Все правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

В данном материале мы поговорим о практических аспектах эксплуатации литий-ионных аккумуляторов. Как мы уже говорили в этой статье, у них есть свои особенности, которые нужно обязательно учитывать. Не важно, в каком устройстве находится аккумулятор, будь то смартфон, ноутбук, дрель или любой другой электроинструмент, правила эксплуатации будут одинаковыми.

Почему их нужно соблюдать? Во-первых, просто потому, что они совсем не сложные и не потребуют от вас никаких усилий. Во-вторых, их соблюдение может существенно продлить жизнь литиевого аккумулятора, повысить время работы устройств без подзарядки. Основных правил всего пять.

Отсутствие полного разряда

Некоторые типы аккумуляторов (например, никель-кадмиевые) нужно обязательно разряжать перед зарядкой до нуля. Это обусловлено эффектом памяти, который в литий-ионных отсутствует. Вернее, он есть, но крайне незначительный и его можно не учитывать. Поэтому заряжать можно на любом значении остаточной емкости, будь то 20% или 90% — батарее это никак не повредит. Глубокий разряд вредит данному типу аккумуляторов и значительно сокращает срок его службы. Емкость будет уменьшаться.

Производители делают расчет количества циклов при разряде до 0%. Например, они обещают 500 циклов. Но если ставить аккумулятор на зарядку при разряде 50%, то срок его службы увеличится раза в три. Согласитесь, это очень существенные цифры. А если заряжать после 10% разряда, то количество циклов вырастет в 9-11 раз. Разумеется, последнее невозможно на практике. Оптимальным считается не допускать разрядку ниже 20%. На практике вы можете ставить литий-ионный аккумулятор на зарядку даже без долго использования, даже если он разрядился всего на 5%.

Это относится ко всем типам, будь то батарея смартфона, АА, ААА и любые другие типоразмеры. Это одно из самых простых правил эксплуатации. Да, не всегда возможно вовремя зарядить аккумулятор, но в этом случае можно хотя бы попытаться ограничить использование устройства. Если не допускать разрядку ниже 20%, то срок жизни (количество циклов) в среднем увеличивается в 2 раза.

Хранение частично заряженным

Это актуально для электроинструментов и других устройств, которые используются время от времени. Оптимальный уровень заряда при длительном хранении – 40%, температура около 15 градусов. Соблюдать это правило уже труднее, но оно очень важное. Крайности недопустимы, так как:

• Если литий-ионный аккумулятор хранится долгое время полностью разряженным, то он может попросту выйти из строя и заряжаться не будет. В отдельных случаях его можно будет восстановить, но он потеряет часть емкости.
• Если аккумулятор полностью заряжен, то со временем он будет терять емкость. И чем больше срок хранения, тем больше потеря емкости. Да, саморазряд у Li-ion низкий, но в данном случае мы говорим совсем о другом.

Данное правило эксплуатации литий-ионных аккумуляторов обусловлено химическими процессами, которые в нем происходят.

Кстати, именно по этой причине не рекомендуют покупать данный тип АКБ «на всякий случай». Их нужно именно что активно использовать, держать на полке годами никакого смысла нет.

Оригинальные зарядные устройства

Необходимо использовать только те зарядные устройства, которые шли в комплекте. Но есть оговорка: все зависит от типа устройства. Зарядное устройство может быть встроено непосредственно в само устройство, а то, что мы называем «зарядка» лишь адаптер. Но у некоторых литий-ионные аккумуляторы вставляются во внешние зарядные устройства (например, как у зеркальных фотоаппаратов) и в этом случае если использовать зарядку от непонятного производителя, то это может сильно навредить батарее. Поэтому в данном случае экономить не стоит, цена зарядного устройства обычно ниже, чем цена аккумулятора. И экономия может привести к потере денег, как оно часто и бывает.

Полная разрядка

Хотя выше мы писали, что полная разрядка вредит литиевым аккумуляторам (что правда), иногда необходимо разряжать его до нуля, но делать это нужно правильно. Доказано, что если АКБ полностью разряжать 1 раз в три месяца и после этого держать на зарядке около 10 часов, то это способствует сбросу флагов нижнего и верхнего уровней, то есть, откалибровать батарею. Три месяца – ориентировочный срок, исследования показали, что это нужно делать после 40-50 циклов разряда (неполных).

Впрочем, многие современные литий-ионные аккумуляторы имеют функции, которые не требуют данных манипуляций. Поэтому стоит читать рекомендации по эксплуатации от производителя, если там указана данная процедура, то ее стоит делать совершенно точно.

