Сколько лития в литий ионном аккумуляторе

9

РАЗЛИЧИЯ LI-ION, LI-PO И LIFEPO4 АКБ

Аккумуляторы и батареи на основе лития практически полностью изменили современную портативную электронику за последние 20 лет. Никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы были практически полностью вытеснены. Благодаря Li-Ion у нас есть смартфоны, умные часы и миниатюрные беспроводные наушники, а также практичные электромобили. Но для многих начинающих эти источники энергии представляют собой загадку, прояснить которую и постарается данный сборник практической информации.

Литий-ионные аккумуляторы

Это самый старый и популярный тип элементов (также часто говорят: банок, ячеек). В зависимости от типа они предлагают номинальное напряжение 3,6 В или 3,7 В. Максимальное напряжение для современных элементов составляет 4,2 В, но первые были ограничены 4,1 В. Чаще всего они встречаются в аккумуляторах для ноутбуков и других портативных устройств, электроинструментов и электромобилей. Они бывают всех форм и размеров, но чаще нескольких стандартов. В основном в виде цилиндрических ячеек с металлическими корпусами или в виде плоских, собранных в жесткую пластиковую или металлическую упаковку.

Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет не менее 300-500 циклов зарядки, но типичное значение составляет 1000 циклов.

Цилиндрические ячейки

Размеры их стандартны и маркируются пятизначными кодами. Первые две цифры — диаметр в миллиметрах, следующие три цифры — длина. Исключением из этого правила являются элементы, обозначенные 07540 и 08570, где их размеры соответствуют диаметру 7,5 мм и длине 40 мм и диаметру 8,5 мм и длине 70 мм.

Самый распространенный размер ячейки – 18650, то есть 18 х 65 мм.

Они предлагают емкости до 3500 мАч, хотя чаще всего встречаются от 1200 мАч до 2400 мАч. Китайские дешёвые аккумуляторы иногда имеют заявленную ёмкость 2000-3000 мАч, но на практике всего 500-600 мАч. Аккумуляторы для ноутбуков практически все от именитых производителей, так что такой б/у АКБ будет даже лучше нового Noname.

Следующими популярными размерами являются 21700 и 26650. Аккумуляторы 21700 в основном производятся Tesla и имеют емкость 3000-5000 мАч. С другой стороны, элементы 26650 имеют емкость 2400-5750 мАч и используются, когда требуется больше энергии.

Использование литий-ионных элементов

Максимальное напряжение литий-ионного элемента составляет 4,2 В, а минимальное — 3 В. Ячейку можно разряжать и до 2,5 В, но это сокращает срок ее службы. Банка, разряженная ниже 2,5 В, деградирует и не должна использоваться, хотя ее ещё можно спасти.

Неиспользуемые ячейки теряют 3-5 % своей емкости в год. Процесс можно замедлить если хранить их в холодильнике, в герметичной упаковке и с поглотителем влаги. Литий-ионные аккумуляторы плохо переносят перегрев — это снижает их емкость и срок службы, увеличивает внутреннее сопротивление. По этой причине они плохо переносят перегрузку.

Ток заряда и разряда выражается как множитель емкости элемента. Ток 1С для элемента емкостью 1000 мАч составляет 1000 мА, то есть 1 А. Значит ток 0,5С для элемента 2000 мАч тоже будет 1000 мА или 1 А.

Для цилиндрических элементов максимальный разрядный ток не должен превышать 1,5С. Плоские элементы иногда могут выдерживать ток 2C (за счет снижения срока службы). Конечно, можно найти и сильноточные элементы, но в их случае из-за высокой рабочей температуры срок службы весьма ограничен.

• Категорически запрещается замыкать элементы накоротко, так как это может привести к возгоранию или взрыву!

Для зарядки элементов требуется специальное зарядное устройство или приличный лабораторный источник питания. В процессе зарядки используется источник тока с максимальным напряжением 4,2 В и током, регулируемым в зависимости от емкости элемента. Элемент с напряжением 2,5 – 3 В заряжается током 0,05 – 0,1С, от напряжения 3 В до 4,2 В током 0,5 – 1С. Когда элемент достигает 4,2 В, следует контролировать ток зарядки. Процесс зарядки завершен, когда зарядный ток упадет до 0,03C. Затем следует прекратить дальнейшую зарядку, чтобы не повредить аккумулятор.

• Аккумуляторы нельзя заряжать напряжением выше 4,2 В, так как это может привести к возгоранию или взрыву, то есть к разрушению аккумуляторов!

Теоретически можно заряжать два последовательно соединенных аккумулятора без балансира или системы BMS. Оба элемента должны быть идентичны по емкости и количеству циклов зарядки. В дешевых фонариках и электронных сигаретах используются такие решения, но достаточно небольшой разницы между параметрами ячеек, чтобы перегрузить одну из них, с плачевными результатами.

