Характеристики и особенности литиевой аккумуляторной батареи (Li ion)

Тяжело представить себе жизнь современного общества без различных гаджетов и электронных приборов. Смартфоны, планшеты, ноутбуки — все это является незаменимым атрибутом комфорта в 21 веке. Но далеко не каждый пользователь знает, что подобные устройcтва работают на литиевых батареях и нуждаются в правильном обслуживании.

История возникновения

Первые упоминания о разработках литиевых аккумуляторных батарей датируются началом прошлого века. Первые полноценные модели вошли в эксплуатацию в 70-ых годах 20 века и включали в себя анод из лития. За счет отличных рабочих показателей и большого срока службы они быстро стали пользоваться большой популярностью и заняли лидерскую нишу на рынке батарей.

Являясь хорошим восстановителем, литий позволил производителям достичь максимального напряжения и удельной энергии батарей. При этом процесс усовершенствования технологии занял ещё около 20 лет, и только недавно литиевые аккумуляторы вошли в широкий обиход и стали применяться в самых различных сферах человеческой деятельности.

В этот период специалисты усердно трудились над повышением безопасности устройств, искали новые материалы и технологичные открытия, которые сделали бы их более продуктивными.

Вторичные литиевые модели, имеющие апротонные электролиты, а также модели с твёрдым катодом работают по тому же принципу, что и классическая разновидность. Минусовой электрод обеспечивает анодное растворение вещества, а в кристаллическую решетку элемента с плюсовым зарядом подаётся литий. При осуществлении зарядки процессы идут в обратном порядке.

Для разработки материалов под плюсовой электрод понадобилось немного времени. Основная задача, которая преследовалась производителем, заключалась в протекании обратимых процессов. Речь идет об идее анодной экстракции и катодном внедрении. На официальном языке такие этапы носят названия деинтеркалирования и интеркалирования. При проведении опытов исследователи внедряли самое различное сырье.

В идеале нужно было достичь отсутствия изменений при циклировании процессов. Особое внимание уделялось таким материалам:

1. TiS2 (дисульфид титана).
2. Nb (Se)n (селенид ниобия).
3. Сульфиды и диселениды ванадия;
4. Сульфиды меди и железа.

Достичь максимальных удельных показателей катода удалось с помощью оксидов металлов. Для этого исследователи проводили массу экспериментов с разными оксидами, пытаясь определить оптимальную обратимую работу. Задача заключалась в том, чтобы изменения объема катода не превышали 20 процентов.

Устройство аккумулятора

Практически любой современный li lon аккумулятор имеет особую конструкцию, которая отличается абсолютной непроницаемостью и герметичностью. Причём подобное требование к производству батареек продиктовано недопустимостью вытекания электролита, который находится внутри, ведь именно он обеспечивает стабильную работу устройства.

Помимо этого, в литий-ионных батарейках в роли отрицательного электрода выступает алюминий, в то время как в качестве положительного электрода работает медь. При этом аноды и катоды могут быть изготовлены практически в любой форме, хотя на практике чаще всего они встречаются в форме цилиндра или продолговатого прямоугольника, обёрнутого в фольгу. Аккумулятор имеет простое устройство:

• Конструкция таких аккумуляторов может изготавливаться в двух основных вариантах: цилиндрическом и призматическом. В цилиндрическом исполнении сепараторный пакет и электроды устройства сворачиваются в рулон, а затем помещаются в специальный корпус, который может делаться из стали или алюминия. Корпус соединяется с отрицательным электродом, а через изолятор выводится положительный полюс батарейки прямо на крышку устройства. Что касается призматического варианта аккумулятора, то он производится путём складывания друг на друга плоских прямоугольных пластинок.
• На медной фольге находится анодный материал, а на алюминиевой — катодный материал. Они разделяются при помощи пористого сепаратора, пропитанного электролитом.
• Электроды, помещённые в аккумуляторный пакет, устанавливаются в прочный и герметичный корпус, в то время как катоды и аноды плотно присоединяются к специальным клеммам, предназначенным для снятия тока и обеспечения надёжного контакта с частями электроцепи (токосъёмник).
• Сразу же под крышкой аппарата размещаются дополнительные устройства. Например, одно — для регулирования увеличения сопротивления, а второе — для разрыва электросвязи между катодом и клеммой. Помимо этого, в аккумулятор может быть встроен специальный предохранитель, который позволяет сбрасывать сильное давление в случае нарушения условий эксплуатации прибора.
• Чтобы увеличить уровень безопасности в процессе использования устройства, батарейка li ion может быть оснащена внешней электронной системой защиты. Благодаря этому элементу исключается вероятность перегрева устройства, замыкания или чрезмерной перезарядки батарейки.

