Литий-ионный аккумулятор. Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Сегодня именнолитий-ионные аккумуляторынаиболее часто применяются в различных областях. Особенно широко они используются в мобильной электронике (КПК, мобильные телефоны, ноутбуки и многое другое), электромобилях и так далее. Это связано с их преимуществами в сравнении с ранее широко применявшимися никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлогидридными (Ni-MH) аккумуляторами. И если последние приблизились вплотную к своему теоретическому пределу, то технологии литий-ионные аккумуляторы находятся в начале пути.

Устройство

В литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) работает алюминий, а положительным электродом (анодом) выступает медь. Электроды могут быть выполнены в разной форме, однако, как правило, это фольга в форме продолговатого пакета или цилиндра.

Анодный материал на медной фольге и катодный материал на алюминиевой фольге разделяются пористым сепаратором, который пропитан электролитом.
Пакет электродов устанавливаются в герметичный корпус, а аноды и катоды подсоединяются к клеммам-токосъемникам
Под крышкой аккумулятора могут быть специальные устройства. Одно устройство реагирует увеличением сопротивления на положительный температурный коэффициент. Второе устройство разрывает электрическую связь между положительной клеммой и катодом при повышении давления газов в аккумуляторе сверх допустимого предела. В некоторых случаях корпус оснащается предохранительным клапаном, который сбрасывает внутреннее давление при нарушениях условий эксплуатации или аварийных ситуациях.
Для повышения безопасности эксплуатации в ряде аккумуляторов применяется и внешняя электронная защита. Она не допускает возможности чрезмерного разогрева, короткого замыкания и перезаряда аккумулятора.
Конструктивно аккумуляторы производятся в призматическом и цилиндрическом вариантах. Свернутый в виде рулона пакет сепаратора и электродов в цилиндрических аккумуляторах помешен в алюминиевый или стальной корпус, с которым соединяется отрицательный электрод. Через изолятор на крышку выводится положительный полюс аккумулятора. Призматические аккумуляторы создаются складыванием прямоугольных пластин друг на друга.

Подобные литий-ионные аккумуляторы позволяют обеспечить более плотную упаковку, однако в них труднее поддерживать сжимающие усилия на электроды, чем в цилиндрических. В ряде призматических батарей используется рулонная сборка пакета электродов, скрученных в эллиптическую спираль.

Большая часть аккумуляторов производится в призматических вариантах, так как основное их назначение — обеспечение работы ноутбуков и мобильников. Конструкция Li-ion аккумуляторов отличается абсолютной герметичностью. Данное требование продиктовано недопустимостью вытекания жидкого электролита. Если пары воды или кислород попадут внутрь, то происходит реакция с электролитом и материалами электродов, что ведет к полному выводу аккумулятора из строя.

Принцип действия

В литий-ионных аккумуляторах имеются два электрода в виде анода и катода, между ними находится электролит. На аноде при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов.
Указанные электроны стремятся попасть на катод, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией.
Положительно заряженные ионы лития, которые были оставлены убежавшими электронами, в то же время через электролит направляются к катоду, дабы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода.
После перемещения всех электронов к катоду наступает «смерть» батарейки. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять.

При помощи зарядного устройства можно впустить энергию в цепь, тем самым будет запущена реакция протекания в обратном направлении. В результате будет получено скопление электронов на аноде. После перезаряда аккумулятора он по большей части будет оставаться таковым до момента приведения его в действие. Однако с течением времени батарея будет утрачивать часть своего заряда даже в режиме ожидания.

Емкость батареи подразумевает количество ионов лития, которые могут внедриться в кратеры и крошечные поры анода или катода. Со временем, после многочисленных перезарядок катод и анод деградируют. В результате число ионов, которые они могут вместить, уменьшается. При этом аккумулятор более не может удерживать прежнее количество заряда. В конце концов, он полностью утрачивает свои функции.

Литий-ионные аккумуляторы выполнены так, что их зарядку нужно постоянно контролировать. С этой целью в корпус устанавливается специальная плата, она называется контроллер заряда. Чип на плате производит управление процессом зарядки аккумулятора.

Стандартная зарядка аккумулятора выглядит следующим образом:

Контроллер в начале процесса заряда подает ток величиной 10% от номинального. В данный момент напряжение поднимается до 2,8 В.
Затем ток заряда повышается до номинального. В данный период напряжение при постоянном токе растет до 4,2 В.
В завершении процесса заряда ток падает при постоянном напряжении 4,2 В до момент 100% заряда батареи.

Стадийность может отличаться в виду применения разных контроллеров, что ведет к разной скорости зарядки и соответственно суммарной стоимости аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы могут быть без защиты, то есть контроллер находится в зарядном устройстве, либо со встроенной защитой, то есть контроллер располагается внутри батареи. Могут быть устройства, где плата защиты встроена непосредственно в аккумулятор.

