Литиевые аккумуляторы.

Типы литиевых аккумуляторов и их особенности

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

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

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

В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не применяется.

Сейчас распространены 3 типа литиевых аккумуляторов:

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

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

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

Все эти типы литиевых аккумуляторов различаются материалом катода или электролита. В Li-ion используется катод из кобальтата лития

LiCoO₂, в Li-Po применён электролит из гелеобразного полимера, а в Li-Fe используется катод из литий-ферро-фосфата LiFePO₄.

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

).

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

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

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

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

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

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

Правильная зарядка литиевых аккумуляторов.

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки литий-ионных аккумуляторов.

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

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

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

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

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

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

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

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Разновидности литий-ионных аккумуляторов — Об электровелосипедах подробно — Блог — Статьи

Существует несколько типов литий-ионных аккумуляторов, которые имеют существенное отличие друг от друга. Все разновидности литий ионных аккумуляторов содержат литий и различные добавки прочих химических элементов. Рассмотрим подробнее каждый из этих типов.

Литий-ионные аккумуляторы уже стали классикой, они представляют собой перезаряжаемые источники энергии, где ионы лития при зарядке перемещаются от положительного электрода к отрицательному, а при разряде (т.е. в процессе работы) – от отрицательного электрода к положительному. АКБ литий-ионного типа широко используются в бытовой технике, электронике и электротранспорте. У них отличная энергетическая плотность, низкий саморазряд и отсутствует эффект памяти.

Типы литиевых аккумуляторов

• Одним из новых разновидностей литий-ионных АКБ являются LTO (литий-титанат). Эти аккумуляторы характеризуются большим жизненным циклом (порядка нескольких десятков тысяч циклов заряд-разряд). LTO аккумуляторы отличаются высокой степенью безопасности, имеют номинальное напряжение 2.4 В, но их энергетическая плотность несколько ниже, чем у классических литий-ионных АКБ. LTO батареи используются в наручных часах и электрокарах, а также в мобильных медицинских устройствах.
• Литий-полимерные аккумуляторы – еще один тип литиевых аккумуляторов. Тонкие ячейки Li-Polymer АКБ обеспечивают высокую и объемную плотность энергии. Такие аккумуляторы стабильны при высоких температурах и перепадах напряжения. Чаще всего литий-полимерные аккумуляторы применяются в беспроводных устройствах, портативных плеерах, цифровых камерах, ноутбуках, электронных книгах и электровелосипедах.

• Аккумуляторы LiFePO4 — это батареи с высокой степенью безопасности, большим жизненным циклом (до 2000) и достаточно невысокой себестоимостью при производстве. Батареи LiFePO4 идеально подходят для высоких токов разрядки, и широко используются в военной технике, солнечных энергосистемах, источниках бесперебойного питания, электроинструментах и электрических велосипедах. Магазин ВольтБайкс принимает заявки на изготовление литиевых АКБ.
• Батареи Li-SO2 (диоксид серы) – это аккумуляторы с высокой плотностью энергии и хорошей устойчивости к разряду на высоких мощностях. Аккумуляторы такого типа находят свое применение в военной отрасли, метеорологии и космонавтике. Они обладают очень низким саморазрядом и способны работать в самых экстремальных условиях.
• Аккумуляторы Li-MnO2 (литий-диоксид марганец) – это источники питания с легким литиевым анодом и твердым катодом, погруженным в нетоксичный органический электролит. Такие АКБ применяются электронных системах контроля доступа, медицинском оборудовании, пожарных сигнализациях, современной цифровой технике, а также аварийных радиобуях и резервных источниках питания.

Как видим, типы литий-ионных батарей достаточно многочисленны, причем мы перечислили лишь наиболее распространенные разновидности этих АКБ. Каждый тип аккумуляторов имеет свои плюсы и минусы, и находит применение в цифровых устройствах и современной технике.

Обратите внимание на наш другой материал – о различиях между литий-ионными и литий-ферро-фосфатными батареями.

