Особенности литий-ионных аккумуляторов

19.09.2017 Виды 29160 li-ion

Будущее литиевых аккумуляторов

Батарея – это дело не «будущего завтра», а «сегодняшнего вечера», потому что в исследовательских ла­бо­ра­то­ри­ях неустанно ведется поиск новых технологий хранения электричества.

Кроме литиевого компонента кар­ди­наль­ное улуч­ше­ние мо­жет на­сту­пить при ис­поль­зо­ва­нии по­рис­тых на­но­час­тиц крем­ния. Рез­ко уве­ли­чи­ва­ет­ся ко­ли­че­ство цик­лов пе­ре­за­ряд­ки, рас­тет ем­кость ак­ку­му­ля­то­ров, су­щест­вен­но умень­ша­ет­ся вре­мя их за­ряд­ки. И ес­ли про­из­вод­ство по­рис­тых струк­тур по­ка еще да­ле­ко не ин­дус­три­аль­ное, со­вер­шен­но оче­вид­но, что функ­ци­о­наль­ность и жиз­нен­ный цикл но­вой элек­тро­хи­мии обес­пе­чит ра­бо­ту не толь­ко смарт­фо­нов, план­ше­тов и иг­рушеч­ных ма­ши­нок, но и на­сто­я­щих ав­то­мо­би­лей.

Необходимым условием успешной эксплуатации электрохимических источников энергии является расширение функциональности и интеллектуализация применяемых контроллеров. В их обязанности входят: стабилизация напряжений и токов посредством высокоточных широтно-импульсных модуляторов, мониторинг электрических и температурных режимов батареи, аварийное отключение.

Необходимость применения СКУ для АБ на основе литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов (ЛИАБ)

При эксплуатации ЛИАБ необходимо учитывать следующие факторы.

Литий — химически активный элемент. В современных аккумуляторах при номинальной эксплуатации в чистом виде отсутствует, однако при нештатных ситуациях (чрезмерные токи заряда или разряда, токи короткого замыкания, перезаряд выше или перезаряд ниже определенных уровней напряжения на аккумуляторах) может выделяться на внутренних электродах аккумулятора, что в определенных случаях может привести к воспламенению и взрыву [1].

ЛИАБ допускают формирование параллельных цепочек из n аккумуляторов для обеспечения необходимой емкости. Требуемое напряжение ЛИАБ обеспечивается последовательным соединением отдельных аккумуляторов или цепочек из n параллельно соединенных аккумуляторов. Таким образом, при соединении аккумуляторов по параллельно-последовательной схеме возможно построение ЛИАБ заданной емкости и напряжения. При этом, однако, каждый аккумулятор или каждая цепочка параллельно соединенных аккумуляторов требуют определенного контроля. При заряде ЛИАБ из последовательно соединенных аккумуляторов (или последовательно соединенных цепочек из n параллельных аккумуляторов) заряд отдельных элементов происходит неравномерно, что вызвано технологическим разбросом внутренних сопротивлений аккумуляторов, либо неравномерным снижением емкости аккумуляторов вследствие их старения в процессе эксплуатации. Аккумуляторы со сниженной емкостью или высоким внутренним сопротивлением имеют тенденцию к большим колебаниям значений напряжения во время заряда и разряда [2]. При строго фиксированных конечных напряжениях заряда и разряда для отдельного аккумулятора увеличивающаяся от цикла (заряд–разряд) к циклу разница зарядов будет приводить к постепенно возрастающему недозаряду и недоразряду ЛИАБ, то есть, фактически, к снижению отдаваемой ЛИАБ емкости [3].

При заряде и разряде необходимо обеспечивать защиту аккумуляторов от перегрева.

Для удобства эксплуатации потребителю или системе, в состав которой входит ЛИАБ, желательно получать информацию о текущей емкости ЛИАБ, времени до окончания заряда или разряда, значения других параметров.

Необходимость применения СКУ, следовательно, продиктована необходимостью решения этих и других вопросов, возникающих при эксплуатации ЛИАБ.

Читайте также:  Как быстро почистить iCloud на iPhone 6 7 8 Plus

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Безопасность

Аккумуляторы литиевого типа в целом, и полимерные в частности, требуют довольно деликатного обращения при эксплуатации. Что требуется запомнить при эксплуатации Li─Pol аккумуляторных батарей:

  • Вреден излишний заряд аккумулятора (выше 4,2 вольта на один аккумуляторный элемент);
  • Нельзя допускать короткого замыкания;
  • Недопустим разряд токами, которые приводят к нагреву аккумулятора более 60 градусов Цельсия;
  • Нельзя разгерметизировать АКБ;
  • Нельзя разряжать аккумулятор ниже 3 вольт;
  • Недопустим нагрев выше 60 градусов;
  • Не допускается хранение в разряженном виде.

