Литий-ионный аккумулятор (Li-ion): устройство и принцип работы, сколько циклов зарядки, напряжение, саморазряд, срок службы, из чего состоит

Содержание

Содержание
  1. Немного истории
  2. Устройство и принцип работы
  3. Применение литий ионных аккумуляторов
  4. Как стартерные батареи
  5. Как тяговое устройство
  6. Бытовая техника.
  7. Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla
  8. Преимущества и недостатки
  9. Плюсы и минусы
  10. Маркировка
  11. Как заряжаются Li-ion аккумуляторы
  12. Где применяются li-ion АКБ
  13. Не допускайте глубокий разряд
  14. Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды.Работа и применение
  15. Устройство
  16. Принцип действия
  17. Стандартная зарядка аккумулятора выглядит следующим образом:
  18. Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:
  19. Можно привести 6 наиболее распространенных типов литий-ионных аккумуляторов:
  20. Области применения; мобильная электроника
  21. Области применения; электрические силовые агрегаты, медицинское оборудование, электроинструмент
  22. Области применения; для частного и промышленного использования (источники бесперебойного питания, системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее)
  23. Области применения;стационарные и портативные специализированные устройства, где нужны выносливость и высокие токи нагрузки
  24. Области применения; электрические силовые агрегаты, промышленность и медицинское оборудование
  25. В целом литий-ионные аккумуляторы имеют следующие типичные характеристики:
  26. К преимуществам можно отнести:
  27. Характеристики
  28. Химические процессы на положительном и отрицательном электроде
  29. Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов
  30. Особенности использования
  31. Как заряжать
  32. Можно ли разряжать полностью
  33. Отчего может взорваться
  34. Как соединять в аккумуляторные батареи
  35. Частые вопросы
  36. Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?
  37. Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?
  38. Как утилизировать?
  39. Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Немного истории

Первая батарея по технологии Li-ion была построена не так уж и давно – в 1970 году. Она имела анод из металлического лития, были несовершенны, опасны и имели относительно небольшое соотношение емкость/габариты. Но начало было положено, и в 1991 году появилась батарея с анодом из графита.

Это снижало риск возгорания, удешевляло производство и увеличивало электрическую емкость при тех же габаритах. Позже в материалы анодов и катодов вносились те или иные присадки, и вот, наконец, мы имеем лучший на сегодняшний день источник энергии. Компактный, емкий и безопасный при правильной эксплуатации.

Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Задать вопрос Любопытно! Первый изобретатель Li-ion элементов Уиттингем, как и его последователи Гуденаф и Есино в 2019 году, получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За создание литий-ионных батарей».

Устройство и принцип работы

Для начала выясним, как устроен литий-ионный аккумулятор.  Как он выглядит, знает, пожалуй, каждый.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Батарея состоит из герметичного корпуса обычно цилиндрической формы, в котором расположены два электрода – анод и катод. Первый выполняется из меди, второй – из алюминия. При этом, как было замечено выше, анод раньше покрывался металлическим литием, сейчас это графит. Покрытие анода зависит от технологии. Для него может использоваться:

  • литий-марганцевая шпинель;
  • кобальт лития;
  • литий-феррофосфат.

Нередко в катодное напыление добавляется оксид кобальта. Это увеличивает количество циклов заряд/разряд и позволяет использовать элементы при более низких температурах. Между электродами установлен ионопроводящий сепаратор, пропитанный электролитом. Анод и катод выполнены из фольги, а потому их легко свернуть в цилиндр, что существенно уменьшает габариты в целом.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

На рисунке цифрами обозначены:

  1. – Предохранитель.
  2. – Прокладка.
  3. – Изолятор.
  4. – Корпус.
  5. – Изолятор.
  6. – Положительный вывод.
  7. – Клапан аварийного сброса давления (не во всех модификациях).
  8. – Токосъемник анода.
  9. – Ионопроводящий сепаратор, пропитанный электролитом.
  10. – Отрицательный электрод.
  11. – Положительный электрод.
  12. – Отрицательный вывод.

Важно! Li-ion аккумуляторы далеко не всегда имеют цилиндрическую форму. Вот так, к примеру, выглядит батарея мобильного телефона.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Как работает такой накопитель энергии? В процессе заряда из молекул лития, который на катоде образует оксид, вырываются электроны, и молекула превращается в положительно заряженный ион. Электроны и ионы под действием зарядного тока устремляются к аноду, но сепаратор пропускает только ионы. Пройдя сквозь сепаратор, они (ионы) «застревают» в графите, буквально внедряясь в его кристаллическую решетку. А у электронов есть обходной путь – через зарядное устройство. Их ждет та же участь – осесть на графите.