Рекомендуем использовать специальное зарядное устройство или контроллер заряда аккумулятора. Такие модули стоят дешево, а специализированные зарядные устройства ненамного дороже.

Восстановление литиевых банок

Следующий способ спасения слишком глубоко разряженных элементов приводим только как теорию и не советуем использовать его на практике, потому что это опасный метод.

1. Ячейка с напряжением от 2 В до 2,5 В подключается отрицательными полюсами ко второй ячейке с напряжением не менее 2,8 В. Положительный полюс подключается через резистор 1 Ом/5 Вт, при этом ячейка разряжается максимум 0,5-1С. И ячейки, и резистор должны быть в лучшем случае теплыми на ощупь.
2. Если какая-либо из банок, особенно глубоко разряженная, нагрелась, процесс необходимо остановить!
3. После успешного цикла проверьте напряжение обоих элементов. Повторяйте по мере необходимости. Обе ячейки должны иметь напряжение выше 2,5 В. Спасенный элемент должен быть полностью заряжен с учетом его температуры – если он начнет греться, прекратите зарядку – элемент поврежден и уходит в мусор.

Гораздо полезнее будет процесс регенерации ячеек, имевших проблемы со слишком большим саморазрядом и внутренним сопротивлением. Этот процесс не увеличивает емкость элементов, но может продлить срок их службы и уменьшить перегрев. Процесс выглядит следующим образом:

Аккумуляторы должны быть предварительно полностью заряжены, затем их несколько раз оборачивают туалетной бумагой (она выполняет роль утеплителя и поглотителя влаги одновременно) и упаковывают в пакет из фольги, который следует плотно завязать. Этот мешок упаковывается в другой, который также завязывается. Подготовленный таким образом пакет следует поместить в морозильную камеру на 24 – 48 часов, переложить из морозильной камеры в холодильник еще на 48 часов, а затем оставить при комнатной температуре еще на 24 – 48 часов. Затем элементы следует разрядить до 3 В при нормальном использовании и, наконец, полностью зарядить.

Подключение литий-ионных аккумуляторов

Ячейки разной емкости могут быть соединены параллельно. Емкость такой батареи будет суммой емкостей всех ячеек. Перед подключением элементов убедитесь, что они имеют одинаковое напряжение – в противном случае из элемента с более высоким будет протекать большой ток в элементы с более низким напряжением, что в крайних случаях может привести к пожару. Параллельно из соображений безопасности следует соединять не более восьми элементов, но сборщики домашних аккумуляторов часто игнорируют эту рекомендацию.

При последовательном соединении все элементы должны иметь одинаковую емкость. Дополнительно такой пакет должен быть оснащен балансировщиком или системой BMS, что обеспечит равномерную нагрузку отдельных ячеек или пакетов в ряду. При последовательном соединении емкость не меняется, а складываются напряжение и количество запасенной в аккумуляторе энергии.

Литиевые батареи часто описывают в виде XsYp, например 3s2p. Первое число указывает количество последовательно соединенных пакетов, второе — количество параллельно соединенных ячеек в пакете. Система 3s2p означает три последовательных пакета с двумя параллельными ячейками.

Некоторые цилиндрические и многие плоские АКБ имеют встроенную схему защиты. В такой системе предусмотрена защита от перегрузки по току (OCP), защита от перенапряжения (OVP) и чрезмерного разряда (UVP – защита от пониженного напряжения). Если ячейка работает в последовательном пакете, за все эти защиты отвечает система BMS. Эта BMS также может иметь защиту от перегрева (OTP – overtemperature protection) в виде термистора, который следует приклеить к одной из ячеек.

Увеличение срока службы литиевых элементов питания

Все типы литиевых элементов стареют по мере использования и даже в простаивающем состоянии. Но есть способы заставить их работать дольше. Неиспользуемые элементы необходимо зарядить до

3,8 В (40% емкости) и хранить в холодильнике в сухой и герметичной упаковке. Ячейки, хранящиеся таким образом, будут терять только

2% своей емкости в год. С другой стороны, аккумуляторы, хранящиеся при температуре 25 градусов и полностью заряженные, теряют до 20% своей емкости в год.

Хороший способ увеличить количество циклов заряда и разряда — зарядить его до напряжения ниже 4,2 В. Это показано в следующей таблице из одного из экспериментов:

Как видите, каждый раз при снижении зарядного напряжения на 0,1 В, удваиваем количество циклов за счет максимально доступной емкости. Это решение имеет большой смысл в стационарных схемах накопления энергии, особенно если используемые на старте элементы имеют срок службы 1000 циклов.

Использование ячеек Li-Ion

Чем меньше ток, потребляемый ячейкой, тем меньше нагрузка на ячейку и тем дольше срок ее службы. Рабочая температура элемента также влияет на его емкость. В приведенной таблице показано, насколько емкость элемента уменьшается каждые 50 циклов в зависимости от рабочей температуры.