Если не соблюдать эти правила, то это может привести к пожару в худшем, и значительной потере ёмкости в лучшем случае.

В связи с этим можно дать несколько рекомендаций по безопасному использованию литий─полимерных аккумуляторов. Для начала следует приобрести качественное зарядное устройство и выставлять на нём корректные настройки. Кроме того, рекомендуется применять разъёмы, которые не допускают короткое замыкание. Обязательно контролируйте ток, который потребляется устройством.

Стоит также отметить, что нужно соблюдать температурный режим и не допускать перегрева полимерной батареи. Это слабое место всех аккумуляторов литиевого типа. Если аккумулятор нагреется до 70 градусов, то в нём начинается самопроизвольная реакция, которая энергию превращает в тепло. В результате воспламенение, а иногда и взрыв. Если есть возможность контролировать напряжение аккумулятора, то за ним особенно пристально нужно следить в конце разрядки.

Ещё одной причиной выхода литиевых АКБ из строя, является разгерметизация. Внутрь полимерной аккумуляторной банки ни в коем случае не должен проникнуть воздух. Изначально корпус герметичен и его не следует подвергать ударам, ронять. Если вы занимаетесь пайкой выводов, то делать это нужно крайне аккуратно.

Перед тем как отправить на хранение полимерную батарею, её рекомендуется зарядить наполовину. Хранить аккумулятор следует в прохладном месте без попадания на него солнечных лучей. Как и все аккумуляторные батареи, литий─полимерные имеют саморазряд, но он меньше, чем у свинцовых или щелочных.

 

Зарядка

Процесс зарядки полимерных аккумуляторов аналогичен зарядке ионных и выполняется достаточно просто. Это делается при постоянном напряжении 4,2 вольта на один элемент с верхним порогом по току 1C. Некоторые «силовые» модели АКБ можно заряжать током до 5C. Зарядка завершается после падения тока до 0,2С. При токе 1C набирается около 80 процентов ёмкости батареи. На полную зарядку Li─Pol аккумулятора требуется примерно 2 часа. Зарядное устройство должно обеспечивать высокую точность поддерживаемого напряжения в конце процесса зарядки. Допуск не более 0,01 вольта. На рынке зарядных устройств (ЗУ) имеется две категории. Простые зарядки по цене 20─50$, которые заряжают только литиевые АКБ. И универсальные ЗУ по цене 80─400$, с помощью которых можно заряжать несколько типов аккумуляторов.

Недорогие ЗУ имеют индикацию на светодиодах. Число банок и ток заряда ставится при помощи переключателей или установки аккумуляторов в разные разъёмы. Их несомненным плюсом является цена. К главным недостаткам следует отнести проблемы с корректным определением завершения зарядки. Такие устройства только отличают переход от стадии заряда постоянным током к заряду постоянным напряжением.

Более дорогие устройства имеют расширенные возможности. Они отслеживают и выводят на информационный дисплей ток, напряжение, ёмкость, набранную аккумулятором.

Это позволяет им более точно отслеживать стадии процесса зарядки и его завершение. Пользователю остаётся только установить число банок и ток заряда. Остальное ЗУ сделает самостоятельно.

Читайте также:  Зачем убирать рекламу на Android-устройствах и как это можно сделать

статью о том, как правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор.

 

Устройство литий-полимерного аккумулятора

Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.

В чём преимущества и недостатки литий-полимерных аккумуляторов

Плюсы:

  1. У полимерных АКБ большая электроёмкость.
  2. Толщина батарей достигает одного миллиметра.
  3. Форма корпуса может быть любой.
  4. Если аккумулятор разряжен, то напряжение падает не так сильно, как в других АКБ.
  5. У Li-Po нет эффекта памяти. Если кратко, то эффект памяти — это потеря значительной ёмкости батареи.
  6. Батарея может работать в довольно большом диапазоне температур (от -20 до 40 градусов).

Минусы:

  • если температура окружающей среды ниже -20 градусов, то батарея быстро разряжается;
  • большая стоимость.

Как восстановить Li-ion аккумулятор

Несмотря на то, что срок службы многих современных АКБ достаточно долгий, приходит время, когда заряд любого химического источника тока истощается. Емкость падает, и АКБ уже не может работать долго и исправно. Особенно, если разряженный источник питания долго хранился без подзарядки. Существует несколько распространенных способов вернуть его к жизни. Восстановленная батарея будет работать недолго, но это поможет выиграть время до ее замены.

В Интернете описываются самые неожиданные и порой абсолютно нелогичные методы восстановления Li-Ion АКБ. Например, есть статьи о том, что можно эффективно раскачивать батарею, если заряжать и разряжать ее несколько раз подряд. Безусловно, это миф, и применять такой «способ» не стоит. Также на одном из популярных форумов описывается реальный жизненный пример о том, как один человек раскачивал батарею, положив ее в холодильник. Она вздулась до огромных размеров и лопнула после того, как была изъята из морозилки — естественно, от перепада температуры.