Разновидности и применение

Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.
Таблеточные литий-ионные аккумуляторы.

Разные подвиды электрохимической литий-ионной системы называются по типу применяемого активного вещества. Объединяет все эти литий-ионные аккумуляторы то, что все они являются герметичными необслуживаемым аккумуляторам.

Можно привести 6 наиболее распространенных типов литий-ионных аккумуляторов:

Литий-кобальтовый аккумулятор . Он является популярным решением для цифровых камер, ноутбуков и мобильных телефонов в виду высокого показателя удельной энергоемкости. Аккумулятор состоит из катода из оксида кобальта и графитового анода. Недостатки литий-кобальтовых аккумуляторов: ограниченные возможности нагрузки, низкая термическая стабильность и относительно короткий срок службы.

Области применения; мобильная электроника.

Литий-марганцевый аккумулятор . Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели выделяется трехмерной каркасной структурой. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, однако отличается более умеренной удельной энергоемкостью, чем кобальт.

Области применения; электрические силовые агрегаты, медицинское оборудование, электроинструмент.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор . В катоде батареи сочетаются кобальт, марганец и никель. Никель славится высокой удельной энергоемкостью, однако низкой стабильностью. Марганец обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, однако приводит к низкой удельной энергоемкости. Сочетание металлов позволяет компенсировать их минусы и задействовать сильные стороны.

Области применения; для частного и промышленного использования ( , системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее).

Литий-железо-фосфатный аккумулятор . Его основные преимущества: длительный срок службы, высокие показатели силы тока, стойкость к неправильному использованию, повышенная безопасность и хорошая термическая стабильность. Однако у такого аккумулятора небольшая емкость.

Области применения;стационарные и портативные специализированные устройства, где нужны выносливость и высокие токи нагрузки.

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор . Его основные преимущества: высокие показатели плотности энергии и энергоемкости, долговечность. Однако показатели безопасности и высокая стоимость ограничивают его применение.

Области применения; электрические силовые агрегаты, промышленность и медицинское оборудование.

Литий-титанатный аккумулятор . Его основные преимущества: быстрая зарядка, длительный срок службы, широкий температурный диапазон, отличные показатели производительности и безопасности. Это наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.

Однако у нее высокая стоимость и низкая удельная энергоемкость. На данный момент ведутся разработки по удешевлению производства и увеличению удельной энергоемкости.

Области применения; уличное , электрические силовые агрегаты автомобилей (Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV), ИБП.

Типичные характеристики

В целом литий-ионные аккумуляторы имеют следующие типичные характеристики:

Минимальное напряжение — не ниже 2,2-2,5В.
Максимальное напряжение – не выше 4,25-4,35В.
Время заряда: 2-4 часа.
Саморазряд при комнатной температуре – порядка 7 % в год.
Диапазон рабочих температур, начиная от −20 °C и заканчивая +60 °C.
Число циклов заряд/разряд до достижения потери 20% емкости составляет 500-1000.

Достоинства и недостатки

К преимуществам можно отнести:

Высокая энергетическая плотность при сравнении с щелочными аккумуляторами с применением никеля.
Достаточно высокое напряжение одного аккумуляторного элемента.
Отсутствие «эффекта памяти», что обеспечивает простую эксплуатацию.
Значительное число циклов заряда-разряда.
Длительный срок эксплуатации.
Широкий температурный диапазон, обеспечивающий неизменные рабочие характеристики.
Относительная экологическая безопасность.

Среди недостатков можно выделить:

Умеренный ток разряда.
Относительно быстрое старение.
Сравнительно высокая стоимость.
Невозможность работы без встроенного контроллера.
Вероятность самовозгорания при высоких нагрузках и при слишком глубоком разряде.
Конструкция требует существенных доработок, ведь она не доведена до совершенства.

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

«С» значит Capacity

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

Схема простого зарядного устройства на LM317

Рис. 5.

Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

Схема простого зарядного устройства на LTC4054

Рис. 6.

Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

I=1000/R,
где I - ток заряда в Амперах, R - сопротивление резистора в Омах.

Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Рис. 8.

Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.

Нюанс долговечности

Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.

Где я применяю литиевые батареи

Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Где я покупаю литий и полезности по теме

Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650

Батарея литиевая является безопасным и энергоемким устройством. Ее главное преимущество — работа без зарядки на протяжении долгого времени. Она может функционировать при действии даже самых низких температур. Из-за своей способности сохранять энергию батарея литиевая превосходит другие виды. Именно поэтому с каждым годом их производство увеличивается. Они могут быть двух форм: цилиндрической и призматической.

Применение

Они широко применяются в компьютерной технике, мобильных телефонах и другой технике. Зарядные устройства литиевых батарей обладают рабочим напряжением 4 В. Важнейшие преимущество - работа при большом диапазоне температур, что находятся в пределах от -20 °С до +60 °С. На сегодняшний день существуют такие батареи, которые способны функционировать при температуре ниже -30 °С. С каждым годом разработчики пытаются увеличить как положительный, так и отрицательный диапазон температур.