Процесс зарядки
Процесс зарядки

При разряде под действием обратного тока ионы вырываются из графита и возвращаются на катод через сепаратор, а электроны попадают туда же через нагрузку. В результате и те и другие снова превращаются в литий и образуют на катоде его оксид.

Процесс разрядки
Процесс разрядки

Применение литий ионных аккумуляторов

Литий ионные аккумуляторы используются в большинстве мобильных устройств. Дело в том, что они не имеют аналогов в случаях, когда необходимо отдавать электричество практически в полном объеме. Также они необходимы для долгосрочного использования, так как способны выдержать большое количество циклов разряд-заряд, при этом не снижая свою емкость.

Преимуществами литий ионных АКБ является и малый вес, так как отсутствует необходимость использовать свинцовые решетки. Благодаря отличным характеристикам устройства применяются в разных ипостасях.

Как стартерные батареи

Аккумуляторы из лития становятся дешевле с каждым годом. Это происходит из-за новых разработок, снижающих затраты на производство. Но в данный момент литиево ионные батареи для автомобилей достаточно дорогостоящие и не все автовладельцы могут их приобрести. Также не рекомендуется использовать этот тип АКБ в северных регионах, так как мощность при низких температурах падает и использовать их будет непрактично.

Как тяговое устройство

Этот тип достаточно стойко переносит сильную разрядку хоть это и не рекомендуется. Их ставят на моторные лодки. Если двигатель не слишком мощный, батареи, как правило, хватает на 5-6 часов непрерывной работы. Также литий ионный АКБ устанавливают на погрузочную технику, которая работает в закрытом помещении.

Бытовая техника.

Частая практика у производителей делать устройства, где вместо пальчиковых батареек или других вынимаемых аналогов используется литий ионный акб. Существуют модели с напряжениями 3.6 вольт, которые заменяют солевые или щелочные батарейки на 1.5 вольта. В некоторых случаях встречаются li ion аккумуляторы в 3 вольта, их, как правило, используют для замены 2 стандартных батареек.

Виды литиевых батарей

Литий ионные аккумуляторные батареи прочно вошли в мир технологий. Компактность этого вида акб позволяет использовать их в небольших мощных устройствах как, например, смартфоны.

https://www.youtube.com/watch?v=gGxmxcwi4M8 Video can’t be loaded because JavaScript is disabled: Правила эксплуатации литий ионных аккумуляторов (https://www.youtube.com/watch?v=gGxmxcwi4M8) Вам также может быть интересно .Аккумуляторы 0Технология AGM в аккумуляторных батареях
<хедер class="entry-хедер">

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Плюсы электромобиля
Плюсы электромобиля
Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарея тесла
батарея тесла
батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла
радиатор для аккумуляторов Тесла
радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Преимущества и недостатки

В последнее время литий-ионные аккумуляторы заняли свою весомую нишу в сфере независимых источников питания и продолжают вытеснять другие модели. Такой успех объясняется рядом весомых преимуществ:

  • Обладают высокой энергетической плотностью, в сравнении с щелочными, кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными. 
  • В сравнении с другими видами, один элемент характеризуется куда большей величиной напряжения, которую тот способен выдать.
  • Характеризуются довольно большим количеством циклов заряда и разряда, благодаря чему могут похвастаться более длительным сроком эксплуатации.
  • Может функционировать в достаточно широком температурном диапазоне.
  • В сравнении с другими типами аккумуляторов, не содержит веществ, представляющих  угрозу экологии.

Однако, на ряду с преимуществами, литий-ионные аккумуляторы характеризуются и некоторыми недостатками. Так, в случае несоблюдения основных режимов заряда или эксплуатации  батарея может не только выйти со строя, но и загореться. В случае понижения температуры менее допустимого предела, емкость аккумулятора может снизиться до 20%. При избыточном заряде литий-ионный быстро выходит со строя.

Плюсы и минусы

У литий ионных аккумулятор есть свои преимущества и недостатки перед другими батареями. К плюсам относят такие моменты, как:

  • высокий уровень энергоемкости;
  • эффект памяти настолько минимален, что практически отсутствует;
  • срок эксплуатации очень большой;
  • нет нужды дополнительно обсуживать АКБ;
  • корректно выполняет свои функции в большом диапазоне температур;
  • уровень саморазряда очень низок.