Битва тяжеловесов или выбираем высокотоковые литиевые аккумуляторы

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о высокотоковых аккумуляторах, в частности о Samsung INR18650-25R 2500mah и LG INR18650HG2 3000mah, предназначенных для электронных сигарет или электроинструмента. Также в обзоре будет принимать участие LiFePO4 аккумулятор A123 APR18650M1A 1100mah, но просто для сравнения, т.к. это немного другой тип химии и другая емкость. Полноценного тестирования не будет, извиняйте, так как пропало желание собирать нормальный нагрузочный стенд, но вместо этого я помучаю банки максимальным паспортным током в 18А. Если интересно, выдержат ли они тест и как себя поведут, то милости прошу под капот кат…
Upd, цены для России (Украины, Белоруссии) ниже
Доставка почтой Нидерландов за €14 (около двух недель)

Общее фото:

Немного информации об испытуемых аккумуляторах:

Есть два типа Samsung INR18650-25R 2500mah — в голубой (25R2) и зеленой (25R5) термоусадке. Мне достался вариант в зеленой термоусадке – это новинка 2015 года, у нее больше жизненный цикл и другой процент содержания «химии». По заверениям производителя, зеленые Самсоны выдерживают более 250 циклов заряд/разряд на токе 20А, поэтому если есть возможность, то выбирайте зеленые Самсоны!

Также по некоторой информации, у банок LG много отказов, какой-то технологический дефект, поэтому производство их приостановлено в октябре-ноябре. Правда это или нет – точно не знаю, слухи. Самсоны и Лыжи были предоставлены магазином Ncon.nl для обзора. Лифешки были куплены в российском магазине Enecrosse и добавлены в обзор просто для сравнения.

Классификация банок по токоотдаче:
Поскольку единой классификации аккумуляторов по максимальной токоотдачи нет, то я решил сделать свою классификацию и в дальнейшем буду придерживаться ее:
— обычные/низкотоковые аккумуляторы – привычные банки с максимально разрешенным током до 5А. Это популярные Samsung ICR18650-26FM/28A/30B/32A, Sanyo UR18650FM/ZY, Sanyo/Panasonic NCR18650B/BF/BL, LG ICR18650D1/E1/F1L и т.д.
— среднетоковые – предназначены для устройств с потреблением не выше 10А. В основном это новинки 2015г с модернизированной химией Sanyo/Panasonic NCR18650GA/BD/PF/PD, LG INR18650MJ1, Samsung INR18650-35E
— высокотоковые – выдерживают нагрузку от 10А и выше. Это банки для электронных сигарет, электроинструмента, о них и пойдет речь в данном обзоре, список моделей см. ниже.

Основные модели высокотоковых 18650 Li-Ion аккумуляторов:

— Sanyo UR18650W2 1500mah (20А макс.)
— Sanyo UR18650RX 2000mah (20А макс.)
— Samsung INR18650-20R 2000mah (22А макс.)
— Samsung INR18650-25R 2500mah (20А макс.)
— Samsung INR18650-30Q 3000mah (15А макс.)
— LG INR18650HB6 1500mah (30А макс.)
— LG INR18650HD2 2000mah (25А макс.)
— LG INR18650HE2 2500mah (20А макс.)
— LG INR18650HE4 2500mah (20А макс.)
— LG INR18650HG2 3000mah (20А макс.)
— SONY US18650VTC3 1600mah (30А макс.)
— SONY US18650VTC4 2100mah (30А макс.)
— SONY US18650VTC5 2600mah (30А макс.)
— A123 SYSTEMS APR18650M1A 1100mah (30А макс.)

Официальные спецификации:

Samsung INR18650-25R 2500mah:

LG INR18650HG2 3000mah:

A123 Systems APR18650M1A 1100mah:

Внутреннее сопротивление, замеренное Opus’ом (просто для интереса):

Емкость аккумуляторов (Opus разряжает до 2,9V):

Вес:

Сравнение в компараторах:

Теперь сравним наших подопечных в популярных компараторах на токах 5А/2А (Samsung в голубой термоусадке):


Результаты при разряде током 2А/5А до 3V:

Как видим, что при 2А, что при 5А, Лыжи выглядят предпочтительнее Самсонов – лучше держат нагрузку, а вот по отданной емкости не все так однозначно. Не забываем, что в компараторе разряд до 3V, т.е. часть емкости осталось невостребованной.