В первое время батарея литиевая теряет порядка 5 % своей емкости, и с каждым месяцем эта цифра увеличивается. Данный показатель лучше, чем у других представителей батарей. В зависимости от зарядного напряжения они могут прослужить от 500 до 1000 циклов.

Типы литиевых батарей

Существуют такие виды литиевых аккумуляторов, которые встречаются в разных сферах бытового и промышленного хозяйства:

литий-ионный — для основного или резервного электроснабжения, транспорта, электроинструмента;
никель-солевой — автомобильный и железнодорожный транспорт;
никель-кадмиевый — судостроение и авиастроение;
железо-никелевый — электропитание;
никель-водородный — космос;
никель-цинковый — фотоаппараты;
серебряно-цинковый — военная отрасль и т. д.

Основным видом являются литиево-ионные батареи. Они используются в сферах электроснабжения, производства электроинструмента, телефонов и т. д. Батареи могут функционировать при температуре от -20 ºС до +40 ºС, но ведутся разработки по увеличению данных диапазонов.

При напряжении всего 4 В выделяется достаточное количество удельного тепла.

Они подразделяются на разные подтипы, которые отличаются между собой составом катода. Он изменяется путем замены графита или добавлением к нему специальных веществ.

Литиевые батареи: устройство

Как правило, такие устройства производятся призматической формы, но встречаются модели и в цилиндрическом корпусе. Внутренняя часть состоит электродов или сепараторов. Для изготовления корпуса используют сталь или алюминий. Контакты выводятся на крышку аккумулятора, причем они должны быть изолированными. батареи призматического типа содержат определенное количество пластин. Они уложены друг на друга. Чтобы обеспечить дополнительную безопасность, батарея литиевая имеет специальное устройство. Оно находится внутри и служит для контроля рабочего процесса.

В случае возникновения опасных ситуаций прибор отключает аккумулятор. Кроме того, оборудование обеспечивается внешней защитой. Корпус абсолютно герметичный, поэтому не происходит вытекания электролита, а также попадания воды внутрь. Электрический заряд появляется за счет ионов лития, которые взаимодействуют с кристаллической решеткой других элементов.

Шуруповерт с литиевой батареей

В нем могут быть установлены три вида аккумуляторов, которые отличаются по своему катодному составу:

кобальта-литиевые;
литий-феррофосфатные;
литий-марганцовые.

Шуруповерт с литиевой батареей отличается от других низким уровнем саморазрядки. Еще одно важное преимущество — не требует обслуживания. При поломке литиевого аккумулятора его можно выбросить, так как он не наносит вреда человеку и окружающей среде. Единственный минус — низкая зарядка литиевых батарей, а также высокие требования к безопасности. Тяжело выполнить его зарядку при отрицательных температурах.

Основные характеристики

Именно от технических характеристик зависит работа шуруповерта, состояние его мощности, время возможного функционирования. Среди остальных технических показателей выделяют:

напряжение одного аккумулятора в приборе может находиться в пределах от 3 до 5 В;
показатель максимальной энергоемкости доходит до 400 Вт-ч/л;
потеря собственного заряда на 5 %, а со временем на 20 %;
комплексный режим зарядки;
полная зарядка батареи происходит за 2 часа;
сопротивление от 5 до 15 мОм/А-ч;
количество циклов — 1000 раз;
срок службы — от 3 до 5 лет;
использование разных видов тока при определенных емкостях аккумулятора, например, емкость 65 ºС — используется постоянный ток.

Производство

Большинство производителей стремятся сделать электрические инструменты более совершенными и отвечающими современным технологиям.

Для этого необходимо предусмотреть в конструкции хорошие аккумуляторы. Наиболее популярными фирмами-производителями являются:

Фирма Bosh. Литиевая аккумуляторная батарея изготавливается по новой технологии ECP. Именно она контролирует разряд устройства. Еще одним ее полезным свойством является защита от перегрева. При высокой мощности специальное устройство понижает температуру. В конструкции батареи предусмотрены отверстия, которые служат в качестве вентиляции и охлаждают аккумулятор. Еще одна технология — Charge, благодаря которой зарядка происходит намного быстрее. Кроме того, компания Bosh производит аккумуляторы для различных электрических инструментов. Многие пользователи оставляют хорошие отзывы о данной фирме.
Компания Makita. Она производит собственные микросхемы, которые контролируют все рабочие показатели и процессы в аккумуляторе, например, температура, содержание зарядки. Благодаря этому можно подобрать режим зарядки и время ее проведения. Такие микросхемы увеличивают срок эксплуатации. Батареи изготовляются с достаточно мощным корпусом, поэтому они не подвергаются механическим воздействиям.
Фирма Hitachi. Благодаря ее новейшим технологиям вес и габаритные размеры аккумулятора уменьшаются. Именно поэтому электрический инструмент становится легким и мобильным.