Чаще всего АКБ производятся в призматическом исполнении, поскольку такие устройства больше всего подходят для современных гаджетов наподобие мобильных телефонов, планшетов или ноутбуков.

Виды и область применения

Сегодня выпускается несколько видов Li-Ion батарей, отличающихся активными веществам. Объединяет эти батареи герметичный необслуживаемый корпус. Наибольшее распространение получили 6 видов АКБ:

• Литий-кобальтовый — катод в этом типе источника питания изготовлен из оксида кобальта, а анод — из графита. Активно используется в мобильных электронных устройствах.
• Литий-марганцевый — марганец обеспечивает более низкое сопротивление в сравнении с кобальтом. Эти батареи используются в портативных электроинструментах и медицинском оборудовании.
• Литий-марганец-кобальт-никель-оксидный — катод изготовлен из смеси марганца, кобальта и никеля, что позволяет устранить недостатки каждого металла и усилить их положительные свойства. Применяется в ИБП для компьютеров, электромобилях, солнечных электростанциях, системах аварийного освещения и т. д.
• Литий-железо-фосфатный — обладает высоким сроком эксплуатации, устойчив к неправильному использованию, способен выдавать ток большой силы. Применяется в специализированных устройствах, нуждающихся в высоких токах нагрузки.
• Литий-кобальт-алюминий-никель-оксидный — имеет высокий показатель энергетической плотности и долговечности, но стоимость такого источника питания довольно высокая. Применяется в промышленности и медицине.
• Литий-титанатный — практически по всем параметрам превосходит классические Li — Ion батареи, но высокая стоимость сдерживает широкое распространение. Применяется в электромобилях и системах уличного освещения на солнечных элементах.

Недостатки в конструкции

Вместе с этим, новые батарейки получили несколько критических недостатков, которые, впрочем, не сказались на их популярности и распространённости. Так, от перегрева они, как правило, воспламенялись или даже взрывались. Многие компании были вынуждены отзывать целые партии своих устройств из-за таких проблем. Для того чтобы противостоять этому, производителям пришлось вшивать прямо в аккумуляторы контроллеры заряда, которые управляли его уровнем и следили за температурой. При этом, по достижении пороговых значений, они могли просто отключить аппарат, чтобы дать ему остыть.

Другой неприятной особенностью стал эффект памяти. Его действие заключалось в том, что, по мере эксплуатации, батарея претерпевает множественные последовательные циклы неполного заряда и разряда. В результате, при активном использовании устройства, возникали проблемы с недостаточным временем работы.

Это связано с тем, что неполные заряды оставляют на катоде некоторое количество невысвобожденных частиц. Они имеют свойство накапливаться, при этом не влияя на показатели напряжения.

Чтобы преодолевать такие негативные последствия, производители давали несколько советов:

• Избегать заряжать аккумулятор вблизи нагревательных приборов. Тепло усугубляет эффект накапливания, так как при более высоких температурах скорость реакции увеличивается.
• Не давать батарее разряжаться полностью. Так на катодах, имеющих малую площадь сечения, не будет остаточных ионов, способных влиять на истинные показатели уровня заряда.

Близкая к комнатной температура считается наиболее приемлемой для литий-ионных батарей. Перегрев или переохлаждение вредят им практически одинаково. Например, пользователи гаджетов с алюминиевых корпусом некоторое время назад сетовали на то, что они сильно разряжаются на морозе. Степень ускорения этого процесса могла превышать величину в 50%. Для того чтобы это исправить, новые модели пытались выпускать с минимальными добавлениями в корпус металлов. В это время популярность приобрели поликарбонатные и стеклянные панели, которые обладали более низкой теплопроводимостью по сравнению с металлом.

Дальнейшее развитие

При работе с анодом появлялись многочисленные проблемы, т. к. при зарядке и осаждении лития создавалась поверхность с высокой активностью. При этом химический элемент оставался на поверхности катода, превращаясь в дендриты. В конечном итоге появлялась пассивная пленка, обволакивающая частицы лития и нарушающая взаимодействие с основным элементом. Вскоре этому процессу даже дали название — инкапсулирование.