Быстро заряжающиеся элементы и большие токи разряда повышают их температуру из-за внутреннего сопротивления. Это может привести к экзотермической реакции разложения электролита, которая приводит к возгоранию или взрыву элемента.

Li-Po аккумуляторы

На практике литий-полимерные элементы почти не отличаются от литий-ионных. Из-за использования электролита и гелевого сепаратора эти элементы могут быть чрезвычайно плоскими, поэтому их чаще всего упаковывают в полиэтиленовые пакеты. В результате они легче, но более подвержены механическим повреждениям. Они также предлагают более низкую плотность энергии, чем их литий-ионные аналоги.

Li-Po могут быть любых форм и размеров и поэтому используются в самых разных портативных устройствах, особенно в смартфонах и планшетах. Литий-полимерные элементы не саморазряжаются в той же степени, что и литий-ионные, поэтому их можно хранить гораздо дольше. Кроме того, они лучше переносят более высокие токи заряда и разряда. Взамен они не только дороже в производстве, но и имеют меньший срок службы. С литий-полимерными элементами следует обращаться так же, как с литий-ионными.

Аккумуляторы LiFePO4

Элементы LiFePO4 значительно отличаются от других типов литиевых элементов. Они имеют меньшую плотность энергии, но гораздо более стабильны, намного лучше выдерживают высокие разрядные токи и имеют значительно более длительный срок службы. Литий-железо-полимерные элементы обеспечивают минимум 1000 циклов зарядки, максимум около 10000 циклов.

Минимальное напряжение элемента LiFePO4 составляет 2 В, типичное напряжение 3,2 В. Напряжение полностью заряженного элемента составляет 3,65 В. К сожалению, основным недостатком этого типа АКБ является низкая плотность энергии и высокая скорость саморазряда — по этим причинам они не используются в портативных устройствах. Эти банки хуже переносят отрицательные температуры, но лучше жару.

Использование элементов LiFePO4

Литий-железо-полимерные элементы намного безопаснее в использовании. На них не действует большая токовая нагрузка, а короткое замыкание не приводит к термическому разложению, заканчивающемуся пожаром. Поэтому АКБ этого типа используются в электромобилях, иногда в фонариках и электронных сигаретах, а также в качестве альтернативы свинцово-кислотным и гелевым аккумуляторам в системах накопления энергии.

Процесс зарядки точно такой же, как у литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, но меньшим напряжением, всего 3,65 В. Правда в отличие от других типов литиевых элементов, элементы LiFePO4 можно заряжать более высоким напряжением, даже 4,2 В. Это сокращает продолжительность фазы зарядки постоянным напряжением и оказывает незначительное негативное влияние на элемент.

В зависимости от модели элемента и его производителя зарядный ток может быть от 1С до 10С, а безопасный ток разряда от 1С до даже 50С. Например элемент ANR26650M1-B имеет номинальную емкость 2500 мАч и постоянный ток разряда 50 А. Импульсный ток может достигать 120 А в течение трех секунд, что составляет 48С! Номинальный зарядный ток 2,5 А, то есть 1С, но этот элемент можно быстро зарядить 10 А, а это аж 4С. И все это в стандартном цилиндрическом корпусе 26650.

Подключение элементов LiFePO4

К ним применяются те же правила, что и для других типов ячеек. Из-за более низкого напряжения полного элемента при последовательном соединении следует использовать балансиры и системы BMS, предназначенные для литий-железо-полимерных элементов. На рынке представлено множество готовых аккумуляторов, идущих в качестве замены свинцово-кислотным в системах хранения возобновляемой энергии или для более легких электромобилей.

Информация для самодельных сборок АКБ

Ячейки должны быть сначала тщательно измерены (емкость и внутреннее сопротивление), и при попытке собрать пакет из десятка или около того банок, стоит использовать калькуляторы, доступные в Интернете. То есть чтоб собрать большой пакет (например 4s8p – 32 ячейки), калькулятор отлично помогает в подборе ячеек. Задаем в калькулятор все имеющиеся ячейки (например 40), и он выдаст оптимальный вариант. Дополнительным преимуществом является возможность выбора между равным количеством ячеек в секции пакета и равной вместимостью секции. Вот пример: три секции имеют емкость 4500 мАч (каждая секция по три ячейки по 1500 мАч) и при подборе ячеек для четвертой секции выбор три ячейки по 2000 мАч или четыре ячейки по 1200 мАч.

В части безопасности стоит подчеркнуть, что очень важную функцию играют термоусадки, которыми обматываются звенья. Масса элемента скрыта под ними. Замкнуть землю плюсом ячейки относительно сложно, но только до тех пор, пока наклейка не повреждена. Для безопасности всё-же следует защищать такие места.