Особенности эксплуатации

При использовании аккумулятора необходимо придерживаться таких правил:

Не нужно использовать литиевую батарею для отдельных незащищенных элементов, и покупать дешевые китайские детали. Такое устройство не будет безопасным, так как будет отсутствовать система, защищающая от короткого замыкания и повышенных температур. То есть при значительном перегреве батарея может взорваться, и срок ее службы будет гораздо меньше.
Нельзя нагревать аккумулятор. При возрастании температуры внутри устройства повышается давление. Эти действия приведут к взрыву. Поэтому не нужно открывать верхнюю крышку батареи и ставить ее в места, подвергающиеся воздействию солнечных лучей. Такие действия сократят срок эксплуатации.
Нельзя подносить к контактам, находящимся вверху крышки, дополнительные источники электричества, так как может возникнуть короткое замыкание. Встроенные системы защиты не всегда помогут в данном вопросе.
Заряжать аккумулятор необходимо с соблюдением всех правил. При зарядке следует использовать такие которые равномерно распределяют ток.
Процедуру зарядки аккумулятора проводят при положительной температуре.
Если возникла необходимость подключения нескольких литиевых батарей, то нужно использовать модели одного и того же производителя, и схожие по техническим характеристикам.
Хранить литиевые батареи следует в сухом месте, которое не подвергается солнечным лучам с температурой более 5 ºС. При воздействии на оборудование высоких температур заряд будет снижаться. Перед хранением в зимний период года аккумулятор заряжают на 50 % своей емкости. Следует следить, чтобы батарея полностью не разрядилась. Если это произошло — срочно зарядить ее. При возникновении на корпусе механических повреждений, а также признаков ржавчины, прибор использовать нельзя.
Если при работе возникает значительный перегрев батареи, появление дыма, то следует немедленно прекратить ее использование. После этого переместить поврежденное устройство в безопасное место. Если из корпуса выделяется вещество, то нужно не допустить его попадание на кожу или другие органы.
Запрещается выкидывать и сжигать литиевые аккумуляторы. Их утилизация происходит при механических повреждениях корпуса, взрывах или попадании внутрь воды или пара.

О возгорании

Если случилось возгорание литиевого аккумулятора, то его нельзя тушить водой и огнетушителем — углекислота и вода может вступать в реакцию с литием. Чтобы потушить его, следует использовать песок, соль, а также с помощью плотной ткани.

Процесс зарядки

Литиевая батарея, зарядное от которой подключается к постоянному току, заряжается при напряжении от 5 В и выше.

При этом существует минус — они неустойчивы к перезаряду. Повышение температуры внутри корпуса приводит к его повреждениям.

В инструкции к эксплуатации указан специальный уровень. При его достижении следует производить его зарядку. Если повышать напряжение при зарядке свойства литиевого аккумулятора существенно снизятся.

Как говорилось ранее, батареи составляет 3 года. Чтобы сохранить данный срок, необходимо придерживаться условий эксплуатации, зарядки и хранения. Кроме того, они должны постоянно функционировать, а не храниться.

Перезаряд

В конструкции батареи предусмотрена система перезаряда, поэтому зарядное устройство можно не отключать и не бояться, что состав внутри закипит, как это случается с автомобильными АКБ.

Если оборудование будет храниться более одного месяца, его необходимо полностью разрядить. Это существенно продлит срок эксплуатации.

Стоимость

Цена литий-ионной батареи зависит от емкости и технических характеристик.

В среднем она варьируется в пределах от 100 до 500 рублей. Несмотря на такую стоимость, многие пользователи оставляют положительные отзывы. Среди положительных сторон выделяют большой диапазон рабочих температур, высокую мощность и способность работы более чем на 1000 циклов (порядка 3 лет интенсивного пользования). Устройства широко используются в разных сферах, поэтому их пользу может оценить каждый человек.

Итак, мы выяснили, что представляют собой литиевые батареи.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, использующиеся в большинстве современных планшетов, смартфонов и ноутбуков, требуют разных правил обслуживания и эксплуатации по сравнению с никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлгидридными (Ni-MH) аккумуляторами, используемыми в более ранних устройствах.

На самом деле, правильный уход за литий-ионным аккумулятором может в 15 раз увеличить срок его службы по сравнению со случаями неправильного использования. В данной статье приведем советы, как максимально продлить жизненный цикл дорогостоящих литий-ионных батарей во всех ваших портативных устройствах.

Совсем недавно журналисту интернет-портала Windows Secrets Фреду Ланге (Fred Langa) пришлось заменить поврежденный смартфон - и это была его ошибка.

Основной симптом не предвещал ничего хорошего - чехол телефона был деформирован, потому что сам корпус устройства стал сгибаться.

При разборе и детальном рассмотрении выяснилось, что аккумулятор смартфона вздулся.