За счет такой реакции, после определённого количества циклов, электроды теряли рабочие характеристики и теряли оптимальный температурный баланс внутри батареи. При этом в определённый промежуток времени элемент приобретал температуру плавления лития, и реакция становилась неконтролируемой.

Из-за этого, в начале 90-ых годов прошлого столетия, большинство выпускаемых моделей были возвращены обратно производителю. Речь идет о самых первых источниках питания, которыми оснащались мобильные девайсы. В те времена частота случаев взрыва телефона во время разговора была очень высокой. Упоминаются факты об обжигании лица человека и более серьезных последствиях. Кроме повышенной пожароопасности такие элементы вызывали короткое замыкание.

Учитывая сложившуюся ситуацию, исследователи стали искать более оптимальные решения и пытались найти выход из ситуации. Изначально они начали развивать метод обработки поверхности катода, пытаясь избежать образования дендритов введением в электролит всевозможных добавок. Учеными достигались большие успехи, но полностью решить проблему не удалось — до сегодняшнего дня.

Современное производство

В настоящее время электрод с отрицательными показателями создаётся не из чистого лития, а из различных сплавов. Лучшие показатели демонстрирует сплав алюминия и лития. В процессе разряда подобный электрод вытравливает литий, а при зарядке все происходит обратным образом. При осуществлении цикла «заряд-разряд» меняется концентрация лития в сплаве. Естественно, таким образом происходит небольшая потеря активности элемента, а потенциал электродов из сплавов снизился на 0.2−0.4 вольта.

То же самое касается рабочего напряжения и взаимодействия электролита и сплава. Однако такое действие оказало и положительный эффект, т. к. снизился и саморазряд.

Тем не менее, сплав из алюминия и лития не стал пользоваться большой популярностью и быстро вышел из обихода. Объяснялось это обильным изменением удельного объема сплавов, а при глубокой разрядке электрод становился хрупким и осыпался. Учитывая сложившуюся ситуацию, производители решили отказаться от этого направления, в пользу изучения остальных материалов, в частности, сплавов.

В результате продолжительных исследований удалось убедиться в том, что наиболее продуктивные характеристики свойственны сплавам лития с тяжелыми металлами. В качестве примера можно взять слав Вуда, показавший отличное сохранение удельного объема. Тем не менее, его не стали активно использовать — по причине недостаточных удельных характеристик для полноценной работы батареи.

Недавно производители литиевых батарей убедились в том, что металлический элемент не обладает необходимой стабильностью, поэтому они стали развиваться в другом направлении. После принятия решения отказаться от использования компонентов батареи в чистом виде инженеры начали задействовать ионы лития. Таким образом на рынок вышли литий-ионные разработки.

Плотность этих устройств значительно ниже, чем у литиевых, но в плане технической безопасности и комфорта использования у них вообще нет равных.

Тонкости эксплуатации и принцип работы

Не секрет, что продолжительность службы литиевых аккумуляторных батарей напрямую зависит от обслуживания и соблюдения правил эксплуатации. Любое отклонение от них может повлечь за собой неприятные последствия и привести к выходу источника питания из строя.

В качестве примера можно взять модели, которые разрабатываются для мобильных смартфонов, планшетов и прочих портативных устройств. Как правило, от недобросовестных пользователей эти аккумуляторы защищаются специальными контроллерами.

Первое ключевое правило эксплуатации заключается в том, что литиевые аккумуляторы должны функционировать под напряжением 2,7−4,2 вольта. Нижний показатель определяет минимальный уровень заряда, а верхний — максимальный. Любое отклонение от установленных показателей может повлечь за собой снижение емкости батареи.

Современные модели оснащаются графитовыми электродами. Эти элементы имеют минимальный показатель — 3 вольта. Если говорить о 2,7 В, это подходит для электродов из кокса. Эффективность отдачи электрической энергии при снижении напряжения получила название «емкость».

Для продления срока службы устройства достаточно слегка сузить диапазон напряжения. В большинстве случаев он составляет 3,3−4,1 В. Опытные специалисты утверждают, что лучшая продолжительность эксплуатации таких источников питания замечтается при уровне заряда 45%. Заряжать такую батарею рекомендуется при 15−25% заряда, а снимать с зарядного устройства после достижения 100-процентных показателей.

Глубокий разряд и заряд батареи предотвращается специальным контроллером. В его качестве используется небольшая плата с микросхемой. Сегодня этот элемент присутствует практически на всех аккумуляторных батареях во всевозможных девайсах:

1. Мобильных телефонах.
2. Планшетах.