Пайка ячеек. литиевые элементы не любят жару, поэтому их не следует запаивать рискуя перегреть. Это можно делать, но не следует. Соединение ячеек в пакеты следует производить с помощью точечной сварки. Сварочный аппарат можно купить, сделать на базе трансформатора от микроволновки, а можно использовать старый автомобильный аккумулятор или набор конденсаторов.

Существуют также литий-ионные аккумуляторы, широко известные как LI-HV, заряжаемые до 4,35 – 4,47 В и разряжаемые до 3,3 В. Встречается на некоторых телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах. Для них характерно очень большое соотношение емкости к весу (

300 Втч/кг) и к объему (

700 Втч/л) в ущерб долговечности, хотя они легко выдерживают 1000 циклов – уровень обычных Li-Ion. И конечно же литий-титановые, подробный обзор которых имеется на Elwo.ru, со всеми их особенностями эксплуатации.

Таким образом под словом “литиевые”, подразумевается целый спектр аккумуляторов с различным химическим составом и свойствами.

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.

Это просто бомба-2. Li-Ion — как не взлететь

За последний десяток лет литий-ионные аккумуляторы из дорогостоящей экзотики перешли в разряд самых распространенных источников автономного питания. Неудивительно, что они стали популярными и в руках самодельщиков, в том числе и начинающих. Иногда от технических решений в их творениях волосы становятся дыбом – ведь особенностью аккумуляторов данного типа является их повышенная опасность, в первую очередь – пожарная. Мой рассказ о том, как правильно «готовить» эту «рыбу фугу», чтобы никто не сгорел и не взорвался.

Предыдущая статья на «взрывную» тему здесь.

Принцип работы литий-ионнного аккумулятора.

Химические источники тока на основе лития получили распространение уже давно. Литиевые батарейки уже в конце XX века прочно укрепились в часах, калькуляторах, материнских платах компьютеров, пультах дистанционного управления. По принципу действия они мало чем отличаются от марганец-цинковых элементов, за тем исключением, что литий заменяет собой цинк, а вместо водного раствора щелочи или хлористого аммония – электролит на основе неводных растворителей, таких как пропиленкарбонат или хлористый тионил, в котором растворена литиевая соль, диссоциирующая с образованием иона лития, который и переносит ток в таком электролите. Но замена цинка на литий привела к тому, что напряжение возросло с полутора до трех вольт, а энергоемкость увеличилась в несколько раз. При этом химически инертный органический электролит и высокая степень герметичности конструкции свели саморазряд практически на нет — отдавая микроамперные токи, такая батарейка может работать десятилетиями.

Знаете, почему нельзя заряжать обычные батарейки? Казалось бы, при протекании тока в зарядном направлении, на электродах будут идти процессы «в обратном порядке»: на отрицательном электроде будет осаждаться цинк, а на положительном – активная масса, бывшая когда-то двуокисью марганца и отдавшая свой кислород, будет снова окисляться, вновь превращаясь в свежую MnO₂. Но все портит то, что одновременно с этими процессами разлагается и вода в электролите. Выделяющиеся газы раздувают корпус батарейки и выдавливают электролит наружу с печальными последствиями для аппаратуры.

В литиевом элементе нет воды. Пропиленкарбонат, служащий растворителем, не подвержен электролизу, поэтому такой элемент можно зарядить без побочных реакций. Однако, такой литиевый аккумулятор «не взлетел». Вернее, он как раз взлетал – на воздух. Литий никак не хотел ложиться на свой анод аккуратным тонким слоем, а кристаллизовался в виде игольчатых кристаллов – дендритов. Точно такие же дендриты, к слову, образуются и при попытке зарядить марганец-цинковую батарейку, но именно в литиевом аккумуляторе они приводили к катастрофе. Рано или поздно такой дендрит перекрывал промежуток между анодом и катодом и вызывал короткое замыкание. Протекающий ток разогревал и катодную массу, из которой выделялся кислород, и литий, который в этом кислороде воспламенялся, и сепаратор, который просто прекращал свое существование, после чего литий, электролит и катодная масса – горючее и окислитель – превращались в адскую смесь. Как рассказывал мне один знакомый, причастный к этим экспериментам изобретатель – военные, для которых они пытались эти аккумуляторы создать, потеряли всякий интерес к ним, как к источникам тока, но регулярные мощные взрывы, сопровождающиеся ослепительным красным (от лития) пламенем, их восхищали и каждый раз военные интересовались, нельзя ли куда-то применить эту взрывчатку.

В этом направлении работали и за рубежом, и кое-чего даже добились, применяя механически более прочные керамические сепараторы, особые методы заряда, специальные добавки в электролит. Но все равно опасность дендритообразования сохранялась – слишком опасным был такой аккумулятор для его практического применения, если превышал размеры и емкость крохотной часовой батарейки-таблетки.