Изначально Фред не заметил никаких изменений: батарея выглядела более или менее нормально, если смотреть на нее лицом (рисунок 1). Однако, когда аккумулятор положили на плоскую поверхность стало очевидно, что верхняя и нижняя его грани уже не были плоскими и параллельными друг другу. На одной из сторон батареи образовалась серьезная выпуклость (рисунок 2). Эта выпуклость привела к тому, что телефон стал сгибаться и деформироваться.

Выпуклость аккумулятора свидетельствовала о серьезной проблеме: накопление токсичных газов под высоким давлением внутри батареи.

Корпус батареи прекрасно сделал свою работу, но из-за токсичных газов аккумулятор представлял собой крошечную бомбу-скороварку, которая только и ждет детонации.

В случае Фреда оказались повреждены и телефон, и аккумулятор - настало время для покупки нового смартфона.

Самое печальное, что данную проблему можно было легко предотвратить. В заключительной части статьи будут приведены ошибки Фреда.

Чтобы избежать повторения ошибок прошлого с новым смарфтоном и другими литий-ионными устройствами, такими как планшеты, ноутбуки, Фред начал серьезно исследовать вопросы правильной эксплуатации и обслуживания литий-ионных аккумуляторов.

Фреда не интересовали вопросы продления работы от одного заряда аккумулятора - эти техники хорошо знакомы. Большинство устройств предлагают ручные или автоматические режимы энергосбережения и методы настройки яркости экрана, замедления производительности процессора и уменьшения количества запущенных приложений.

Фред скорее сосредоточился на вопросах продления срока службы аккумуляторов - способов сохранить батарею в нормальном работоспособном состоянии и расширения ресурса батареи до максимального уровня.

Данная статья включает краткие тезисные выводы на основе исследования Фреда. Следуйте пяти предлагаемым советам и тогда ваши литий-ионные аккумуляторы будут работать полноценно, долго и безопасно во всех ваших портативных устройствах.

Совет 1: Следите за температурой и не перегревайте аккумулятор

Удивительно, но теплота является одним из главных врагов литий-ионных аккумуляторов. Причинами, вызывающими перегревания аккумулятора, могут быть факторы неправильного использования, например, скорость и продолжительность циклов зарядки и разрядки батареи.

Внешнее физическое окружение также имеет значение. Просто оставив устройство с литий-ионнным аккумулятором на солнце или в закрытом автомобиле, Вы можете существенно снизить способность батареи принимать и удерживать заряд.

Идеальными температурными условиями для литий-ионных аккумуляторов является комнатная температура в 20 градусов Цельсия. Если устройство нагревается до 30С, его способность нести заряд снижается на 20 процентов. Если устройство используется при 45С, что легко достижимо на солнце или при интенсивном использовании устройства ресурсоемкими приложениями емкость батареи снижается примерно на половину.

Таким образом, если ваше устройство или аккумулятор становятся заметно теплыми при использовании, постарайтесь перейти в более прохладное место. Если такой возможности нет, попытайтесь уменьшить количество энергии, потребляемое устройством за счет отключения ненужных приложений, служб и функций, снижения яркости экрана или активации режима энергосбережения устройства.

Если это все равно не помогает, полностью отключите устройство до тех пор, пока температура не вернется в нормальное состояние. Для еще более быстрого охлаждения извлеките батарею (конечно, если это позволяет конструкция устройства) - так устройство остынет быстрее благодаря физическому разделению с источником питания.

Кстати, несмотря на то, что высокие температуры - это главная проблема с литий-ионными батареями, низкотемпературные режимы эксплуатации не вызывают серьезных беспокойств. Низкие температуры не причиняют долгосрочный ущерб батареи, хотя холодный аккумулятор не сможет выдать всю мощность, который он может потенциально выдать в оптимальном температурном режиме. Падение мощности становится очень заметным при температурах ниже 4С. Большинство литий-ионных аккумуляторов потребительского класса по существу становятся бесполезными при температурах около или ниже точки замерзания.

Если устройство с литий-ионным источником питания становится чрезмерно охлажденным по какой-либо причине, не пытайтесь его использовать. Оставьте его отключенным и перенесите в теплое место (карман или отапливаемое помещение) пока устройство не примет нормальную температуру. Также, как и в случае с перегревом, физически удалите батарею, и раздельное нагревание позволит ускорить процесс прогрева. После того, как батарея прогревается до нормальной температуры, ее электролитические свойства восстановятся.

Совет 2: Отключайте зарядное устройство, чтобы сохранить батарею

Перезарядка - т.е. слишком длительное подключение аккумулятора к источнику тока высокого напряжения может также снизить способность батареи удерживать заряд, сократить срок ее службы или что называется “убить наповал”.

Большинство литий-ионных аккумуляторов потребительского класса предназначены для работы на уровне напряжения в 3,6В на ячейку, но во время зарядки работают при повышенных 4,2В. Если зарядное устройство слишком длительное время выдает повышенное напряжение, внутренняя батарея может повредиться.