Общее сравнение в компараторе на токе 5А со своими собратьями (Соньки включать не буду, т.к. не входят, да и очень много подделок, ну и по графикам схожи с Самсонами 25R):

Таблица результатов при разряде небольшим током 5А до 3V:
Samsung INR18650-25R 2500mah (голубые) -> 2295mah (8,011Wh)
Lg INR18650HE2 2500mah -> 2242mah (7,819Wh)
Lg INR18650HG2 3000mah -> 2622mah (9,185Wh)
Lg INR18650HE4 2500mah -> 2304mah (7,980Wh)
Samsung INR18650-20R -> 1857mah (6,518Wh)
Lg INR18650HD2 2000mah -> 1897mah (6,636Wh)

Демонстрация нагрузочных способностей аккумуляторов:

Ну и в завершение мое тестирование под большой нагрузкой (в среднем 17-18А). К сожалению, проигрыш в ежемесячном конкурсе отбил все желание собирать мощный нагрузочный стенд, а профессиональных зарядников у меня нет, поэтому тестировать я буду по-простому – советским измерительным прибором Ц4340 с максимальным током измерения 25А, привычным трехрегистровым вольтметром и примитивной нагрузкой в виде 5Вт керамических резисторов.

Для начала о приборе Ц4340:

Это довольно удачный и точный стрелочный прибор с аналоговой шкалой, выпущенный в 1980г. Как видим, высчитывать придется все вручную. Но благодаря тому, что в приборе всего одна основная шкала и число целых единиц кратно 5, то проблем с высчитыванием нет, все измерения высчитываются очень быстро. Чтобы не было недопонимания, приведу пару примеров, заодно и сравним показания с электронным амперметром:
Калибровка с пределом в 5А. Как видим, переключатель диапазонов включен на 5А, следовательно, вся шкала от 0 до 50 – 5А. Другими словами, цифра 10 на шкале – 1А, цифра 30 — 3А.

В нашем случае стрелка остановилась на отметке 37, что означает 3,7А. Электронный двухрегистровый амперметр показывает тоже 3,7А. Во втором случае также, отметка 36 – 3,6А.
Для измерения тока до 25А, необходимо переставить щуп из среднего гнезда в правое, с отметкой 25А. При этом шкала будет иметь предел 25А, т.е. отметка 10 на шкале – 5А, отметка, к примеру, 30 – 15А.

В нашем случае стрелка остановилась на отметке чуть меньше 10, т.е. около 5А. Электронный двухрегистровый амперметр показывает 4,91А. Погрешность совсем небольшая.

Важное примечание: просадку напряжения на испытуемых аккумуляторах не принимайте в серьез, т.к. стенд собран «на соплях» из первых попавшихся деталей, на которых при серьезных токах идет большое падение напряжения, ибо только контакты холдера нагревались до 90°С. А в цепи еще два контакта измерительных щупов и два контакта силового выключателя, который также неплохо нагревался. Ну и падение напряжения в самих самодельных щупах.

Данное тестирование направлено прежде всего для сравнения просадки напряжения аккумуляторов при одинаковых условиях!

Теперь непосредственно тестирование.