Прорыв принесли два открытия. Первое – это обнаружение способности некоторых сложных оксидов и сульфидов, содержащих литий, отдавать и поглощать обратно ионы лития на катоде. Второе – способность соединений слоистой структуры (графит, дисульфид молибдена) обратимо поглощать в межслоевое пространство значительные количества лития (вплоть до соединения состава LiC₆), захватывая его атомы немедленно после разрядки ионов Li + на аноде и предотвращая его выделение в металлической форме, а значит, предотвращая образование дендритов. За эти открытия и изобретение литий-ионного аккумулятора в прошлом году была присуждена Нобелевская премия. Ее лауреаты – М.С. Уиттингем, первооткрыватель явления интеркаляции лития в дисульфиды титана и молибдена, впервые предложивший использовать это явление в аккумуляторах, Дж. Гуденаф, исследовавший обратимость поглощения и выделения ионов лития кобальтитом лития на катоде, и собственно, изобретатель литий-ионного аккумулятора Акира Ёсино.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора Акиры Ёсино, изобретенного им в 1991 году, состоит в следующем. Однозарядные катионы лития – это практически единственный ион, переносящий ток в органическом неводном электролите. Противоионом является громоздкая и малоподвижная молекулярная «конструкция», обладающая отрицательным зарядом.

Ион Li+ при зарядке аккумулятора разряжается на поверхности графитового анода, превращаясь в нейтральный атом лития. Этот атом немедленно вступает поглощается графитом, проникая между слоями его кристаллической решетки. Образуется графитид лития – так называемый интеркалят или соединение внедрения. По своим химическим свойствам это сильный и активный восстановитель.

Одновременно с этим, кобальтит лития на катоде поставляет в раствор ионы лития, а сам при этом, теряя литий, все больше по составу приближается к двуокиси кобальта, в результате чего становясь сильным и активным окислителем.

Разность электрохимических потенциалов между этими окислителем и восстановителем равна ЭДС литий-ионного аккумулятора.

При разряде происходят обратные процессы. Литий, покидая межслоевое пространство на аноде, отдает во внешнюю цепь электрон и приобретает заряд, становясь катионом, а графитид лития – просто графитом. На катоде эти катионы возвращается в вакансии кристаллической решетки кобальтита лития, который теряет свои окислительные свойства, принимая электрон во внешнюю цепь.

Из-за отсутствия побочных процессов данная электрохимическая система обладает весьма высокой степенью обратимости и по этой причине характеризуется прекрасным КПД.

Литий-полимерные аккумуляторы не являются, как многие думают, каким-то отдельным видом аккумуляторов. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный на полимерной основе, а все электрохимические процессы в них ничем не отличаются. Отсутствие (вернее, минимальное количество) жидкого электролита позволяет придавать им практически любую форму и вместо прочного металлического корпуса помещать их в корпуса из полимерной пленки в виде запаянного пакетика, что помимо прочего повышает плотность хранения энергии.

Существуют также разновидности литий-ионных аккумуляторов с различными электрохимическими системами, такие, как литий-железофосфатные и литий-титанатные. Принцип действия у них тот же самый, но иные материалы катодной массы и, соответственно, другие напряжения. Удельная емкость этих аккумуляторов ниже, чем у классической кобальтовой литий-ионной системы, но они превосходят их по сроку службы, способности отдавать ток при низких температурах и, по утверждению производителей – по безопасности.

Собственно, безопасность – едва ли не основная «беда» литий-ионных аккумуляторов.

Скрытая угроза

Увы, «укротив» литий, Акира Ёсино не сделал этого огненного льва безобидным мышонком. Да и как можно ожидать полной безопасности от устройства, в котором, повторюсь, сильный и активный окислитель соседствует с столь же сильным и активным восстановителем и разделяют их лишь несколько десятков микрон пористой полимерной пленки-сепаратора? Стоит этой пленке где-нибудь прохудиться, допустив короткое замыкание, лавинообразный процесс саморазогрева и саморазрушения уже не остановить. Содержимое аккумулятора превращается во взрывчатую смесь горючего и окислителя. И эту смесь уже подожгли.

То, что литий-ионные аккумуляторы обычно не взрываются, обусловлено множеством предосторожностей, которые соблюдаются при их эксплуатации. Соблюдаются не силами пользователя – за этим следят автоматические электронные устройства. Там, где применяется литий-ионный аккумулятор, нет места простейшим зарядным устройствам из мира «свинца» и «никель-кадмия». Зарядное устройство обязано быть «умным». Процесс заряда литий-ионного аккумулятора многостадийный, требует строгого выдерживания параметров и должен быть вовремя завершен, и перекладывать ответственность за это на пользователя категорически недопустимо, так как его забывчивость в таком случае может привести к пожару или взрыву.