Без сомнений, эффективность работы литиевых аккумуляторов и срок их службы тесно связаны с контроллером. Пользователю важно не принимать участия в этом процессе, иначе последствия могут быть необратимыми.

Стандартные параметры

Все разновидности литиево-ионных АКБ имеют типичные характеристики, независящие от их состава и сферы использования. Они состоят в следующем:

• Общее время подзарядки устройства составляет от 2 до 4 часов.
• Количество циклов: разрядка/зарядка при достижении 20 процентов ёмкости батарейки колеблется от 500 до 1000.
• Напряжение минимальное варьируется от 2,2 до 2,5 В.
• Напряжение максимальное составляет от 4,25 до 4,35 В.
• При обычной комнатной температуре самостоятельный заряд устройства составляет около 7% в год.
• Температурный режим, в диапазоне которого батарея может исправно функционировать, колеблется в пределах от 20 до + 60 градусов.

Лучше всего заранее ознакомиться с техническими параметрами АКБ. Это поможет избежать ошибок в процессе использования литиево-ионной батареи и увеличит срок её эксплуатации.

Этапы эксплуатации аккумулятора

Как и у каждого электронного устройства, источники питания имеют свой жизненный путь. Чтобы они служили как можно дольше без необходимости замены, нужно следовать правилам корректной эксплуатации на каждом из этапов. Их несколько:

• Первичный цикл заряда-разряда.
• Повседневная эксплуатация.
• Хранение.
• Утилизация.

При поступлении к пользователю аккумулятор стоит подвергнуть нескольким последовательным полным разрядам и зарядам. Так можно настроить контроллер внутри на оптимальные параметры и существенно продлить срок использования. Для этого нужно, не подзаряжая, полностью опустить уровень заряда к значению, близкому к нулю, а после его зарядить. Повторять такой процесс лучше не более трёх-четырёх раз. В последующих случаях батарее будет наноситься только вред.

При повседневной работе лучше не допускать снижения уровня ниже пятнадцати — двадцати процентов. Заряжая, не стоит оставлять устройство подключённым к сети на ночь. Тогда батарея находится под постоянным дежурным напряжением, что снижает время её жизненного цикла.

Использование некачественных зарядок тоже может сильно сократить срок жизни аккума. При их изготовлении применяются некачественные электротехнические материалы, что приводит к несоответствию указанных характеристик с реальными.

Например, если напряжение, выдаваемое зарядником, будет превышать норму хотя бы на 5%, неизбежна постепенная потеря ёмкости. То же касается и силы тока, который поступает на модули. Проверить эти параметры можно любым мультиметром. Для этого зарядное устройство вставляется в розетку, а к плюсовому и минусовому пинам на его конце прикладываются щупы измерительного прибора.

Измерительный прибор должен быть выставлен в режим до 20 вольт переключателем на корпусе. Если результат в пределах нормы, тогда тревожиться не стоит. В других ситуациях — например, когда при заявленных 5 вольт выдаётся 5,1−5,2, такое устройство лучше не использовать. От него у батареи неминуемо произойдёт деградация ёмкости.

Правильно определять полярность пинов на разъёме зарядника не требуется: даже если она будет перепутана, на экране просто высветится значение со знаком минус. Больше проблем может доставить именно их поиск. Для того чтобы безошибочно определить два пина, отвечающие за питание, нужно переключиться в режим «звонилки», то есть измерения сопротивления с сигналом при коротком замыкании. Нужно пройтись по всем пинам последовательно: пара, при которой мультиметр издаёт писк, и есть искомые контакты.

Хранение элементов

Если планируется оставить устройство на некоторое время, следует правильно его хранить. Для этого нужно периодически его подзаряжать. Таким образом, компенсируется тот саморазряд, который произошёл за время простоя. Оптимальным промежутком между такими операциями будет около 450−550 часов. Но правильнее всего следить за падением напряжения.

Необязательно постоянно проверять показатель, достаточно делать это раз в неделю. Принцип таков:

1. Соблюдая полярность, нужно приложить щупы к позитивному и негативному контактам. Мультиметр должен быть в режиме измерения напряжения до 20 вольт.
2. При результате в 4 и меньше вольт на экране, нужно подзарядить элемент.
3. Когда напряжение поднимается до 4,2−4,3 вольт, прекратить подачу питания.