Методика тестирования простая – замер напряжения на банке через определенные промежутки времени и сравнение полученных результатов. В качестве отсчета будем использовать популярный кухонный таймер. Отключение нагрузки за 3-5 секунд до конца, плюс полминуты на восстановление банки и замер напряжения на ней.
Нагрузка небольшим током (7А) Samsung INR18650-25R 2500mah:

Нагрузка небольшим током (7А) LG INR18650HG2 3000mah:

Нагрузка небольшим током (6А) A123 APR18650M1A 1100mah:

Подведем примерные итоги:

Как видим, Самсоны и Лыжи идут в ровень, в пределах погрешности. Лифешка стабильно держит одно напряжение, что не удивительно, ведь высокие токи отдачи — это их вотчина. Теперь посмотрим, как будут вести себя банки на токах 16-18А, близких к максимальным 20А. Методика тестирования немного поменялась. Теперь время теста будет не 3 минуты, а 4,5 минуты, плюс полминуты на восстановление и замер напряжения (нагрузка будет отключаться за 30 секунд до конца таймера). Также будет замер спустя 10 секунд после подключения нагрузки. Ну и теперь только стрелочный прибор в качестве амперметра и трехрегистровый вольтметр для измерения напряжения на банке. Поскольку токи не хилые, то резисторы и аккумуляторы нагреваются довольно быстро, поэтому был добавлен вентилятор для охлаждения стенда. По личным ощущениям, нагрев банок до 70 — 75°С, ибо спустя минуту после отключения нагрузки, аккумулятор вынимать сложно, температура на грани болевого порога (пирометр может немного врать). Без принудительного обдува они могут нагреться до 80°С, что уже выходит за паспортные рамки…

Нагрузка большим током (18А) Samsung INR18650-25R 2500mah:

Вот более понятная картинка с выборкой через 1/2/4 минуты:

Нагрев аккумуляторов и резисторов спустя 4 минуты после начала теста (Самсон — 66°С, резюки — 127°С):

Нагрузка большим током (18А) LG INR18650HG2 3000mah:

Более понятная картинка с выборкой через 1/2/4 минуты:

Нагрев аккумуляторов и резисторов спустя 4 минуты после начала теста (Лыжа — 69°С, резюки — 140°С):

Нагрузка большим током (15А) A123 APR18650M1A 1100mah:

Более понятная картинка с выборкой через 1/2/4 минуты:

Нагрев аккумуляторов и резисторов спустя 4 минуты после начала теста (Лифешка — 61°С, резюки — 100°С):

Подведем примерные итоги:

Поэтому можно сделать вывод о том, рабочее напряжение при таких токах около 3,2V (сделаем поправку на некачественные комплектующие), что в принципе неплохо. Явных лидеров нет, Лыжи выигрывают за счет большей емкости. Конечно, в конце теста разница по напряжению 0,2V, но разница не столь значительная. С другой стороны, разница по стоимости банок небольшая, да и есть прирост емкости без ухудшения ТТХ, даже наоборот, поэтому все же я свой голос отдаю Лыжам, :-). Хотелось бы, конечно, пощупать и Соньки, но пока нет возможности…

А вот сколько залилось после всех этих манипуляций:

Дата производства:
Я уже писал о расшифровке некоторых банок в своей статье о «кастрации» аккумуляторов, здесь те же стандартные маркировки:

Банка Samsung имеет следующие обозначения:
INR18650-25R 2F34, что означает
— INR18650-25R – наименование модели
— первая цифра – филиал компании, где произведена батарея (не интересна)
— вторая цифра – это год выпуска: Y-2005, L-2006, P-2007, Q-2008, S-2009, Z-2010, B-2011, C-2012, D-2013, E-2014, F-2015, G-2016, H-2017 и т.д…
— третья цифра – это месяц выпуска: 1 – январь, 2 – февраль, 9 – сентябрь …… A – октябрь, B – ноябрь, C – декабрь
— четвертая цифра – это неделя выпуска банки: 1, 2, 3, 4 и 5
Итого: дата производства Samsung INR18650-25R 2F34 – 4 неделя марта 2015 года (довольно свежие)

Банка LG имеет следующие обозначения:
LGDBHG21865 O125EO52A2 (нужны первые четыре символа), т.е.:
— LGDBHG21865 – пусть будет наименование модели и форм-фактор (HG2/1865)
— первая буква — это год выпуска: J – 2010, K – 2011, L – 2012, M – 2013, N – 2014, O – 2015 и т.д.
— следующие три цифры – это день выпуска: 040 (40 день), высчитывать неудобно…
Итого: дата производства LG LGDBHG21865 O125EO52A2 – 5 мая 2015 года