В тяжелых случаях, перезарядка может привести к тому, что инженеры называют “катастрофическими” последствиями. Даже в умеренных случаях, избыток тепла, выделяемый при перезарядке создаст негативный температурный эффект, описанный в первом совете.

Высококачественные зарядные устройства могут согласованно работать со схемой современных литий-ионных аккумуляторов, снижая опасность перезарядка, уменьшая зарядный ток пропорционально заряду батареи.

Эти свойства значительно отличаются в зависимости от вида технологии, используемой в батареи. Например, при применении никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторов старайтесь оставлять их подключенными к зарядному устройству как можно дольше. Это связано с тем, что старые типы батарей имеют высокий уровень саморазряда, т.е. они начинают терять существенное количество запасенной энергии сразу же после отключения от зарядного устройства, даже если само портативное устройство отключено.

На самом деле, никель-кадмиевая батарея может потерять до 10 процентов заряда в первые 24 часа после зарядки. После этого периода времени, кривая саморазряда начинает выравниваться, но никель-кадмиевый аккумулятор продолжает терять по 10-20 процентов в месяц.

Ситуация с никель-металлгидридными батареями еще хуже. Их скорость саморазряда на 30 процентов больше, чем у никель-кадмиевых коллег.

Тем не менее, литий-ионные батареи имеют очень низкий уровень саморазряда. Хорошая работоспособная батарея потеряет лишь 5 процентов своего заряда в первые 24 часа после зарядки и еще 2 процента в течение первого месяца после этого.

Таким образом, нет никакой необходимости оставлять устройство с литий-ионным аккумулятором, подключенным к зарядному устройству до последнего момента. Для получения наилучших результатов и продления срока службы батареи, отключите зарядное устройство, когда будет показан полный заряд.

Новые устройства на литий-ионных батареях не нужно продолжительно заряжать перед первым использованием (в устройствах с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными батареями рекомендуется зарядка от 8 до 24 часов). Литий-ионные батарей максимально заряжены, когда они показывают 100-процентный заряд. В расширенной зарядке нет необходимости.

Не все циклы разряда одинаково влияют на состояние батареи. Длительное и интенсивное использование выделяет больше тепла, серьезно нагружая аккумулятор, а меньшие по продолжительности, более частые циклы разряда наоборот продлевают ресурс батареи.

Вы можете подумать, что повышенное циклов небольших разряда/заряда может серьезно снизить срок службы источника питания. Это было закономерно лишь для устаревших технологий, но не относится к современным литий-ионным аккумуляторам.

Спецификации аккумулятора могут вводить в заблуждение, т.к. многие производители рассматривают цикл заряда как время необходимое для достижения 100-процентного уровня заряда. Например, две зарядки с 50 до 100 процентов эквивалентны одному полному циклу заряда. Аналогичным образом, три цикла по 33 процента или 5 циклов по 20 процентов также эквивалентны одному полному циклу.

Короче говоря, большое количество мелких циклов заряда-разряда не снижает общий объем циклов полной зарядки литиевой батареи.

Опять же, теплота и высокая нагрузка от тяжелых разрядов снижают ресурс батареи. Таким образом, пытайтесь снизить число глубоких разрядов к минимуму. Не допускайте снижения уровня заряда аккумуляторов до значений, близких к нулю (когда устройство само отключается). Вместо этого рассматривайте нижние 15-20 процентов заряда аккумулятора как экстренный резерв - только для крайних случаев. Привыкайте к замене аккумулятора, если есть такая возможность или к подключению устройства к внешнему источнику питания перед тем, как батарея будет полностью разряжена.

Как Вы знаете, быстрая разрядка и быстрая зарядка сопровождаются выделением избыточной теплоты и негативно сказываются на ресурсе батареи.

Если Вы интенсивно использовали устройство на повышенных нагрузках, дайте батареи остынуть до комнатной температуры перед подключением к зарядному устройству. Аккумулятор не сможет принять полный заряд будучи нагретым.

Во время зарядки устройства следите за температурой батареи - она не должна сильно перегреваться. Горячая батарея во время заряда обычно свидетельствует о быстром протекании слишком большого тока.

Перезарядка больше всего вероятна с дешевыми небрендированными зарядными устройствами, использующими схемы быстрой зарядки или с беспроводными (индуктивными) зарядными устройствами.

Дешевое зарядное устройство может быть обычным трансформатором с подключенными к нему проводами. Подобные “немые зарядки” просто распределяют ток и практически не принимают обратную связь от заряжаемого устройства. Перегрев и перенапряжение очень распространены при использовании подобных зарядных устройств, что медленно разрушает батарею.