Без перегрева

Низкая температура снижает емкость литий-ионного аккумулятора, но высокая вредит гораздо больше. Именно поэтому производители всегда говорят прямо: не подвергать воздействию прямых солнечных лучей. Максимальная температура, при которой допускается использование данного типа АКБ +50 градусов по Цельсию. Все, что выше – существенный риск. При этом способность держать заряд теряется при значительно меньших значениях.

При +30 батарея потеряет до 20% емкости, а при +45 уже около 50%.

Да, эти данные являются усредненными, возможны определенные отклонения, но в целом, литиевые батареи работают именно так. Поэтому при их эксплуатации в условиях высоких температур, стоить быть очень осторожным.

Что нельзя делать с литий-ионными аккумуляторами?

Что нельзя делать, четко пишут в инструкциях по эксплуатации, но мы знаем, что их читают очень редко, поэтому в рамках данной статьи считаем нужным продублировать эту информацию.

• Нельзя пытаться заряжать одноразовые батарейки. Они просто не предназначены для этого. Запрет – категорический. Все дело в том, что они могут загореться или даже взорваться.
• Их нельзя разбирать, нельзя прокалывать, если они вздулись (это говорит о неисправности клапана, который сбрасывает излишнее давление). Как минимум это грозит вытеканием электролита, в котором содержаться вредные вещества, как максимум – возгоранием.
• Уточняйте правила провоза литий-ионных батарей в зависимости от типа транспорта. Например, в самолетах их запрещено перевозить в багажном отделении, только в салоне. Также действуют ограничения по мощности, для некоторых аккумуляторов может потребоваться разрешение авиакомпании.
• При зарядке нельзя подавать напряжении выше пяти вольт, это может привести к возгоранию или к поломке АКБ. Это не актуально, если вы используете «родные» зарядные устройства, это стоит учитывать лишь тогда, когда применяются многофункциональные зарядные устройства, в которых есть возможность задавать ряд параметров по своему желанию.

В целом, правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов достаточно просты. Список рекомендаций и запретов не выглядит очень большим и сложным. Современные АКБ данного типа лишены множества недостатков, которые были присущи первым моделям. При соблюдении всех правил их можно назвать очень безопасными, а некоторые случаи взрыва или возгорания, о которых широко говорили в СМИ, лишь исключения, которые занимают доли процента, учитывая количество используемых литий-ионных аккумуляторов в мире.

Как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор?

---

---

Статья обновлена: 2018-04-12

---

Как правильно зарядить литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторные батареи имеют хорошие эксплуатационные характеристики и рассчитаны на долгий срок службы. Но чтобы избежать быстрого исчерпания ресурса батареи, нужно соблюдать правила их эксплуатации и хранения. Очень важно знать, как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы, поскольку для них губительны сильные разряды и перезаряды

У Li-ion аккумуляторов нет эффекта памяти. Чтобы не нанести вред химической системе таких накопителей, их желательно разряжать не ниже 5–10% и заряжать до 90–95% от полной емкости. Лучше всего заряжать литиевые аккумуляторы и батареи до 50% после каждого использования, не дожидаясь, пока они полностью разрядятся.

Чтобы защитить Li-ion аккумуляторы от перезаряда и критического разряда, их оснащают встроенными платами защиты. При зарядке они отсекают избыточное напряжение (выше 4,2 В на аккумулятор), а при критическом падении уровня заряда отключают аккумулятор (обычно до напряжения 2,7 В).

Как зарядить литиевую батарею

Чтобы не колебаться, каким напряжением лучше заряжать Li-ion батарею, всегда применяйте оригинальные зарядные устройства или их аналоги с параметрами, рекомендованными производителем для конкретной АКБ. Они точно будут выдавать необходимое напряжение и правильно восполнять заряд всех аккумуляторов в батарее. В то же время, зарядники с неподходящими параметрами способны очень навредить батарее.

В среднем Li-ion батареи заряжаются около 3 часов, но точное время восполнения заряда зависит о емкости конкретной АКБ и силы тока ЗУ. Зарядить Li-ion батарею можно:

1. Штатным зарядным устройством от электросети 220 В. Это оптимальный вариант, обеспечивающий безопасную и быструю подзарядку. Все остальные способы допустимо использовать только при крайней необходимости.
2. От USB-разъема компьютера – безопасный, но неудобный вариант. Поскольку ток в этом случае ограничен значением 0,5 А, заряжать батарею придется долго.
3. От прикуривателя в авто. При использовании стандартного переходника на USB процесс будет длительным. Ускорить его можно, если воспользоваться USB-портом с подходящей силой тока. Чтобы узнать, каким током нужно заряжать литий-ионный аккумулятор или АКБ в конкретном случае, достаточно посмотреть это значение на штатном зарядном устройстве или в документации.
4. При помощи «лягушки» – универсального зарядного устройства, часто используемого для подзарядки литиевых батарей от мобильников. Конструкция «лягушки» состоит из дока для помещения батареи и контактов, которые регулируются по ширине. О завершении процесса подзарядки в таких приспособлениях информирует светодиодный индикатор. Пользоваться «лягушкой» можно только в крайнем случае и с предельной осторожностью, поскольку и уничтожением аккумулятора

Дополнительные рекомендации

Хранить литий-ионные батареи лучше всего с уровнем заряда 30–50% при температуре около 15 °C. Если хранить накопитель с большим уровнем заряда, это приведет к снижению его емкости, а хранение разряженной АКБ грозит ее полным выходом из строя. Оптимальный температурный диапазон для эксплуатации таких накопителей энергии – от +10 до +25 °С, допустимый – от –40 до +50 °C.

При эксплуатации литий-ионных АКБ на морозе их эксплуатационный ресурс снижается. Кроме минусовых температур, для таких батарей вредны прямые солнечные лучи и находящиеся поблизости источники тепла. При зарядке литий-ионных батарей нужно следовать 5 основным правилам:

1. Заряжать АКБ, не дожидаясь ее тотальной разрядки.
2. Использовать штатные зарядные устройства.
3. Подзаряжать батарею 1 раз в квартал до 50%.
4. При длительном простое (например, во время хранения) – зарядить АКБ на 30–50% и поместить в место с температурой около 15 °С.
5. Избегать высоких и низких температур.

Мифы и реальность

Миф 1. Первая зарядка Li-Ion аккумулятора должна длиться минимум 16 часов. В действительности это было актуально для щелочных моделей. Долгая первая зарядка обеспечивала равномерную и полную зарядку всех аккумуляторов батареи. Но Li-Ion батареи в этом не нуждаются. Длительность их зарядки зависит только от степени разряда и емкости.

Миф 2. Новую батарею нужно 2–3 раза полностью разрядить и зарядить. На самом деле Li-Ion батареи можно и нужно заряжать до момента критического падения уровня заряда.

Миф 3. Полные циклы разряд-заряд продлевают жизнь АКБ. В действительности для литиевых моделей это правило не действует.

Миф 4. Нежелательно прерывать процесс зарядки до его окончания. В реальности Li-Ion батареи не нуждаются ни в полном разряде, ни в заряде до 100%. Наоборот, оптимальный диапазон емкости в процессе их работы составляет 10–95%.

Миф 5. Периодически АКБ нужно подвергать полному циклу разряд-заряд. Это можно отнести только к низкосортным АКБ. Это позволяет отбалансировать аккумуляторы в батарее между собой.

Предлагаем к прочтению еще одну статью – Как правильно заряжать LiFePO4 – каким напряжением и током лучше заряжать LiFePO4 батареи?.

Перейти в раздел зарядные устройства для АКБ

2018-04-12

Комментарии: 0

Просмотры: 4820

Комментарии

Принцип работы литий-ионного аккумулятора — E-Lyte Innovations GmbH

Литий-ионные батареи относятся к группе батарей, которые генерируют электрическую энергию путем преобразования химической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций на активных материалах, т. е. отрицательном (аноде) и положительном электроде (катоде), в одном или нескольких электрически соединенных гальванических элементах. Литий-ионные батареи можно разделить на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, в зависимости от того, перезаряжаются ли они электрическим током.

В обычных литий-ионных батареях ионы Li ⁺ перемещаются между положительным электродом (обычно из слоистого оксида переходного металла) и отрицательным электродом на основе графита по принципу «кресла-качалки» (см. видео) .

Термин «разрядка» используется для обозначения процесса, при котором батарея подает электрическую энергию на внешнюю нагрузку. Электролит в этой системе содержит дополнительные ионы Li ⁺ для обеспечения быстрого переноса ионного заряда внутри элемента.

 

Помимо ионной проводимости, электролит выполняет другие важные функции:

 

Поддержка образования эффективных межфазных фаз (например, межфазная фаза твердого электролита, SEI или межфазная фаза катодного электролита, CEI), которые:

2 90 батарея для работы

хорошо Li ⁺ -ионно-проводящие (норма!)