За процессом нужно внимательно следить. Перезаряд для батареи на хранении опасен. Он может провоцировать осаждение ионов невалентного металлического лития. При этом растёт выделение кислорода, который заставляет корпус расширяться. Так и появляются «вспухшие» аккумуляторы.

Срок службы

Качественная литиевая батарея способна проработать до 500 циклов «заряд-разряд». Такой показатель характеризует большинство современных аккумуляторов, которыми оснащаются электронные приборы. Что касается времени работы на одном заряде, то его определяет масса факторов, в том числе и интенсивность использования устройства. Если пользователь постоянно смотрит фильмы в высоком разрешении, играет в игры со сложной графикой или проводит много времени в интернете, аккумулятор может лишиться своего рабочего ресурса всего за один год. Однако у среднестатистических потребителей срок службы без необходимости замены достигает ¾ лет.

Важным атрибутом долгой и эффективной работы батареи является правильная зарядка. Чтобы избежать потери рабочего ресурса, важно использовать исключительно штатное зарядное устройство, отказываясь от дешевых китайских аналогов. Как правило, в качестве такого прибора выступает зарядка с напряжением 5 вольт. Что касается штатных моделей, они обеспечивают 0,5−1 *С (этот показатель указывает на номинальную ёмкость батареи).

Процесс зарядки условно разделяется на несколько этапов:

1. Первый этап занимаемо около одного часа. На нем необходимо держать ток на постоянном уровне до тех пор, пока показатели напряжения не достигнут 4,2 вольта. В конечном итоге степень заряженности составит 70 процентов.
2. Продолжительность второго этапа тоже равна одному часу. За этот промежуток времени контроллер выдает стабильные 4,2 вольта, а интенсивность тока снижается. Как только она опустится до 0,2 *С, можно начинать последний этап.
3. На третьем этапе ток снижают при напряжении 4,2 вольта. По сути, он полностью повторяет предыдущий этап, но отличается стргоим соблюдением продолжительности в один час. В конечном итоге остается отключить зарядное устройство от сети.

Особенности хранения

Не секрет, что практически все литиевые аккумуляторы подвергаются постоянной деградации. Этот необратимый процесс начинается непосредственно со снятия батареи с конвейера. За год усердной работы емкость АКБ может снизиться вплоть до десяти процентов, если учесть несоблюдение базовых правил эксплуатации и хранения.

Интенсивность деградации определяется многими факторами, включая степень заряженности и температуру ОС.

Если допускать повышение температурного режима до 40−50 градусов Цельсия, то деградация будет невероятно быстрой. Наиболее оптимальный рабочий режим — 0−10 градусов. Однако найти такие показатели в домашней обстановке проблематично. Поэтому лучше всего хранить оборудование при комнатной температуре и средней заряженности.

Также важно избегать попадания прямых солнечных лучей на батарею, а раз в шесть месяцев проводить глубокую разрядку и зарядку аккумулятора.

Учитывая специфику конструкции, не стоит самостоятельно разбирать аккумулятор и пытаться восстановить его. Только при наличии соответствующих навыков и опыта можно выполнить такую работу. Однако важно помнить о технике безопасности и не забывать использовать перчатки и защитные очки.

Правильный уход за литиевыми аккумуляторами — залог их долгой и надежной работы.

Утилизация отработанных батарей

Такие источники питания ни в коем случае нельзя выбрасывать просто в мусорку. Они имеют свойство выделять токсичные соединения в почву, тем самым загрязняя её кобальтом, медью и литием.

Кроме того, в производстве задействованы некоторые химические элементы, которые в природе не возобновляются. Потому вторичная переработка таких аккумуляторов — способ не исключать их из природного фона.

На сегодняшний день, к сожалению, не существует эффективных способов переработки и вторичного использования этих элементов. Современные технологии для этого процесса настолько энергозатратны, что легче просто утилизировать отработанные модули.

Это делается в несколько этапов:

• Вскрытие в сухом и прохладном помещении.
• Удаление всей массы литийсодержащего электролита из корпуса.
• Разделение и растворение пластин.
• Переплавка цветных металлов, извлечённых из модуля.

После этого пластик, из которого состоит корпус, измельчается в специальных установках. Его можно использовать как недорогое вяжущее для производства асфальта вместо смолистого битума.

Правильной утилизации способствует практика установки специальных урн в салонах сотовой связи, куда можно выбросить отработанный аккумулятор. В дальнейшем все они сдаются на специальные предприятия.