Несмотря на все преимущества у литий ионных батарей есть и свои минусы, например, как:

  • возможность самовозгорания и взрыва, вздутие и выход из строя;
  • емкость понижается при температуре эксплуатации ниже нуля;
  • стоимость продукта значительно выше чем у предшествующих АКБ;
  • для повышения безопасности использования устройства необходим контроллер заряда;
  • плохо переносит глубокий разряд.

Кстати, большинство минусов купируются. Например, при желании можно найти батарейку с контроллером, что уже устраняет возможность перегрева и самовозгорания. А при постоянной подзарядке, глубокий разряд также исключается. Также производители с каждым годом выпускают более совершенные варианты литий ионных аккумуляторов. Недостатки постепенно купируются и в скором времени возможно совсем исчезнут, что сделает этот тип совершенным.

Маркировка

Все параметры литий ионной батареи можно узнать из маркировки, нанесенной на корпус. Вариант маркировки может отличаться у каждого вида АКБ. Пока не существует единого стандарта маркирования. Но достаточно просто разобраться в ней, зная типовые параметры и обозначения:

  1. Буквы. Первой буквой всегда стоит I, так как обозначает тип технологии, т.е. литий ионную. Вторая буква дает уточнение по составу, встречаются маркировки такие как M, F, C, N. Третья буква дает обозначение того, что батарея является перезаряжаемой, маркировка R.

    Маркировка батареек

  1. Цифры. Цифровая маркировка означает размеры в миллиметрах. Таким образом первые 2 цифры — это диаметр, две последующие длина. Ноль на конце маркировки может означать цилиндрическую форму.

Для уточнения значений необходимо обратиться к документам батареи или производителю. У каждого из них может быть разные маркировки. Также отсутствует стандарт нанесения маркера даты производства.

Как заряжаются Li-ion аккумуляторы

Разные аккумуляторы могут заряжаться неодинаковое количество времени. На этот параметр влияет не только их емкость, но и типы контроллеров, применяемых для восстановления заряда. Производители размещают контроллеры либо в зарядном блоке (тогда говорят об АКБ без защиты), либо внутри батареи (с защитой). В отдельных разработках контроллер даже встраивают внутрь аккумулятора.


Классический алгоритм восстановления заряда батареи Li ion выглядит следующим образом:

  • на первом этапе контроллер передает ток, величина которого составляет 10 % от номинального, за счет этого напряжение поднимается до 2,8 вольт;
  • далее ток заряда вырастает до номинального, что обуславливает рост напряжения до 4,2 вольта;
  • в конце процесса зарядки ток постепенно снижается при фиксированном напряжении 4,2 вольта.

Читайте также:  Устройство для зачистки проводов от изоляции

Стоит иметь в виду, что оптимальным током зарядки для решения Li ion будет тот, который составляет 50 % от номинальной емкости батареи. Например, для аккумуляторной батареи с емкостью 2000 миллиампер-часов идеальным током будет ток, равный 1 Амперу.

Работая с элементами питания литиевого типа, рекомендуется придерживаться нескольких рекомендаций по зарядке:

  • после приобретения батареи и до начала ее эксплуатации требуется зарядить ее до 100 %;
  • стараться избегать зарядки и хранения аккумулятора при слишком высоких температурах;
  • заряжать устройство необходимо только с помощью оригинального блока питания и кабеля (оптимально – с индикацией заряда, чтобы не возникало перезарядки), соблюдая временные рамки, установленные производителем;
  • с целью сохранения ресурса АКБ нужно стараться не допускать полной ее разрядки;
  • если батарея использовалась на морозе или холоде, ее нельзя сразу ставить на зарядку, правильным будет подождать, пока она немного прогреется.

Где применяются li-ion АКБ

Литий-ионные батареи не имеют альтернативы там, где необходим аккумулятор способный отдавать электричество практически в полном объёме, и совершать большое количество циклов заряд/разряд без снижения ёмкости. Преимуществом таких устройств является относительно малый вес, ведь использовать свинцовые решётки в таких устройствах нет никакой необходимости.