“Быстрые” зарядки предназначены для обеспечения минутной порции заряда, а не длительной часовой зарядки. Существуют различные подходы к технологии быстрого заряда, и не все из них совместимы с литий-ионными батареями. Если зарядное устройство и батарея не предназначены для совместной работы, быстрый заряд может вызывать перенапряжение и перегрев. Вообще говоря, лучше не использовать зарядное устройство одного бренда для зарядки портативного девайса другого бренда.

Беспроводные (индуктивные) зарядные устройства используют специальную поверхность зарядки для восстановления заряда аккумулятора. На первый взгляд это очень удобно, но дело в том, что подобные зарядки выделяют избыточную теплоту даже в нормальном режиме работы (Некоторые кухонные плиты использую явление индукции для нагрева кастрюль и сковородок).

Литиевые батареи не только испытывают негативный фактор в виде теплоты, но и тратят энергию во время зарядки по беспроводной технологии. По своей природе, эффективность индуктивного зарядного устройства всегда ниже обычного аналога. Тут каждый волен делать выбор самостоятельно, но для Фреда повышенный нагрев и меньшая эффективность являются достаточными факторами для отказа от подобных устройств.

В любом случае, самый безопасный подход предполагает использование рекомендованного производителем зарядного устройства из комплекта поставки. Это единственный гарантированный способ держать температуру и напряжение в пределах нормы.

Если нет возможности использовать OEM зарядное устройство, применяйте устройство с низким выходным током, чтобы снизить вероятность повреждения аккумулятора из-за быстрого поступления большой мощности.

Одним из источников питания с низким выходным током является USB-порт на обычном компьютере. Стандартный порт USB 2.0 обеспечивает силу тока 500мА (0,5А) на один порт, а USB 3.0 выдает соответственно 900мА (0,9А) на один порт. Для сравнения, некоторые специальные зарядные устройства могут выдавать 3000-4000мА (3-4А). Низкие силы тока USB портов в общем случае гарантируют безопасную зарядку с нормальным температурным режимом для большинства современных литий-ионных аккумуляторов.

Совет 5: Если есть возможность, используйте запасной аккумулятор

Если ваше устройство позволяет быстро заменять батарею, наличие запасного аккумулятора является отличной страховкой. Это не только в 2 раза увеличивает время работы устройства, но также избавляет от необходимости полного разряда аккумулятора или использования быстрого заряда. Когда заряд аккумулятора достигнет отметки в 15-20 процентов, просто поменяйте разряженную батарею на запасную, и Вы мгновенно получите полный заряд устройства без каких-либо проблем с перегревом.

Запасной аккумулятор имеет и другие преимущества. Например, если Вы окажетесь в ситуации, когда установленная батарея перегрелась (например, из-за интенсивной работы устройства или из-за высокой температуры окружающей среды), Вы можете поменять горячую батарею, чтобы быстрее ее охладить, а при этом продолжать использовать устройство.

Наличие двух батареи избавляет от необходимости использовать быстрый заряд - Вы можете спокойно использовать устройство, когда аккумулятор неспешно заряжается от безопасного источника питания.

Фатальные ошибки Фреда

Фред предположил, что он мог повредить батарею смартфона во время дорожного путешествия. Он использовал функцию GPS в устройстве для навигации во время ясного солнечного дня. Смартфон длительное время находился на солнце в держателе в районе приборной панели автомобиля, яркость смартфона была включена на максимум, чтобы различать карту среди ярких солнечных лучей.

Кроме того, все стандартные фоновые приложение - электронная почта, мессенджер и т.д. были запущены. Устройство использовало модуль 4G для скачивания музыкальных треков и беспроводной модуль Bluetoorth для передачи звука в головное звуковое устройство автомобиля. Определенно, телефон работал в стрессовом режиме.

Чтобы телефон получал питание он был подключен к адаптеру 12В, купленного по критериям невысокой цены и наличия правильного разъема.

Сочетание прямых солнечных лучей, высокой нагрузки процессора, включенного на максимальной яркости экрана и сомнительного качества адаптера, привело к чрезмерному перегреву смартфона. Фред с ужасом вспоминает насколько горячим было устройство при вытаскивании из держателя. Этот тяжелый перегрев как раз и стал катализатором смерти батареи.

По всей видимости, проблема усугублялась по ночам, когда Фред оставлял устройство подключенным к сети на всю ночь с помощью стороннего зарядного устройства, при этом не контролируя момент полного заряда аккумулятора.

Со своим новым смартфоном Фред будет использовать только комплексное зарядное устройство и запасной аккумулятор. Фред надеется на длительный и безопасный период эксплуатации как батареи, так и телефона, которые он собирается достичь с помощью перечисленных советов.

Нашли опечатку? Нажмите Ctrl + Enter

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

Особенности тестирования

Тесты на количество циклов проводились при разрядке током 1С, для каждого аккумулятора проводились циклы разрядки/зарядки до достижения 80% емкости. Такое число было выбрано исходя из сроков тесто и для возможного сравнения результатов впоследствии. Число полных эквивалентных циклов - до 7500 в некоторых тестах.
Тесты на срок службы проводились при различных уровнях заряда и температуре, каждые 40-50 дней проводились измерения напряжения для контроля разряда, длительность тестов составляла 400-500 дней.