Дело в том, что отсутствие побочных процессов в литий-ионном аккумуляторе не абсолютно. Для того, чтобы их не было, нужно не выйти за определенную «безопасную» территорию. Так, при напряжении выше 4,2..4,5 В или при слишком большом токе заряда графит уже не успевает «впитать» литий, и он образует металлическую фазу. То же происходит, если графит теряет активную поверхность, что происходит, например, из-за переразряда. Как только на поверхности появляется металл, он начинает образовывать дендриты и… можно вызывать пожарных. Наконец, перенапряжение может вызвать электролиз компонентов электролита (в том числе и неконтролируемых примесей) и выделение газов, давление которых может нарушить герметичность аккумулятора, что также чревато пожаром – соединение внедрения лития в графит самовоспламеняется на воздухе.

Опасна и перегрузка при разряде. Перегрев разрядным током может вызвать вскипание или термическое разложение электролита, выделение кислорода из катодной активной массы, повреждение сепаратора. Результат тот же: КЗ и пожар. К тому же эффекту приведет и механическое повреждение аккумулятора.

Является «правилом хорошего тона» не полагаться на надежность зарядного устройства. В абсолютном большинстве промышленно выпускающихся устройств (за исключением «маргинальных» случаев вроде электронных сигарет и авиамоделей), содержащих литий-ионные аккумуляторы, независимо от контроллера, на который возложены функции заряда, имеется еще один контроллер, выполняющий функции защиты. В простейшем своем варианте (например, на микросхеме DW01A, являющейся основой плат защиты почти всех китайских аккумуляторов), он отключает аккумулятор при перезаряде (превышении допустимого напряжения), переразряде, слишком большом зарядном и разрядном токе, перегреве. В более сложных случаях к этим базовым функциям добавляется балансировка батареи (если она состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно), контроль за ее «здоровьем», подсчет ампер-часов при заряде и разряде (что позволяет определить оставшийся процент заряда гораздо точнее, чем при простом измерении напряжения) и другие функции. Данный контроллер – его называют Battery management system (BMS) или просто «платой защиты», как правило, является неотделимой частью аккумуляторной батареи, находясь с ней в одном корпусе и будучи наглухо припаянным к его выводам.

Есть еще третья ступень защиты. Это механическое устройство, разрывающее цепь при повышении давления или температуры внутри «банки» аккумулятора. К сожалению, оно – не панацея, так как во многих случаях нагрев и газовыделение начинаются уже после того, как возгорание батареи уже нельзя остановить.

Кстати, типичная цифра, характерная для LiIon – 250 Вт*ч/кг или 0,9 МДж/кг. Это всего вчетверо меньше запаса энергии в таких ВВ, как тротил. В мощном ноутбуке «тротиловый эквивалент» аккумулятора может быть сравним с ручной гранатой. Так что с литий-ионными аккумуляторами шутки плохи. Их взрыв вполне может привести к смерти и увечьям многих людей.

Видео и фотографии взрывов и возгораний литий-ионных аккумуляторов в сети можно найти много. Надеюсь, они убедят вас, что все более чем серьезно.

Заряжаем и разряжаем правильно

А теперь разберемся с тем, как правильно заряжать эти опасные литий-ионные аккумуляторы, чтобы они не были так опасны.

Общепринятым, рекомендуемым всеми производителями литий-ионных аккумуляторов, является алгоритм CC-CV. Это означает, что начинается заряд стабилизированным током, а при достижении определенного напряжения далее оно стабилизируется на этом уровне. Этот метод близок к методу заряда свинцовых аккумуляторов, отличаясь от него лишь режимом.

Для большинства стандартных литий-ионных аккумуляторов напряжение перехода от стадии CC к стадии CV при комнатной температуре – 4,20 В. Некоторые старые аккумуляторы с анодом на основе каменноугольного кокса следует заряжать лишь до 4,10 В, тогда как в последнее время все чаще встречаются «высоковольтные» аккумуляторы, которые допускают заряд до 4,35 и даже 4,45 В. Небольшое превышение этого напряжения вызывает резкое сокращение срока службы, а более значительное превышение приводит к возгораниям и взрывам. Требуемая точность установки порогового напряжения для стандартных аккумуляторов составляет ±50 мВ, а у «высоковольтных» тем выше, чем выше напряжение, вплоть до ±5 мВ при пороговом напряжении 4,45 В. Разумеется, пониженное напряжение приводит лишь к снижению доступной емкости, а вот повышение напряжения недопустимо ни при каких случаях.

Стандартным током заряда считается 0,5С и большинство аккумуляторов без ущерба позволяют заряжать их током до 1С, а некоторые допускают и более высокие токи при условии недопущения перегрева. С здесь – ток в амперах, численно равный емкости в ампер-часах. Но таким током нельзя заряжать глубоко разряженные аккумуляторы, напряжение на клеммах которых снизилось ниже 2,9-3,0 В. В этом случае необходима стадия предварительной зарядки (precharge) – аккумулятор заряжается током 0,05-0,1С, пока напряжение не достигнет трех вольт. А вот слишком глубоко разряженные аккумуляторы заряжать нельзя вообще. Зарядное устройство должно не допускать зарядки аккумулятора, если напряжение на его клеммах снизилось ниже 2,5 В. При таком глубоком разряде аккумулятор обычно сильно теряет в емкости, но это еще полбеды: его заряд сопряжен с опасностью металлизации лития и возгорания. Кстати, «высоковольтные» аккумуляторы более чувствительны к глубокому разряду, и не следует допускать их разряда ниже 2,75 В.