Типичное применение аккумуляторов:
— электронные сигареты – я думаю многие «парильщики» уже используют эти банки, ибо оригинальные Соньки найти проблематично.
— электроинструмент – шуруповерты, дрели, перфораторы
— мощные «кастомизированные» фонари, особенно с повышающим драйвером

Плюсы:
+ высокотоковые, реальная токоотдача в 18-20А
+ хорошая честная емкость (особенно у лыж)
+ свежие аккумуляторы и быстрая доставка (за полторы недели где-то доехали)
+ нет подделок
+ усиленный плюсовой контакт

± низкий порог разряда в 2,5V (с одной стороны — большинство потребителей отключаются при 3V, но с другой при максимальных токах просадка очень большая и чтобы не снижать ресурс банки, желательно иметь с заниженным порогом разряда)

Минусы:
— чуток великовата цена (магазин европейский, расчет в евро)

Вывод: отличные аккумуляторы, новые LG просто находка для «тяжелой» работы…

Котяшка:

Кому интересно, еще обзоры:

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Литий-ионные аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»



В этой статье представлена история появления и развития литий-ионных аккумуляторов. Детально рассмотрен данный тип аккумуляторов и технические аспекты их функционирования, а также конструкция и принцип работы, разработанных к настоящему времени литий-ионных аккумуляторов. В заключении рассмотрены тенденции развития указанного класса изделий, следуя которым, по мнению авторов статьи, можно улучшить и расширить применение литий-ионных аккумуляторов в различных областях техники.

Введение

В последние годы ученые и инженеры-разработчики электронной аппаратуры все большее внимание уделяют аккумуляторам, которые могут обеспечивать длительное автономное питание электронных устройств. Итак, литий-ионные аккумуляторы — тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике. В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в мобильных телефонах, поэтому чрезвычайно важно знать, как правильно пользоваться литиевыми источниками питания. В данной статье будут озвучены основные особенности устройства и использования Li-ion батарей, а также некоторые практические советы по их эксплуатации.

Литий-ионные аккумуляторы

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году. Но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые появились в бытовых устройствах. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (рис. 1) оказались неудачными из-за возникших проблем в обеспечении безопасности их эксплуатации, так как литий является очень активным щелочным металлом [1].

Таким образом, исследователи повернули свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

Рис. 1. Литий-ионные аккумуляторы

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd-аккумуляторов, а в перспективе, с применением новых активных материалов, предполагается ее увеличить и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd-аккумуляторами.

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов. Рассмотрим достоинства и недостатки, свойственные всем их типам.

Достоинства инедостатки

Основными преимуществами Li-ion-аккумуляторов являются:

‒ большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.

‒ низкий саморазряд.

‒ высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH) упрощает конструкцию. Многие изготовители сегодня ориентируются на применение для сотовых телефонов именно такого одноэлементного аккумулятора. Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо чтобы он мог отдавать более высокий ток. А это возможно только при низком внутреннем сопротивлении аккумулятора.

‒ низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов), поскольку отсутствует эффект памяти и не требуются периодические циклы разряда для восстановления емкости.

Основными недостатками Li-ion-аккумуляторов являются:

‒ необходимость встроенной схемы защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет его от слишком низкого напряжения на элементе при разряде. Кроме того, она должна ограничивать максимальные токи заряда и разряда и контролировать температуру элемента.

‒ аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion-аккумуляторов. Небольшое уменьшение емкости заметно после одного года, вне зависимости от того, используется аккумулятор или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к эксплуатации. Для уменьшения процесса старения необходимо хранить заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.

‒ более высокая стоимость по сравнению с NiCd-аккумуляторами.