Учитывая высокие эксплуатационные характеристики, такие изделия могут использоваться:

  1. В качестве стартерных батарей. Литиевые аккумуляторы для автомобилей с каждым годом дешевеют, благодаря новым разработкам, которые позволяют снизить издержки производства. К сожалению цена таких батарей может быть очень высокой, поэтому многим владельцам машин такой аккумулятор оказывается не по карману. К недостаткам литий-ионных батарей можно отнести существенное падение мощности при температуре ниже минус 20 градусов, поэтому в северных районах эксплуатация таких изделий будет непрактичной.
  2. В качестве тяговых устройств. Благодаря тому, что литий-ионные аккумуляторы легко переносят глубокий разряд их нередко используют как тяговые для лодочных электромоторов. Если мощности двигателя не слишком велика, то одного заряда хватает на 5 – 6 часов непрерывной работы, что вполне достаточно для рыбалки или совершения водной прогулки. Тяговый литий-ионный аккумуляторы устанавливают и на различную погрузочную технику (электроштабелеры, электропогрузчики), работающую в закрытых помещениях.
  3. В бытовой технике. Литий-ионные аккумуляторы применяются в различных бытовых устройствах вместо стандартных батареек. У таких изделий напряжение 3,6v — 3,7v, но существуют модели, которые способны заменить обычную солевую или щелочную батарейку на 1,5 Вольта. Также можно встретить батареи напряжением 3v (15270, CR2), которые можно установить вместо 2 стандартных батареек.

Используются такие изделия в основном в мощных приборах, в которых обычные солевые батарейки очень быстро разряжаются.

Тяговой
Тяговой АКБ

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Литий ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды.Работа и применение

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.

Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:

  1. Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.
  2. 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:

  1. 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

  1. 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

  1. 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 (источники бесперебойного питания, системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее)

  1. 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

  1. 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

  1. 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.

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.

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.

Характеристики

А теперь посмотрим, какими характеристиками обладают типовые литиевые батареи:

  1. напряжение одного аккумулятора, В:
  • номинальное – 3.7;
  • максимальное – 4.2;
  • минимальное – 2.5;
  1. энергоемкость, Вт*ч/кг – 110-270 (зависит от химического состава);
  2. внутреннее сопротивление мОм*Ач – 4-15 (зависит от химического состава);
  3. число циклов заряд/разряд до 20% потери электрической емкости – 600;
  4. время заряда, ч:
  • оптимальное – 3-4;
  • максимально возможное – 1;
  1. саморазряд, % в месяц – 1.5 (зависит от температуры хранения);
  2. ток нагрузки относительно емкости С:
  • оптимальный – до 1С;
  • максимальный – 5С;
  • в импульсе – 50С;
  1. рабочая температура, градусы Цельсия (°C):
  • оптимальная — 23;
  • минимальная — -20;
  • максимальная — +60;
  1. срок хранения литиевой батареи, лет – 2-5 (в зависимости от условий хранения);
  2. срок службы Li-ion, лет – 2-3 года или по достижению количества циклов заряд/разряд.

Важно! Количество циклов заряд/разряд, сроки эксплуатации и хранения указаны до потери емкости на 20%. Но даже в этом случае батарея вполне пригодна к эксплуатации.

Химические процессы на положительном и отрицательном электроде

Современные модели литий ионных АКБ содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Матрица анода является слоистой. Она может быть, как частично, так и полностью упорядоченной

Во время протекания интеркаляции ионы от лития как бы раздвигают пласты углерода и встраиваются между ними. При внедрении и изъятии ионов объем матрицы не меняется. Положительный электрод выполняется из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.

Во время заряда происходят реакции, которые описываются следующими уравнениями:

  • на положительном электроде;
  • на отрицательном электроде.

Принцип действия разряда описывается обратными уравнениями.

Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов

Аккумулятор
Литий-ионные АКБ находят широкое применение в разного рода бытовых устройствах, в электромобилях, планшетах и других видах современных гаджетов.

Также существуют промышленные Li-Ion АКБ, обладающие большой емкостью и высоким напряжением. Ниже в таблице приведем примеры более востребованных на рынке аккумуляторных батарей:

Параметры

Помимо АКБ в форме цилиндра, существуют и другие формы изделий. К таковым относятся: «Крона» с U=9 Вольт и более мощные промышленные аккумуляторы с U=12 V , U=24 V , U=36 V , U=48 V.

Маркировка на корпусе аккумуляторов гласит об элементах, которые добавлены в данную батарею.

Например:

  • если стоит ICR, значит, аккумулятор содержит кобальт;
  • маркировка IMR означает добавление марганца в состав;
  • INR — говорит о никеле с марганцем в АКБ;
  • NCR — оповещает о «порции» никеля и кобальта в батарее.

Не только размер и химические добавки отличают друг от друга литий-ионные аккумуляторы, но и емкость с напряжением. Именно они помогают определить для какого электрического прибора изготовлена батарея.