защищают от дальнейшего разложения электролита

 

Способствуют безопасности клеток – будучи инертными по отношению к другим материалам, таким как:

• Сепаратор
• Токосъемники
• Проводящие добавки, Связующие
• Кожух ячейки

 

Шаг 1 — Исходное состояние (состояние заряда (SOC) 0%)

При разрядке ионы Li ⁺ — находятся в материале положительного электрода. Таким образом, положительный электрод является источником ионов Li ⁺ -, необходимых для преобразования электрической энергии в химическую. Чтобы позволить Ли ⁺ -ионы мигрируют от положительного электрода к отрицательному электроду, электролит также обогащается ⁺ -ионами Li.

Шаг 2 — Формирование SEI и CEI

В самом начале первого процесса зарядки электроны мигрируют из материала положительного электрода (окисление) через внешний проводник в материал отрицательного электрода (восстановление). Для обеспечения зарядовой нейтральности Li ⁺ -ионы деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через электролит в материал отрицательного электрода для последующего хранения. В результате этих реакций на границах раздела электролит/поверхность отрицательного электрода и электролит/положительный электрод соответственно образуются граничные фазы, так называемые SEI и CEI. Эти межфазные слои образованы нерастворимыми продуктами электрохимического разложения компонентов электролита и Li ⁺ -ионы, происходящие от положительного электрода, и обеспечивают обратимый цикл батареи. После образования SEI и CEI дальнейшие ионы Li ⁺ — деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы впоследствии включиться в последний.

Этап 3. Электродные реакции

После формирования SEI и CEI далее Li ⁺ ионов деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода для последующего включения в последний.

Положительный электрод:

LI M O ₂ → LI _{(1- x )} M O ₂ + x · E 9000 – ₂ + x · E 9000 – + x · E 9000 – + x · E 9000 – + x · E 9000 – + x · E 9008 – + x · E 9008 – _{+ x · E 9008 –. ⁺}

Отрицательный электрод:    

C ₆ + x · E ^— + x · LI ⁺ → LI _x C ₆

Общая реакция клеток:

LIT CLOT O ₂  → Li _x C ₆ + Li _{(1- x )} MO ₂

Шаг 4 — Изменение цвета при интеркаляции/деинтеркаляции в графит

В зависимости от количества ионов Li ⁺ , встроенных в отрицательный электрод (в зависимости от состояния заряда, SOC), он меняет цвет с черного на красный (ранний SOC) на золотой (100% SOC).

Шаг 5 — Выписка

При разряде идут обратные реакции. Электродные реакции:

Положительный электрод = «катод» (восстановление)

LI _{(1- x )} M O ₂ + x · E ^— + x · LI ⁺ → LI M O · LI ⁺ → LI M O _{2 → LI M O 9 2}

→ LI M x · LI ⁺ → LI M x · LI ⁺ → LI M x . Электрод = «анод» (окисление)

LI _x C ₆ → C ₆ + x · E ^— + x · LI ⁺

+ x · LI +

+ x · li +

.

Шаг 6 — Принцип кресла-качалки

После разряда (SOC 0%) ионы Li ⁺ восстанавливаются в материале положительного электрода, из которого они изначально были получены. Возвратно-поступательное движение Li ⁺ -ионов напоминает движение кресла-качалки, поэтому этот принцип получил название «принцип кресла-качалки».

Особенно первый цикл (зарядка и разрядка) связан с необратимой потерей ионов Li ⁺ в SEI и CEI, а также в материале отрицательного электрода. В результате меньше Li ⁺ -ионы теперь могут накапливаться в отрицательном электроде в следующем цикле заряда, что приводит к снижению емкости аккумулятора.

В литий-ионном аккумуляторе происходят различные процессы старения, которые снижают производительность аккумулятора в течение периода использования и сильно зависят от химического состава элемента и предполагаемого использования аккумулятора. В частности, правильный выбор электролита оказывает огромное влияние на эти механизмы старения и еще раз подчеркивает важность электролитов, изготовленных по индивидуальному заказу.

Для оптимизации литий-ионных аккумуляторов в отношении удельной энергии и плотности энергии, срока службы и безопасности было предпринято много усилий для дальнейшего расширения возможностей применения ЛИА. В частности, растущие потребности в литий-ионных батареях с высокой удельной энергией и плотностью энергии, особенно для автомобильных приложений, стимулируют исследовательские усилия во всем мире. Плотность энергии и удельная энергия аккумуляторов по определению — это количество энергии, запасенной в данной системе на единицу объема и на единицу массы соответственно. Произведение удельной емкости на среднее напряжение разряда дает удельную энергию, и это соотношение находит выражение в уравнении 1:

E = C · U            (1)

Согласно уравнению 1 кажется разумным, что большая часть текущих исследований сосредоточена на новых материалах положительных электродов с более высокими рабочими напряжениями (подход с высоким напряжением) и/или повышенной удельной емкостью (высокопроизводительный подход). Высоковольтные катодные материалы сильно ограничены узким окном электрохимической стабильности современных электролитов на основе карбонатов (≈1,0–4,4 В против Li/Li ⁺ ) и усилить конструкцию внутренне стабильных электролитов или подходящих добавок к электролиту, позволяющих создавать высоковольтные литий-ионные батареи.