По удельным характеристикам Li-ion аккумуляторы лидируют среди массово выпускаемых и занимают одно из первых мест среди применяемых электрохимических систем. Li-ion аккумуляторы обладают высокой удельной энергией (до 190 Вт•ч/кг), высоким разрядным напряжением (3,4–4 В и более, в зависимости от используемых электродных материалов), очень низким саморазрядом (менее 3 % в месяц) и длительным сроком службы (более 1000 циклов заряда/разряда, до снижения емкости на 20 % от номинальной к тысячному циклу). В зависимости от материалов и конструкции эти аккумуляторы могут работать в интервале температур от –40 до +80°C. При этом их стоимость постоянно снижается, а область применения расширяется. На рис. 2 показаны возможные сочетания удельной энергии и удельной мощности у аккумуляторов различных типов.

Рис. 2. Удельные характеристики различных типов аккумуляторов

Строение иклассификация литий-ионных аккумуляторов

Деление Li+ аккумуляторов на высокомощные, высокоемкие и промежуточные, занимающие место между двумя приведенными классами, носит условный характер (синие области на рис.2). Суть этого разделения в следующем. Даже с учетом одного и того же электрохимического процесса сам аккумулятор, как конечное изделие, можно изготовить по-разному (рис. 3). Например, токопроводящую основу электрода (алюминиевая фольга на положительном электроде, медная — на отрицательном) в одном случае можно сделать тоньше и электродной массы нанести больше, а в другом — наоборот. Чем больше соотношение активных электродных масс, участвующих в электрохимических реакциях, к пассивным, не участвующим в них, тем выше удельные характеристики конечного изделия. Однако, чем меньше толщина медной фольги, тем меньший ток она может пропустить без перегрева. И наоборот, чем больше толщина слоя электродной массы, тем больше его сопротивление. То есть аккумулятор с более тонкой токопроводящей основой и более толстым слоем электродной массы будет иметь высокие показатели по запасаемой энергии, но низкую мощность, и наоборот. Поэтому для еще большего снижения сопротивления применяют активные материалы с меньшим размером частиц.

Варьируя толщину электродов, фольги, сепаратора и материалы положительного и отрицательного электрода, размеры частиц, производители могут изготовить аккумулятор с различными максимальными токами разряда и/или различной емкости в одном и том же типоразмере конечного изделия. Высокомощные аккумуляторы (с высокими токами разряда) должны иметь и более массивные токовыводы, что предохраняет аккумулятор от перегрева при больших значениях тока. К тому же для увеличения тока разряда в состав электролита и активных масс можно вносить всевозможные добавки, увеличивающие проводимость [2].

Рис. 3. Строение Li-ion аккумулятора

Высокоемкие аккумуляторы обычно имеют небольшие размеры борнов (токосъемников) в сравнении с объемом корпуса аккумулятора. Такие борны рассчитаны на относительно малые токи разряда. Например, если аккумулятор имеет емкость 10 А/ч, то максимальный ток разряда составит 20 А (получасовой режим).

Высокоемкие и высокомощные аккумуляторы предназначены для разных задач и имеют различное назначение, хотя иногда их совместно эксплуатируют в одном изделии: одни для стартерных режимов, другие — для питания слаботочной аппаратуры.

Принцип заряда

Метод заряда Li-ion аккумуляторов можно условно разделить на четыре этапа, это показано на рис. 4.

Рис. 4. Этапы зарядки Li-ion аккумуляторов

1) Подготовительный этап

Подготовительный этап необходим, когда напряжение на аккумуляторе ниже некоторого установленного значения. При долгом хранении аккумулятора вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения функционирования(СОФ) его напряжение может упасть. Малый ток заряда обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют, после чего включается основной ток заряда. Данный режим призван обеспечить более долгую жизнь аккумулятора при выходе его из заданного диапазона напряжений. Подготовительный этап применяется и в случае заряда аккумулятора при низких температурах, например ниже +5°C — для «разогрева» электродных масс.