Особенности использования

Как мы убедились, характеристики очень даже неплохие, но для их обеспечения необходимо соблюдать правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов. Рассмотрим основные нюансы правильного использования и обслуживания элементов этого типа.

Как заряжать

Заряжаются литий-ионные аккумуляторы по разным алгоритмам, но классическим является следующий:

  1. Если батарея сильно разряжена, зарядка идет напряжением 2.9 В и током 0.1С (десятая часть емкости).
  2. При достижении напряжения 2.9 В на клеммах АКБ зарядный ток увеличивается до 0.4-0.3С.
  3. Как только элемент зарядится до 3.9-4.0 В, ток снова снижается до 0.1-0.05С, и зарядка продолжается, пока напряжение на клеммах не достигнет 4.2 В.

Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Задать вопрос Важно! Литиевые элементы могут поддерживать режим быстрой зарядки током 1С, но злоупотреблять таким режимом не нужно – он сокращает срок службы аккумулятора.

Ну и при обслуживании Li-ion аккумуляторов необходимо учитывать, что они не переносят перезарядку. В лучшем случае перезаряженная батарея потеряет емкость или выйдет из строя, в худшем – может загореться. Чтобы такого не произошло, в элементы встраивают специальные контроллеры, которые отключают аккумулятор от ЗУ, если напряжение на его клеммах превысит 4.2 В или температура корпуса достигнет 45 градусов Цельсия.

Контроллер заряда
Контроллер заряда

Стоит заметить, что такие контроллеры встраиваются не во все аккумуляторы. В ноутбуках, к примеру, используются батареи из элементов 18650 без контроллеров. За их зарядку, а заодно и балансировку (об этом ниже) отвечает один общий контроллер. Поэтому прежде чем использовать АКБ, необходимо точно узнать, есть ли у них собственный контроллер.

Можно ли разряжать полностью

Есть у литиевых батарей еще один «бзик» – они не переносят глубокий разряд. При снижении напряжения на клеммах ниже 2.3 В, емкость элемента существенно уменьшается, а если делать это регулярно, то аккумулятор через месяц можно будет выбросить.

Значит, сидеть с вольтметром и постоянно контролировать уровень разряда? Совсем нет. Тот самый контролер, который следит за тем, чтобы не произошло перезарядки (см. выше), контролирует и степень разряда. Если напряжение на элементе упадет ниже 2.5 В (обычно 2.8 В), схема просто отключит нагрузку.

Но даже до такой величины не стоит разряжать Li-ion. Максимум до 10% от емкости – и пора заряжать. Это существенно продлит срок службы батареи. Как раз до такого уровня разряжают свои аккумуляторы большинство телефонов, смартфонов и планшетов. При этом предупреждают пользователя о низком заряде, а если реакции не последовало, просто отключаются. Так что, в принципе, никаких проблем с использованием лития у нас нет – все делает электроника.

Важно. За состоянием своей батареи следят только «умные» гаджеты. Если мы воткнем в «глупый» фонарик элементы без контроллера, то могут возникнуть проблемы. Но тут уже винить будет некого.

Отчего может взорваться

Первые аккумуляторы, анод которых изготавливался из металлического лития, были в прямом смысле взрывоопасны. По достижении максимального числа циклов заряд/разряд, а нередко и раньше происходило замыкание между электродами. А поскольку Li-ion – довольно энергоемкий элемент, он тут же сильно разогревался и либо загорался, либо взрывался.

Проблему решили заменой лития на графит, но при неправильной эксплуатации проблемы могут быть и с современными элементами. Практически все батареи этого типа боятся механических повреждений, которые могут вызвать замыкание между электродами. Их нельзя перегревать и, конечно, перезаряжать выше нормы.

Все это может вызвать возгорание и взрыв. Причем горит литиевый аккумулятор не хуже термита и без доступа кислорода. Его не зальешь водой и не накроешь тканью. Ниже представлено видео, подтверждающее, что сдуру можно и аккумулятор сломать.

Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Задать вопрос Все эти неприятности могут произойти лишь при неправильной эксплуатации или по глупости. Просто чудо, что никто не пострадал. Если пользоваться элементом как положено, то в этом плане он вполне безопасен. Исключение может составлять только брак, но от этого, увы, никто не застрахован.

Как соединять в аккумуляторные батареи

С отдельным аккумулятором мы разобрались. Теперь выясним, как их можно соединить в батарею и для чего это делать. Если мы хотим увеличить емкость, то отдельные элементы просто соединяем параллельно. При этом емкость такой литиевой АКБ будет равняться сумме емкостей элементов.