На серьезный вопрос о том, как действительно раскачать заново батарею сотового, можно дать простой и ясный ответ: взять любую аккумуляторную зарядку с напряжением 5-12 В и резистор сопротивлением от 330 Ом до 1 килоОм. Схема подключения предельно проста: «минус» источника питания подсоединяется к «минусу» аккумулятора, а «плюс» — к «плюсу, через резистор. Теперь нужно включить зарядное устройство в сеть и регулярно проверять рост напряжения с помощью мультиметра в течение 10-15 минут. Напряжение постепенно растет, и при достижении его числа приблизительно в 3,31 В телефон «находит» батарею и принимает ее.

Раскачка Li-ion, отключенного контроллером, с быстрым приведением АКБ в рабочее состояние тоже возможны. В данном случае, при замерах текущего напряжения его показатель будет равен около 2,5 В. Аккумулятор «жив» и может еще поработать некоторое время, хотя, на первый взгляд, он выглядит почти разряженным. Восстанавливаем его так: для этого понадобятся «народный зарядник» Imax B6 и мультиметр. У АКБ отпаивается защитная схема, она подключается к Imax. А как проверить напряжение — уже понятно: оно всегда контролируется мультиметром.

Читайте также:  25 полезных расширений для Google Chrome

Раскачиваем АКБ максимально осторожно. Программа заряда ставится на Li-Po, режим зарядки выбирается в зависимости от вида АКБ: для Li-ion — 3,6 В, либо 3,7 В для Li-pol. Важно: в процессе восстановления выставить параметр Autо — без него запуск не начнется по причине низкого заряда АКБ. Значение тока выбирается с помощью кнопок «+» и «–». 1 А — это самый безопасный и оптимальный ток для раскачки.

Когда напряжение достигнет 3,2-3,3 В, АКБ начнет свою полноценную работу.

Li – pol (Литий полимерный аккумулятор)

Усовершенствованная версия Li – ion

  • Разряжена 2 — 3v
  • Стандартное напряжение 3.6 –
  • Полностью заряжена 4.1 –
  • Устойчивость к перезаряду – предельно слабая

В качестве электролита, применяется полимерный материал, что обеспечивает большую безопасность, например, при повреждении оболочки или перегреве, в большинстве случаев не будет самовозгорания или взрыва.

Большая емкость, при аналогичных размерах

Меньшее падение напряжения, по мере по разряда

Благодаря полимерному электролиту, возможно исполнить меньшей толщины и практически любой формы

Выбор аккумулятора в зависимости от сферы применения

При покупке устройства обязательно необходимо учитывать задачи, которые будут перед ним поставлены.

Для домашнего использования

Для выполнения несложных домашних работ хватит устройства небольшой емкости 1,5-2 А. При этом напряжение может составлять 12 В. Для дома стоит использовать литий-ионные батареи, которые лучше держат заряд.

Для ежедневного использования на производстве или ремонтных работ

В таких случаях больше подойдет устройство 4-5 А. При этом его мощность должна составлять 18-36 В. Для взаимодействия с прочными поверхностями или работы при отрицательных температурах применяют Ni-Cd батареи. Для манипуляций в тепле больше подойдут литий-ионные виды.

Выбор аккумуляторов для шуруповерта считается сложной задачей. Для ее успешного решения важно учитывать много параметров.

Возможные риски при неправильном заряде

Вполне естественно, что существует определенные риски, которые могут возникнуть при неправильном заряде. Поэтому, чтобы аккумуляторы прослужили как можно дольше, перед их использованием нужно внимательно изучить инструкцию. Не менее важно и зарядное устройство подобрать правильно. Нельзя заряжать батарей  при температуре ниже 5 градусов и выше 50 градусов по Цельсию.  Нагревание АКБ в процессе зарядки вполне естественно. Главное, чтобы они были комфортны на ощупь.  Если нагрев более сильный, устройство нужно вытащить из розетки.

Устройство литиевой батарейки

По конструкции выделяют 2 варианта:

  1. Спиральные.
  2. Бобинные.
Устройство литиевой батарейки

Спиральные элементы обладают масштабной поверхностью лития. При импульсном токе они отдают до 4 А, а при постоянном до 0,1-1,8. За год данные элементы питания теряют 10% своей емкости от исходной. В торговых точках можно встретить призматические, в форме таблеток или круглые батареи подобного типа.

Основные крупные производители:

  1. Varta,
  2. Minamoto,
  3. Tekcell
  4. Robiton,
  5. SAFT,
  6. EVE,

Бобинные источники тока могут проработать целых 20 лет. Используются в устройствах с током потребления не более 150 mA.

Устройство литиевой батарейки