Первоначальный заряд малым током используется и для обеспечения безопасности аккумулятора при заряде. Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности. Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация. Хотя СОФ имеет температурный датчик, при быстром заряде и относительно большой теплоемкости аккумулятора и высоком конечном значении теплопроводности разгерметизация может произойти немного раньше, чем СОФ отключит аккумуляторы от заряда. Функция заряда малым током часто возлагается не на зарядное устройство, а на СОФ батареи. В схеме СОФ это может быть дополнительный MOSFET транзистор, управляющий зарядом, включенный через последовательный резистор, ограничивающий ток, подключенный к аккумуляторной батарее.

2) 1этап

На этом этапе заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости аккумулятора (Сн). Например, емкость аккумулятора 10 А·ч, номинальный ток заряда 0,2Сн, то есть 2 А — пятичасовой режим заряда. Понятно, что потребитель хочет, чтобы заряд осуществлялся как можно быстрее — в течение 1–2 ч, что соответствует 0,5–1Сн. Такой режим заряда обычно называют ускоренным. Для нормальной работы аккумулятора номинальный ток заряда лежит в пределах 0,2–0,5Сн, а ускоренный, как уже говорилось, — в диапазоне 0,5–1Сн. Каким максимальным током можно заряжать тот или иной аккумулятор, можно узнать в документации на конкретный тип устройства.

Чем выше ток заряда, тем меньше аккумулятор «наберет» емкости и тем пристальней необходимо следить за разогревом, чтобы его температура не вышла за установленный предел. При большом токе заряда существенно продлевается время 2-го этапа (рис. 4), когда ток постепенно падает до определенного предела. Так, например, при токе заряда 1Сн и отводимом на заряд времени в 1 ч аккумулятор достигнет своего конечного напряжения за 45–50 мин. Любой аккумулятор имеет внутреннее сопротивление. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении при большом токе заряда приведет к более быстрому достижению конечного зарядного напряжения. При достижении конечного напряжения заряд перейдет ко второму этапу — падающему току при постоянном напряжении. За оставшееся время 10–15 мин. аккумулятор «наберет» еще 0,1–0,15Сн, что в сумме составит не более 0,85–0,95Сн. При более коротком режиме заряда и лимите времени зарядная емкость будет еще меньше.

Ускоренный и номинальный режим заряда необходимо чередовать, особенно при заряде батарей, состоящих из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. При номинальном токе заряда возрастает его продолжительность. Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3]. Чем больше время такой балансировки, тем лучше будут сбалансированы аккумуляторы по емкости и, в конечном итоге, батарея отдаст емкость, близкую к номинальной при разряде.

3) 2 этап

Второй этап — это заряд при постоянном напряжении и падающем до определенного значения токе. Например, процесс считается завершенным при установлении тока заряда менее 0,1–0,05Сн (в нашем примере 100 мА). Время заряда падающим током также зависит от срока службы и количества циклов заряд/разряд

После окончания заряда напряжение на аккумуляторе падает на 0,05–0,1 В (рис. 4), приходя к своему равновесному состоянию. Держать аккумулятор продолжительное время (десятки часов) при конечном напряжении (например, 4,2–4,3 В) не рекомендуется, поэтому после фазы падающего тока желательно прекратить заряд [4].

Производители электроники предоставляют уже готовые схемотехнические решения, реализующие описанный выше алгоритм заряда, выполненные в одном корпусе микросхемы — например МАХ1551, МАХ745 и т. д. Одна из популярных микросхем, применяемых для заряда Li-ion аккумуляторов мобильных телефонов, фототехники и т. д. от сети постоянного тока 12–24 В — MC34063.

4) Stand by этап

Если Li-ion аккумуляторная батарея должна быть в зарядном устройстве для эксплуатационной готовности, то некоторые зарядные устройства применяют кратковременный подзаряд аккумулятора, чтобы компенсировать его небольшой саморазряд. Зарядное устройство срабатывает, когда напряжение в цепи падает до 4.05 В/батарею и выключить при достижении 4.20 В/батарею. Зарядные устройства, сделанные для работы в режиме эксплуатационной готовности, или режиме ожидания, часто дают упасть напряжению до 4.00 В/батарею и зарядиться только до 4.05 В/батарею вместо 4.20 В/батарею. Это приводит к продлению срока службы батареи [5].