Мы с нетерпением ждем вашего сообщения

Имя

Пожалуйста, оставьте это поле пустым.

Фамилия

Пожалуйста, оставьте это поле пустым.

Компания

Адрес электронной почты

Сообщение

Я согласен с обработкой введенных данных, а также с заявлением о защите данных.

Для получения дополнительной информации см. нашу Политику конфиденциальности.

Визуализация работы литий-ионной батареи

Исследователи измеряют в режиме реального времени изменения размера электродов батареи

Джимми О’Ди

По мере того, как ионы лития входят и выходят из кремниевого электрода, результирующий рост и усадка кремния измеряются с помощью света, падающего и отраженного от барабана.

У вас когда-нибудь был портативный компьютер, аккумулятор которого со временем вздувался? Не нужно быть специалистом, чтобы сказать вам, что аккумулятор не должен высовываться из корпуса компьютера. Однако понимание того, почему и как литий-ионные батареи меняют размер во время использования, представляет собой проблему для ученых, пытающихся создать батареи с более длительным сроком службы, которые будут работать в течение более длительных промежутков времени между перезарядками, чем современные батареи.

Точно так же, как вода оказывает нежелательное давление на трубы, поскольку она расширяется при отрицательных температурах, внедрение ионов лития может вызвать нежелательные силы в электродах батареи. Эти силы могут превратить электрод батареи в пыль, что приведет к потере электрического контакта и отказу батареи.

Новая методика, разработанная исследователями из Наноструктур для хранения электроэнергии (NEES), позволяет в режиме реального времени отслеживать расширение и сжатие батареи и возникающее в результате внутреннее напряжение. По сравнению с аналогичными методами этот метод представляет собой платформу для быстрого изучения и отбора материалов, рассматриваемых для литий-ионных аккумуляторов.

Аккумуляторы следующего поколения, содержащие сплавы лития с кремнием, оловом, алюминием и т. д. в качестве отрицательного электрода или анода, могут хранить больше заряда для заданной массы, чем современные технологии, а это означает, что эти аккумуляторы будут работать дольше, чем сегодняшние аккумуляторы. Недостатком этих новых материалов является то, что они значительно расширяются и сжимаются при вставке и удалении ионов лития соответственно.

В рамках проекта под руководством Резы Годсси из NEES исследователи разработали оптический метод для обнаружения изменений объема кремниевого анода по мере того, как ионы лития входили и выходили. Эти изменения размера связаны с напряжением в активном материале батареи.

Новый метод заключается в формировании батареи под миниатюрным барабаном. Когда ионы лития входят и выходят из кремниевого анода, результирующее расширение и сжатие кремния измеряется по конструктивной и деструктивной интерференции света, падающего и отраженного от барабана. Контрольный эксперимент позволил провести корреляцию между прогибом барабана и напряжением в аккумуляторе.

Метод оптического отклонения выявляет обратимые и необратимые деформации, связанные с введением и извлечением ионов лития из кремниевых анодов. Такое механистическое понимание имеет решающее значение для понимания и сдерживания расширения/сжатия материалов из литиевых сплавов.

Поскольку соединения лития чувствительны к воздуху, предыдущие оптические измерения расширения и сжатия батареи проводились в перчаточном боксе. Однако команда NEES модифицировала корпус стандартной батареи с прозрачным окном, чтобы проводить измерения в условиях окружающей среды на батареях, собранных в перчаточном ящике, что значительно упростило процесс.

В то время как исследователи сосредоточились на кремниевых анодах в своей первоначальной работе, конструкция барабана подходит для изучения других материалов, размер которых изменяется в результате электрохимических процессов. Кроме того, их процедура позволяет изготавливать сразу несколько барабанов, что потенциально позволяет проводить комбинаторные исследования материалов батареи.

Дополнительная информация

Померанцева Э., Х. Юнг, М. Гнерлих, С. Барон, К. Герасопулос и Р. Годси. 2013. «Платформа MEMS для мониторинга на месте в режиме реального времени электрохимически индуцированных механических изменений в электродах литий-ионных аккумуляторов».