На стадии CV ток снижается по экспоненте. На этой стадии аккумулятор не должен оставаться до бесконечности. Заряд должен быть автоматически прекращен после снижения тока до 0,05-0,1С.

Такой многоступенчатый алгоритм зарядки предпочтительно реализовывать на специализированных микросхемах-контроллерах. Таких контроллеров в настоящее время выпускается множество, как самостоятельных (типичные примеры — всем известные LTC4054-4,2, TP4056, TP5000 и т.п.), так и встроенных в многофункциональные контроллеры питания, включающие несколько отключаемых линейных и импульсных преобразователей напряжения, наподобие применяемой во многих мобильных устройствах микросхемы RK819.

Плохой, очень плохой практикой является применение для этой цели обычных интегральных линейных и импульсных стабилизаторов, а в особенности — популярных и продаваемых именно как «платы для зарядки Li-Ion» модулей с Aliexpress на LM2596, XL4015 и т.п. Именно так нередко делают, переделывая шуруповерты на литиевые аккумуляторы, не учитывая опасности того, что со временем установленное на выходе напряжение может «уйти» из-за невысокого качества подстроечных резисторов на этих китайских платах. Если движок этого резистора потеряет контакт с резистивным элементом, на выходе попросту окажется входное напряжение. И это не говоря о том, что без внешних схемных решений такой «контроллер» не отключит аккумулятор по окончании заряда и не обеспечит предзаряд сильно разряженного аккумулятора малым током. В любом случае, проектируя и собирая зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторах, следует думать о надежности. Неисправность здесь может обойтись очень дорого, иногда — в человеческую жизнь.

Другое крайне неудачное решение, встречающееся в практике самодельщиков и даже «у китайцев» — заряжать аккумулятор, снабженный платой защиты, до ее срабатывания. Во-первых, BMS отключает аккумулятор уже при превышении напряжения. Во-вторых при такой зарядке, без стадии CV используется только часть емкости. Парадокс: батарея одновременно пере- и недозаряжается.

Как крайний случай, можно заряжать литий-ионные аккумуляторы током 0,1С до достижения 4,10..4,15 В с последующей отсечкой. Но, по некоторым данным, предположительно, такой режим плохо сказывается на токоотдаче и сроке службы аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы очень плохо переносят не только перезаряд, но и переразряд. Напряжение 2,5 В на «банку» и ниже фатально — такой аккумулятор уже опасно заряжать. А области между 2,5 и 3 В, которая хоть и формально является допустимой, следует по возможности избегать, так как это отрицательно сказывается на сроке службы. В устройстве, питаемом от литий-ионных аккумуляторов, следует предусмотреть принудительное отключение при снижении напряжения до 3 В. Кстати, подавляющее большинство смартфонов отключаются уже при напряжении 3,35..3,4 В, так как в их контроллерах питания применяются только понижающие преобразователи напряжения, и при более низком напряжении невозможно формирование напряжения 3,3 В. Поэтому все советы «ставить телефон на зарядку, не дожидаясь отключения, так как это очень вредно для батареи» не соответствуют действительности. Такое высокое напряжение отсечки, разумеется, немного уменьшает полезную емкость, и вместе с тем немного продлевает срок службы аккумулятора.

Балансировка

Процесс заряда осложняется, если мы имеем дело с батареей из последовательно соединенных элементов. Дело в том, что двух одинаковых аккумуляторов не бывает. Если емкость одного из них будет чуть больше, а другого – чуть меньше, напряжение на последнем будет расти быстрее, чем на первом. В таком случае, если мы будем заряжать батарею до 8,40 В, этот аккумулятор окажется в итоге немного перезаряженным. Со временем эти небольшие перезаряды приведут к более быстрому износу, а значит, напряжение на этом аккумуляторе будет завышаться с каждым разом все сильнее. Возникает «снежный ком» нарастающей разбалансировки батареи, который может закончиться взрывом.

Чтобы этого не допустить, необходимо контролировать напряжение не только всей батареи, но и каждого элемента в отдельности, не допуская превышения напряжений каждого из них. Обычно применяются те или иные схемы балансировки, шунтирующие «опережающие» элементы во время заряда, когда те достигают максимального напряжения. Это так называемые пассивные схемы балансировки. Очевидно, при их работе часть энергии рассеивается в виде тепла, что существенно снижает КПД зарядки и ухудшает тепловые условия внутри аккумуляторной сборки. Более эффективными и лучше использующими емкость являются методы активной балансировки, обеспечивающие перекачку энергии с клемм уже зарядившейся «банки» к еще недозаряженным.