Применение итенденции развития

Литий-ионные технологии находятся лишь на старте реализации потенциала и повсеместного промышленного внедрения. В частности Li-ion аккумуляторы применяются в авиалайнерах, автомобилях, суднах. Например, компания Boeing улучшила саму технологию производства аккумуляторов так, чтобы предотвращать прорыв элементов при повышении температуры, и изменила их конструкцию с уменьшением тепловыделения. Кроме того, была усовершенствована система зарядки. И наконец, специалисты Boeing разработали новую конструкцию батарейного отсека, которая могла бы защитить самолет в случае, если отказ аккумуляторов все-таки произойдет. Еще одна сфера, где применение литий-ионных технологий дало качественный скачок в развитии целой индустрии — это электромобили. Одним из лидеров по разработке, производству и продвижению электромобилей на литий-ионных аккумуляторах является американская компания “Tesla Motors”. Для обеспечения своих автомобилей источниками питания компания даже планирует построить завод по производству литий-ионных аккумуляторов полного цикла. Помимо этого, в 2016 году в Норвегии планируют спустить на воду электропаром. Судно, разработанное специалистами немецкой компании “Siemens” и норвежской судоверфи “Fjellstrand”, будет оборудовано двумя электродвигателями, работающими от литий-ионных аккумуляторов, и сможет перевозить на борту 120 автомобилей и 360 пассажиров. Еще одним примером является японская компания “Hirobo” из Хиросимы, инженеры которой сконструировали одноместный электрический вертолет “Hirobo Bit”, развивающий скорость до 100 км/ч. Электрический двигатель, в отличие от обычных, работает практически бесшумно, а одного заряда аккумуляторов хватает на 30 минут непрерывного полета.

Таким образом дальнейшее развитие Li-ion аккумуляторов направлено на увеличение мощности и емкости при минимизации размеров. В частности, применение кремниевых нанопроводов вместо графитовых анодов позволит втрое увеличить емкость аккумуляторных батарей и до 10 минут сократить время их зарядки. Использование Li-ion аккумуляторов большой емкости приведет к повышению экологичности за счет снижения выбросов углекислого газа у транспортных средств более, чем на 25 %.

Выводы

Сегодня Li-ion аккумуляторы по праву считаются лучшими электрохимическим источниками электропитания различных устройств. Благодаря относительно малому весу и большой удельной емкости они наиболее часто применяются в мобильных устройствах. За счет развития науки и техники Li-ion аккумуляторы преодолели свои главные недостатки: стабильность работы и большие токи разряда, чем потеснили никель-металлгидридные (Ni-MH) и никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. В дальнейшем планируется увеличить эффективность Li-ion аккумуляторов еще в два раза, что позволит полностью заменить аккумуляторы указанных выше типов. Кроме того, были специально разработаны Li-polymer аккумуляторы, которые обладают еще большей емкостью и надежностью по сравнению с Li-ion аккумуляторами.

В 2014 году французскими учеными были разработаны Na-ion аккумуляторы, которые в настоящее время являются наиболее эффективными из всех известных типов аккумуляторов, которые сейчас проходят завершающую стадию доработки и тестирования, что позволит в перспективе заменить ими Li-ion и Li-polymer аккумуляторы.

Литература:

1. Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации: Справочник СПб.: Химиздат, 2005., 52 стр.
2. Современные Li-ion аккумуляторы. Типы и конструкция. Журнал «Компоненты и технологии» № 11 за 2013 год., стр. 67–74
3. Рыкованов А. С. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей// Силовая электроника. № 1 за 2009., стр. 52–55
4. Способы заряда Li-ion аккумуляторов и батарей на их основе. Журнал «Компоненты и технологии» № 11 за 2012 год., стр. 48–53
5. Электронный ресурс BU-409: ChargingLithium-ion., http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries

Основные термины (генерируются автоматически): аккумулятор, батарея, заряд, ток заряда, подготовительный этап, номинальный ток заряда, конечное напряжение, конечное изделие, зарядное устройство, электродная масса.