Главной сложностью в экспериментах являются расхождения в заявленной емкости и реальной. Все аккумуляторы имеют емкость выше, чем заявленная, от 0,1% до 5%, что вносит дополнительный элемент непредсказуемости.

Наиболее часто использовались аккумуляторы NCA и NMC, но также тестировались литий-кобальт и литий-фосфатные аккумуляторы.

Немного терминов:
DoD - Depth of Discharge - глубина разряда.
SoC - State of Charge - уровень заряда.

Использование аккумуляторов

Количество циклов

На данный момент есть теория, что зависимость количества циклов, которые может выдержать аккумулятор от степени разряда аккумулятора в цикле имеет следующий вид (синим обозначены циклы разрядки, черным - эквивалентные полные циклы):

Данная кривая носит названия кривой Вёлера (Wöhler). Основная идея пришла из механики о зависимости числа растяжений пружины от степени растяжения. Начальное значение в 3000 циклов при 100% разряде батарей является средневзвешенным числом при разряде в 0,1С. Какие-то аккумуляторы показывают лучшие результаты, какие-то хуже. При токе 1С число полных циклов при 100% разряде падает с 3000 до 1000-1500 в зависимости от производителя.

В целом, данное соотношение, представленное на графиках, получило подтверждение по результатам экспериментов, потому целесообразным является зарядка аккумулятора при любой возможности .

Расчет суперпозиции циклов

При эксплуатации аккумуляторов возможна работа при одновременном наличии двух циклов (например, рекуперативное торможение в автомобиле):

Получается следующий комбинированный цикл:

Возникает вопрос, как это сказывается на эксплуатации аккумулятора, сильно ли уменьшается ресурс аккумулятора?

По результатам экспериментов комбинированный цикл показал результаты, как от сложения полных эквивалентных циклов двух независимых циклов. Т.е. относительная емкость аккумулятора в комбинированном цикле падала соответственно сумме разрядов на малом и большом циклах (линеаризованный график представлен ниже).

Влияние больших циклов разрядки более существенно, а значит подтверждается то, что аккумулятор лучше заряжать при каждой возможности.

Эффект памяти

Эффект памяти литий-ионных аккумуляторов по результатам экспериментов отмечен не был. При различных режимах его полная емкость все равно впоследствии не изменялась. В то же время есть ряд работ, которые подтверждают наличие данного эффекта в литий-фосфатных и литий-титановых аккумуляторах.

Хранение аккумуляторов

Температуры хранения

Тут никаких необычных открытий не было сделано. Температуры 20-25°C являются оптимальными (в обычной жизни) для хранения аккумулятора , если его не использовать. При хранении аккумулятора при температуре в 50°C деградация емкость идет практически в 6 раз быстрее.
Естественно более низкие температуры лучше для хранения, но в быту это означает специальное охлаждение. Так как температура воздуха в квартире, как правило, 20-25°C, то и хранение скорее всего будет при такой температуре.

Уровень заряда

Как показали испытания, чем меньше заряд тем медленнее идет саморазряд аккумулятора. Измерялась емкость аккумулятора, какой бы она была при его дальнейшем использовании после длительного хранения. Наилучший результат показали аккумуляторы, которые хранились с зарядом близким к нулю.
В целом хорошие результаты показали аккумуляторы, которые хранились не более чем с 60% уровнем заряда на момент начала хранения. Цифры отличаются от приведенных ниже для 100% заряда в худшую сторону (т.е. аккумулятор придет в негодность ранее, чем указано на рисунке):

Рисунок взят из статьи 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
В то же время цифры для малого заряда более оптимистичны (94% после года при температуре 40°C для хранения при SOC 40%).
Так как 10% заряд непрактичен, так как время работы при таком уровне весьма маленькое, хранить аккумуляторы оптимально при SOC 60% , что позволит применить его в любой момент и не скажется критично на сроке его службы.

Основные проблемы результатов экспериментов

Никто не проводил тесты, которые можно считать на 100% достоверными. Выборка, как правило, не превышает пары тысяч аккумуляторов из миллионов произведенных. Большинство исследователей не могут представить достоверные сравнительные анализы по причинам недостаточной выборки. Также результаты этих экспериментов зачастую являются конфиденциальной информацией. Так что данные рекомендации не обязательно подходят к вашему аккумулятору, но могут считаться оптимальными.

Итоги экспериментов

Оптимальная частота зарядки - при каждой возможности.
Оптимальные условия хранения - 20-25°C при 60% заряде аккумулятора.

Источники

1.Курс «Battery Storage Systems», RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer

Главная > Отдых и праздники > Литий-ионный аккумулятор. Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов