется хорошая защита и контроль заряда-разряда) и долговечность (но её обычно хватает на цикл жизни одной модели потребительского устройства, такого как смартфон или ноутбук). Из-за дефицита кобальта [источник] ячейкам LCO стремительно ищут замену.

LFP | Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePo4

Лучшие стороны — безопасность, высокие токи нагрузки и долговечность. В жертву идёт цена и ёмкость.

Катоды LFP отличаются по содержанию углерода и удельной поверхности: одни лучше себя показывают при низких температурах (например, электробусы), а другие обеспечивают лучшие показатели по устойчивому сопротивлению и стабильности в высокотемпературных режимах (например, те же источники бесперебойного питания и системы хранения энергии).

NMC | Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные с катодом LiNiMnCoO2

Наиболее сбалансированный по характеристикам материал с относительно высокой ёмкостью (примерно, как у LCO без графита на аноде) и уравновешенными свойствами безопасности, мощности, стоимости и долговечности.

Наиболее распространённая формула катодного материала: 33% никеля + 33% марганца + 33% кобальта (или 1:1:1). В маркировке может добавляться трёхзначная цифра, обозначающая как раз это соотношение (например, NMC 333 или NMC 811).

NCA | Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные с катодом LiNiCoAlO2

Литий-ионные аккумуляторы с маркировкой NCA особенно востребованы в электротранспорте из-за лучшего сочетания характеристик энергоёмкости (лучше всех в Li-Ion) и долговечности.

Основной недостаток — высокая цена. Также бОльших усилий относительно других электрохимических систем требует контроль заряда, разряда, температуры.

LMO | Литий-марганцево-оксидные с катодами LiMn2O4 и Li2MnO3

Литий-марганцевая шпинель на катоде LMO обеспечивает литий-ионному аккумулятору высокую термическую стабильность, сравнительно высокую ёмкость и низкую себестоимость.

Подвержен быстрому старению и разрушению при перегреве выше 60°C. На исправление недостатков направлены усилия по усовершенствованию гетероструктуры, чтобы предотвратить воздействие высокоактивного электролита на катод при эксплуатации и в моменты нагрева.

LTO | Литий-титанат-оксидные с анодом Li4Ti5O12

При безупречных характеристиках безопасности, долговечности, температурной стойкости (эффективнее других в морозы -30°C) и при высоком токе разряда (в десять раз превышает его ёмкость, то есть «10C»), быстрой зарядке, напряжении всего

1,8-2,8В литий-титанат невероятно дорогой и обладает относительно невысокой ёмкостью.

Считается многообещающей и перспективной технологией с точки зрения скорости усовершенствования производственных линий (удешевление продукции) и улучшения электрохимических процессов (увеличение ёмкости). Используется сейчас в основном в силовых агрегатах (например, электропоезда, водный и спецтранспорт) и в энергонакопителях (аккумуляция энергии от возобновляемых источников и аварийное питание).

Следует сказать, что на этих электрохимических системах разновидности аккумуляторов и маркировки Li-Ion не заканчиваются. Каждый год появляются новые типы катодов и анодов, разрабатываются добавки в целях улучшения характеристик технологии.

Основное препятствие на пути к массовому распространению и коммерциализации инновационных литий-ионных элементов — дороговизна производства чего-то «необкатанного». Ещё осложняет внедрение усовершенствованных катодов отсутствие заметного прогресса в электролитах (очень часто многообещающие изобретения откладывают до лучших времён, когда появится подходящий электролитический материал).

А что с литий-полимерными аккумуляторами?

Литий-полимерный аккумулятор (Li-Polymer Battery, LiPo) назван как раз по электролиту нового типа. В теории подразумевается, что внутри такой ячейки настоящий твердотельный полимерный электролит на основе органической химии.

Вот только в реальном мире истинных Li-Polymer практически не существует.

Тогда что такое литий-полимерный аккумулятор на практике?

Под литий-полимерной чаще всего понимают гибридную LCO-батарею. У неё будет пластиковый сепаратор и так называемый «гелевый твёрдый» полимерный электролит.

То есть на практике Li-Polymer — это та же самая распространённая литий-кобальтовая ячейка с графитовым анодом и незначительно усовершенствованной (а зачастую даже удешевлённой) конструкцией.

С микропористым гелевым электролитом вместо пористого сепаратора вы можете создавать аккумуляторы в более изощрённых формах, компактнее размещать контроллер или изгибать. Это способствует, например, увеличению ёмкости или добавлению большего числа компонентов при сохранении прежних габаритов ячейки.

Нередко производители в маркетинговых целях называют литий-ионным полимерным (Li-Ion Polymer Battery), например, обыкновенный литий-кобальтовый аккумулятор. У него жидкостный электролит, пористый сепаратор — ничего в конструкции не изменено. Но всё это просто заключено в полимерную оболочку (полимерный ламинат или ячейка-пакет «pouch-bag»).

То есть маркетинговое обозначение «Li-Polymer» (LiPo, LiPoly, Li-Po, Li-Poly) порой не имеет отношения даже к хотя бы гелевому электролиту, не говоря уже о редком семействе твердотельных истинных Li-Polymer.

Надеемся, что вам теперь легче ориентироваться в мире литий-ионных аккумуляторов.

Источники для самостоятельного изучения:

• • Neovolt: «В чём разница у 18650: IMR, ICR, INR, отличия по маркировке»
• • Battery University: «BU-206»
• • Курс «Аккумуляторные системы сохранения энергии», RWTH Aachen
• • «Обзор исследования и разработки твердотельного полимера для электролита»
• • «Обзор композитных полимерных электролитов для литиевых аккумуляторов»
• • «Путаница в полимерных электролитах»

Пишите вопросы в комментарии. Оставляйте замечания, если что-то непонятно, чтобы мы могли сделать статью максимально простой для всех и каждого.

Подпишитесь на нашу группу ВКонтакте @NeovoltRu, 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.

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.

Виды литиевых аккумуляторов: устройство, использование, срок службы

Литиевые

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах.

Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили. В 2019 году Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За развитие литий-ионных аккумуляторов».

История

Впервые принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов на основе способности дисульфида титана или дисульфида молибдена включать в себя ионы лития при разряде аккумулятора и экстрагировать их при зарядке была показана в 1970 году Майклом Стэнли Уиттингемом.

Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение — 2,3 В и высокая пожароопасность вследствие образования дендритов металлического лития, замыкающих электроды. Позднее Дж. Гуденафом были синтезированы другие материалы для катода литиевого аккумулятора — кобальтит лития LixCoO2(1980 год), феррофосфат лития LiFePO4 (1996 год). Преимуществом таких аккумуляторов является более высокое напряжение — около 4 В.

Современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития изобрёл в 1991 году Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году. В настоящее время ведутся исследования по поиску материалов на основе кремния и фосфора, обеспечивающих повышенную ёмкость интеркалирования ионов лития и по замене ионов лития на ионы натрия. Другие исследования — уменьшают эффект старения и повышают срок эксплуатации.

Например, использование бис-имино-аценафтехинон-парафенилена (Bis-imino-acenaphthenequinone-Paraphenylene, BP) позволит сохранить 95 процентов ёмкости аккумулятора даже после 1700 циклов зарядки. Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году с формулировкой «За создание литий-ионных батарей».

Типы литий-ионных аккумуляторов

В зависимости от химического состава и устройства, литий-ионные разделяются на типы, сильно отличающиеся потребительскими качествами. Литий-кобальтовые (NCR) — эта разновидность имеет самую высокую ёмкость, но требовательны к условиям работы, имеют весьма ограниченный ресурс. Рабочий диапазон напряжений от 3 до 4,2 В. Самая высокая удельная энергоемкость — до 250 Втч/кг, пиковый ток разряда не более двух ёмкостей (то есть аккумулятор 2Ач имеет разрешённый ток 4А), длительный ток разряда не более одной ёмкости. Температура длительного хранения аккумуляторов −5 °C при 40-50 % заряда.

Литий-кобальтовые аккумуляторы взрывоопасны и могут воспламеняться при перегреве или вследствие глубокого разряда. По этим причинам они обычно снабжаются защитной платой, и имеют маркировку Protected. Напряжение разряда не ниже 3 В. Взрывоопасны при повреждении корпуса, быстро стареют (средний срок жизни 3-5 лет, в циклах «заряд-разряд» — не более 500). Нежелательна зарядка большим током. Крайне токсичны при воспламенении.

Литий-марганцевые (IMR или INR) — более долговечны и безопасны, чем кобальтовые, допустима зарядка большим током. Рабочий диапазон напряжений от 2,5 до 4,2 В. Удельная энергоемкость 140—150 Втч/кг. Ресурс порядка 5-6 лет — до 1000 циклов «заряд-разряд». Высокий ток под нагрузкой — до 5 ёмкостей. Предельная граница разряда — 2,5 В, однако возможно снижение ресурса. INR аккумуляторы редко снабжают защитной платой, но зарядная цепь всегда имеет ограничение по напряжению. Неработоспособны ниже −10 °C. Достаточно безопасны в использовании, не взрываются и не воспламеняются. Имеют низкий саморазряд.

Железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR) — последнее поколение с наибольшим ресурсом. Рабочий диапазон напряжений от 2 до 3,65 В, номинальное напряжение 3,2 В. Удельная энергоемкость примерно 150 Втч/кг. Ресурс 10-20 лет, примерно 1500-3000 циклов «заряд-разряд» (до 8000 в мягких условиях). Высокий ток под нагрузкой (до 10 ёмкостей) и стабильное напряжение разряда идеально для электромобилей, марсоходов, велосипедов, и подобных применений.

Разряд вблизи нижней границы напряжения (2 В) может снижать ресурс. Допустима зарядка большим током с сохранением безопасности. При самых тяжёлых условиях эксплуатации не выделяют газ, не взрываются и не возгораются.

Литий-титанатные аккумуляторы — наивысшая долговечность и широкий температурный интервал работы. Рабочий диапазон напряжений от 1,6 до 2,7 В, номинальное напряжение 2,3 В. Удельная энергоёмкость примерно 100 Втч/кг. Ресурс более 15000 циклов «заряд-разряд». Температурный диапазон от −30 °C до +60 °C. Имеет очень низкое сопротивление, позволяющее использовать сверхбыстрый заряд, и низкий саморазряд, примерно 0,02 % в сутки.

Основные характеристики

Независимо от типа аккумуляторов при подборе товара оцениваются их характеристики. На первом месте стоит такое:

• напряжение;
• минимальная энергоемкость;
• предельное сопротивление.

Напряжение для вех типов аккумуляторов является определяющим, поскольку это скалярная величина. Важным остается замер пробного заряда. Для этого учитывается показатель пробоя электрического поля, который образуется в момент подключения устройства.

• ток нагрузки;
• импульсные скачки;
• средняя допустимая температура.

Про ток нагрузки важно знать только о соотношении электрического заряда к сопротивлению. При замере определяющим фактором становятся промежутки времени, когда наблюдается данный эффект.

Литий-кобальтовые аккумуляторы

В основе литий-кобальтовых аккумуляторов лежи кобальт. Данный химический элемент по своей структуре относится к периодическим. Отмечаются его переходные свойства и отлив. По цвету материал является сребристым.

Распространенными считаются такие варианты:

• плотный;
• геоксальный.

Первый тип зачастую применяется в мобильных устройствах. Он стабилен и выдерживает значительную температуру. При увеличении можно заметить нестандартную решетку. Также у вещества применяется защита, которая имеет четкие грани.

Геоксальный вариант встречается намного реже. Только с ним есть проблемы по части проводимости. Кристальная структура часто выделяет оксиды. Это означает, что в теплой среде можно наблюдать небольшую дымку.

Устойчивость отмечена по многим кислотам. В тоже время есть взаимодействие с водородом. Соединения кобальта в аккумуляторы встречаются самые разнообразные. Для увеличения проводимости используются галогены. Такие вещества является неоднородными, могут содержать втор.

Другой растраченный слой – применение окраски. Если добавляется небольшое количество азота либо селена, можно видеть, как на стенках батареи появляются отложения. Однако они сильно не влияют на производительность батарей. Помимо мобильных устройств есть возможность применять аккумуляторы в бытовой технике с постоянным напряжением до 12В.

Литий-марганцевые аккумуляторы

Батареи на литий-марганцевой основе имеют сильные и слабые стороны. Сначала важно отметить их долговечность. Простота зарядки и защищенность поражает. В тоже время для работы батарей теряются определенные условия. Также существуют требования по выходному току. Некоторое оборудование не способно делать подпитку, поскольку наблюдаются скачки.

Основным материалом для аккумуляторов принято считать марганец. Представленный элемент занимает почетное место в классификации Менделеева. В четвертом периоде получится легко обнаружиться марганец под 25 атомным номером.

Он имеет отношение к цветным металлам. По структуре материал считается переходным. Если смерть цветовые окрасы, ест больше сходство с серебром. Как только вещество разобрать по составляющим, оказывает, есть варианты для использования в разных сферах.

Лаборанты давно закупают вещество для оценки реакций с кислотами. В аккумуляторе удалось создать такой компонент, который быстро реагирует на движение атомов. Заряженные частицы в подано среде постоянно стремятся найти выход.

В связи с этим на контактах часто можно наблюдать не приятную картинку. Как только владельцы забывают о температурном режиме или разрядке, происходит окисление.

Второй распространенный случай – отложения. У кобальтовых устройств с этим все в порядке, однако, марганец отличается. Как только толщина слоя превышает на стенке более 1 мм, можно поговорить о потере производительности в 10%.

Подобный регресс происходит очень быстро. Чтобы избежать трудностей, важно оценить первоначальные свойства аккумуляторов:

• выход электронов 4 эВ;
• тепловое расширение до 0,02К;
• тепловодность 0,06 Ом.

Атомизация у батарей незначительная. Тоже самое можно сказать об энтальгии плавления. Твердость составляет более 4 Мн. Таким образом, батареи не нуждаются в силой защите.

Давление паров максимум может достигать 120 МПа. Для подобных батарей показатель находится в пределах нормы. Молярный объем ровно 7 см3 на моль — данный показатель не сильно далек от кобальта.

Железофосфатные аккумуляторы

Многие железофосфатные аккумуляторы называют просто фосфатными. За основу применяются соли фосфорной кислоты. Подобный материал образует связи внутри аккумулятора. Ранее считалось, что вещество не является стабильным.

Первые батареи не возможно было применять по причине их вздутия. Сейчас такие случаи происходят крайне редко. Ранее проблема крылась в давлении натрия для уплотнения аккумулятора. Ученые теперь решили использовать другие элементы, и на первом месте стоит такое:

• барий;
• калий;
• цинк.

Железофосфатные аккумуляторы подходят для промышленной техники. Есть возможность применять их в качестве основного или дополнительного источника. Подключение происходит синхронно в один или два этапа. Источники питания могут находиться близко друг к другу.

Также оценивается прогрев корпуса батареи, который разрешается использовать. К примеру, когда аккумулятор установлен под креслом погрузчика, можно вообще не думать о кондиционере. Дополнительные особенности:

• использование гидрофосфатов;
• органические соединения.

Гидрофосфаты применялись еще в ранних моделях аккумуляторов. Тогда про нуклеиновые кислоты было известно крайне мало. Больших результатов по параметрам достичь не удалось.

Распространенной ошибкой считалось быстро превращение солей в известь. Как только контакты забывались, можно было забыть о повторной зарядке. Чистка не приносила желаемого эффекта, полоску металл оперативно окислялся, и накладки подлежали замены.

На очереди находятся органические фосфаты, которые также считаются востребованными в данной отрасли. При производстве аккумуляторов все чаще делают контейнер специально для них. В небольшом количестве добавляется сахар, полоску требуется, чтобы прошел этап фотосинтеза.

Испытания показали, что батареи являются долговечными. Показатель снижения производительности в год равен не больше 12%. Стабильность находится на средней отметке. Проблема разложения фосфатов на оксиды является актуальной только для моделей бюджетного ценового сегмента.

Определяющим фактором для потребителя считаются контакты. Они могут быть с различными накладками, которые отличаются по составу и форме.

Литий-титанатные аккумуляторы

В батареях применяется титан — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — четвёртой группы побочной подгруппы, IVB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан — это лёгкий прочный переходный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой коррозионной стойкостью.

Титан — лёгкий серебристо-белый металл. При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный с гексагональной плотноупакованной решёткой и высокотемпературный с кубической объёмно-центрированной упаковкой.

Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β-фазу и снижают температуру перехода. При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу. Плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C).

Атомная плотность титана 5,67⋅1022 ат/см³. Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90. Температура кипения 3287 °.

При достаточно низкой температуре (-80 °C), титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях Cp = 25,060 кДж/(моль·K), что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K).

Теплота плавления батарей 15 кДж/моль, теплота испарения 410 кДж/моль. Характеристическая дебаевская температура 430 К. Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C. Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10−6 К−1 в интервале от −120 до +860 °C. Молярная энтропия α-титана S0 = 30,7 кДж/(моль·К).

Для батарей в газовой фазе энтальпия формирования ΔH0 f = 473,0 кДж/моль, энергия Гиббса ΔG0 f = 428,4 кДж/моль, молярная энтропия S0 = 180,3 кДж/(моль·К), теплоёмкость при постоянном давлении Cp = 24,4 кДж/(моль·K).

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C составляет 0,58 мкОм·м (по другим данным 0,42 мкОм·м), при 800 °C 1,80 мкОм·м. Температурный коэффициент сопротивления 0,003 К−1 в диапазоне 0—20 °C. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.

Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки. Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа. У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 175 МПа.

Вещество батареи имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок. При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,387 К. При температурах выше 73 кельвин титан парамагнитен. Магнитная восприимчивость при 20 °C составляет 3,2·10−6. Постоянная Холла α-титана равна +1,82·10−13.

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен. Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна. Титан в батарее устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора.

Вывод

Выше рассмотрены распространенные типы литий-ионных аккумуляторов. В основе группе оказались интересные модели на основе титана и кобальта. Их сфере применения сильно отличается, также как и свойства, параметры. При подборе товара важно оценивать все сильные и слабые стороны. У некоторых типов есть существенная разница между моделями бюджетного и среднего ценового сегмента.