На рисунке — простейшая схема балансировки батареи из двух элементов на двух компараторах (https://power-e.ru/hit/sistemy-balansa/). Обычно же такие системы выполняются на специализированных микросхемах, таких, как LTC3300-1 и включаются в состав BMS, оставаясь подключенными к аккумуляторной батарее всегда. Такие контроллеры обладают широким набором функций, включающих не только балансировку, но и мониторинг состояния батареи в течение их срока службы.

Активная балансировочная схема на LTC3300-1 (Рыкованов А. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009.№1

В настоящее время распространение получили интеллектуальные системы балансировки, лучше использующие емкость аккумуляторов за счет компромиссного распределения зарядного тока, которое определяется реальными емкостями каждого из элементов, измеренными в предыдущих циклах.

Как обращаться, хранить, куда девать остатки

Исходя из вышесказанного, обращаться с литий-ионными аккумуляторами следует с осторожностью. Опасность возгорания и взрыва возникает при неправильном заряде, коротком замыкании и механических повреждениях. Последнее особенно актуально для литий-полимерных аккумуляторов, лишенных прочного защитного корпуса. Случайно или намеренно проколов или разорвав пленку, защищающую аккумулятор, вы можете уже через 10-15 секунд получить у себя в руках ослепительный красный огонь. Это же может случиться при изгибе и сдавливании аккумулятора, а в особенности, если каким-либо инструментом проткнуть его насквозь. Такое случается при попытках извлечь аккумулятор, приклеенный на двусторонний скотч, из мобильного телефона для его замены на новый. Риск снижается при извлечении разряженного аккумулятора, поэтому это следует сделать перед началом работы. По этой же причине, а также по причине того, что при замыкании он может выдать десятки, если не сотни ампер тока, хранить такие аккумуляторы следует надежно и аккуратно упакованными, а не в куче радиохлама.

Вообще перед хранением эти аккумуляторы следует довести до уровня заряда 30-50%. Хранить их следует при комнатной температуре. А то некоторые «специалисты» утверждают, что их нужно держать в холодильнике. Не нужно. А вот старые, убитые и особенно вздувшиеся аккумуляторы хранить ни в коем случае нельзя, от них нужно избавиться как можно скорее, так как они непредсказуемы и могут в любой момент стать причиной пожара.

Вопрос «куда утилизировать» достаточно сложен. Учитывая экологическую опасность лития (по ПДК близок к свинцу), их должны утилизировать специальные организации, но у нас в стране я таких организаций, работающих с частными лицами, не знаю. Не следует выбрасывать их в мусор и в особенности в контейнеры для батареек. Пожалуй, идеальный вариант — некий закрывающийся ящик с песком на открытом воздухе, содержимое которого забирали бы специальные службы.

Нельзя (и если очень хочется, то тоже нельзя!) пытаться паять аккумуляторы. Только точечная сварка! Исключение — литий-полимерные со специально удлиненными выводами под пайку и цилиндрические аккумуляторы с заранее приваренными ленточными ламелями. Даже небольшой перегрев может привести и к разгерметизации с последующим самовоспламенением, и к расплавлению сепаратора и внутреннему КЗ.

Всякие шаманства типа «подтолкнуть аккумулятор» или «разблокировать контроллер» — это риск того, что у вас в руках, в кармане или в постели окажется огненный шар. Помните, что если контроллер аккумулятора заблокировался, это не потому что жадный до денег производитель хочет, чтобы вы купили новый. Это потому что производителю неохота оплачивать ущерб, нанесенный загоревшимися аккумуляторами.

Собрав зарядное устройство (неважно — как самостоятельное изделие или в составе какой-либо конструкции), нужно провести первый цикл заряда, подключив вместе с аккумулятором вольтметр и миллиамперметр, и убедившись, что оно работает корректно. Причем обратите внимание на точность измерений: максимально допустимое отклонение напряжения от номинальных 4,2 В не превышает 1,2%, а погрешность распространенных недорогих мультиметров разрядностью 3,5 цифр при измерении этого напряжения на пределе 20 В достигает 1%.

Собирая батарею из нескольких аккумуляторов, нужно подбирать максимально близкие (в пределах 1-3%) по емкости элементы при последовательном соединении, и по внутреннему сопротивлению — при параллельном. Перед соединением элементов параллельно нужно уравнять их по напряжению. Элементы для батареи должны быть строго из одной партии.

Нельзя ремонтировать батарею путем замены одного элемента на новый. Разбалансировка при этом практически гарантирована. А чем грозит разбалансировка, вы уже знаете (подсказка — пожаром и взрывом).

Плавкий предохранитель — это то, что должно быть в цепи любого литий-ионного аккумулятора.

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.