Литиевая батарея
Литиевая батарея

Ничего сложного, но даже при таком включении нужно соблюдать некоторые правила:

  1. Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии.
  2. Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов.

контроллер
контроллер

Если нам нужно повысить выходное напряжение, то элементы придется соединить последовательно. В этом случае емкость батареи будет равняться емкости самого «слабого» аккумулятора, а выходное напряжение – равняться сумме напряжений на каждом элементе.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Здесь тоже существуют определенные правила:

  1. Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии.
  2. Вместо контроллера необходимо использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Для чего нужна такая плата с балансировкой? Она следит, как было сказано выше, за состоянием каждого аккумулятора в отдельности. Если какой-то аккумулятор разрядится ниже нормы, вся батарея будет отключена от нагрузки. Если зарядится до нормы, то будет отключен от ЗУ только он, остальные продолжат заряжаться. Это позволяет исключить перезаряд и переразряд каждого из элементов.

Теперь о маркировке уже готовых батарей, которые есть в продаже. В частности, многих интересует, что значит 3s2p и подобные обозначения? Тут все просто. Цифра перед символом P показывает, сколько аккумуляторов в каждой ячейке соединены параллельно. А цифра после символа S – сколько ячеек соединены последовательно. Рисунок ниже довольно хорошо поясняет вышесказанное.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

То есть, если на аккумуляторной сборке написано 3S2P, значит, у неё 3 аккумулятора соединены последовательно и две таких цепи соединены параллельно. А 4S4P — 4 последовательно и 4 параллельно. Нужное напряжение набирается последовательным соединением нескольких элементов, а нужная ёмкость – параллельным соединением. Допустим, у вас есть 12 аккумуляторов ёмкостью 3000 мАч, тогда 4S3P сборка будет иметь такие параметры: номинальное напряжение – 4х3.7В=14.8В, а ёмкость — 3000 мАч х 3 = 9000 мАч. При этом максимальное напряжение полностью заряженной сборки составит около 4.2Вх4=16.8В, а минимальное напряжение полностью разряженной — 2.5Вх4=10В.

Частые вопросы

В заключительной части мы разберем самые частые вопросы про литиевые аккумуляторы и дадим на них подробные ответы.

Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?

В настоящее время – нет. Можно сказать, что данная технология – апогей развития химических аккумуляторов. Теоретически (да и практические) альтернативы есть, но у них либо слишком высокая цена, либо низкий ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что пока не произойдет прорыва в технологиях, вменяемой альтернативы не будет.

Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?

Да, это возможно и не требует специальных знаний и большого опыта. Чаще всего замену делают в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние стоят дороже, зато их характеристики лучше. Чаще всего делают переделку шуруповертов и других подобных электроинструментов с питанием от АКБ.

Как утилизировать?

Литиевые аккумуляторы чаще всего просто выкидывают, особенно если говорить о совсем небольших, отдавать которые на переработку никому даже в голову не приходит. Кроме того, в России очень мало предприятий, которые занимаются данным типом аккумуляторов. Конечно, выкидывать их не правильно, но, к сожалению, зачастую другого выбора просто нет.

Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Данный вопрос не совсем корректный. Без уточнения характеристик, которые имеют значение, ответить на него невозможно. Где-то будет лучше один тип, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому нельзя сказать, какой из них лучше.

Источники

  • https://Acums.ru/akkumulyatory/litiy-ionniy
  • https://BatteryZone.ru/accumulator/ustrojstvo-i-princip-raboty-litij-ionnogo-akkumuljatora
  • https://www.RusElectronic.com/li-ion-battery/
  • https://www.asutpp.ru/litiy-ionnyy-akkumulyator-ustroystvo-printsip-raboty.html
  • https://LesSale.ru/glavnoe/ionno-litievye-batarei.html
  • https://ectrl.ru/pribory/princip-raboty-litij-ionnogo-akkumulyatora.html
  • https://electrik-ufa.ru/raznoe/printsip-raboty-litij-ionnogo-akkumulyatora
  • https://IstochnikiPitaniy.ru/akkumulyatory/batarei/li-ion.html
  • https://contur-sb.com/printsip-raboty-litiy-ionnogo-akkumulyatora/
  • https://DiesElit.ru/osnovy/litij-ionnyj-akkumulyator.html
  • https://proakkym.info/akkumulyatory/litij-ionnye
  • https://tze1.ru/articles/detail/vse-o-litiy-ionnykh-akkumulyatorakh/

Оцените статью
Все об электрике