Типы современных литиевых аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды. Работа и применение

Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.

Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.

За это время решались в основном вопросы с безопасность использования литиевых аккумуляторов, подбором материалов и т. п. Вторичные литиевые элементы с апротонными электролитами и разновидность с твёрдым катодом похожи по электрохимическим процессам, протекающих в них. В частности, на минусовом электроде идёт анодное растворение лития. В кристаллическую решётку плюсового электрода идёт внедрение лития. Когда аккумуляторный элемент заряжается, то процессы на электродах идут в обратном направлении.

Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.

Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.

Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:

• TiS2 (дисульфид титана);
• Nb(Se)n (селенид ниобия);
• сульфиды и диселениды ванадия;
• сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.

Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.

С анодом возникли главные сложности при создании литиевых аккумуляторов. Точнее в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение Li. При этом образуется поверхность с очень высокой активностью. Литий осаждается на поверхности катода в виде дендритов и в результате образуется пассивная плёнка.

Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.

В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.

Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.

Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.

Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

Как показали исследования, лучше всего подходят сплав Li с тяжёлыми металлами. Примером может служить сплав Вуда. Они хорошо показали себя в плане сохранения удельного объёма, но удельные характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.

В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про по указанной ссылке.

Эксплуатация и срок службы

Эксплуатация

Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.

Для начала следует запомнить, что литиевый аккумулятор должен иметь напряжением от 2,7 до 4,2 вольта. Нижнее значение здесь говорит о минимальном уровне заряда, верхнее – о максимальном. В современных Li батареях электроды выполняются из графита и в их случае нижняя граница напряжения составляет 3 вольта (2,7 – это значение для электродов из кокса). Электрическая энергия, которую отдаёт аккумулятор при падении напряжения от верхней границы к нижней, называется его ёмкостью.

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.

Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.

В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.

Процесс зарядки

Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.

Процесс состоит из трёх этапов:

• продолжительность первого этапа около одного часа. При этом ток зарядки держится на постоянном уровне до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет значения 4,2 вольта. По окончании степень заряженности равна 70%;
• второй этап также идёт около часа. В это время контроллер поддерживает постоянное напряжение 4,2 вольта, а ток зарядки при этом снижается. Когда сила тока падает примерно до 0,2*C, запускается заключительный этап. По окончании степень заряженности равна 90%;
• на третьем этапе ток постоянно снижается при напряжении 4,2 вольта. В принципе, эта стадия повторяет второй этап, но имеет строгое ограничение по времени в 1 час. После этого контроллер отключает батарею от зарядного устройства. По окончании степень заряженности равна 100%.

Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.

Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.

Помните, что через разъём USB ноутбука, десктопа, переходника от прикуривателя в машине зарядка идёт значительно медленнее, чем от штатного ЗУ. Это объясняется ограничением интерфейса USB по току в 500 мА.

Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Инженерная мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы, требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко — Li-ion. Дальнейшая информация предназначена для любознательных.

Для начала небольшой экскурс в историю.

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили 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.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd , а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.

Основные преимущества.

• Высокая плотность энергии и как следствие 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), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia). Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
• Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как «ведут себя» новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.

Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными, допускать 1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы

Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.

Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они представляют наибольший интерес.

Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.

А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.

Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье . В добавление приведу лишь график (Рис.1) из , иллюстрирующий стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.

Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается.

Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В

Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 °C. При температуре от 0 до 5 °C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна температура от 15 до 25 °C.

Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.

А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.

Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время работы).

Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.

Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.

При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20 °C является пределом, при котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40 °C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.

В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы, связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов, можно на форуме в подфоруме по аксессуарам.

При написании статьи использованы материалы [ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.

Первые эксперименты по созданию литиевых гальванических элементов были зафиксированы еще в 1012 году. Реально действующую модель смогли создать в 1940 году, первые серийные экземпляры (неперезаряжаемые!), появились 70-х годах, а триумфальное шествие этого типа аккумуляторов началось с начала 90-х годов, когда японская компания Sony смогла освоить их коммерческое производство.

В настоящее время считается, что это одно из самых перспективных направлений создания автономных электрических источников энергии несмотря на их довольно высокую (на имеющемся уровне) стоимость.

Главное преимущество такого типа аккумулятора – высокая энергетическая плотность (порядка 100 вт/час на 1 кг веса) и возможность выполнения большого цикла зарядки/разрядки.

Вновь созданные батареи характеризуются и таким отличным показателем, как низкая скорость саморазряда (всего от 3-х до 5-ти % за первый месяц, с последующим снижением этого показателя). Это позволяет при

И это еще не все – по с равнению с широко распространенными Ni-Cd, новая схема при тех же габаритах обеспечивает втрое большую работоспособность при фактически отсутствующем негативном эффекте памяти.

Отрицательные характеристики

литий ионных аккумуляторов.

Прежде всего – высокая стоимость, необходимость сохранения батареи в заряженном состоянии и так называемый «эффект старения», который проявляется даже в том случае, когда гальванический элемент не был в эксплуатации. Последнее неприятное свойство проявляется в постоянном снижении емкости, которая через два года может привести к полному выходу изделия из строя.

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток , каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Литий-ионные аккумуляторы - это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

Литий-титанат (титанат лития) - это относительно новый класс литий-ионных АКБ - (подробнее ). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

• Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
• Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
• Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
• Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
• Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
• Срок годности: >10 лет
• Саморазряд: 2-5 %/месяц
• Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
• Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
• Температура: от -40 до +55°C
• Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

• Номинальное напряжение: 3,7 В
• Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
• Ток заряда, скорость: 0.2-10С
• Предельное напряжение разряда: 2.5 В
• Скорость разряда: до 50С
• Выносливость в циклах: 400 циклов

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) - эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

• Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
• Чрезвычайно низкий саморазряд
• Работоспособность в экстремальных условиях
• Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) - такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Очень стабильное напряжение разрядки
• Более чем 10-ти летний срок хранения
• Рабочая температура: -40 до +60°С

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Долгий срок годности при хранении
• Широкий температурный диапазон
• Хорошая герметизация
• Стабильное разрядное напряжение

Li-FeS2 батареи

Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.

Потребительский рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов огромен – около $10 млрд, при этом он довольно устойчив, темп роста составляет всего 2% в год. А как же электромобили, спросите вы? Действительно, в ближайшие годы, в связи развитием электромобилей, прогнозируется темп ежегодного роста литий-ионных аккумуляторов в 10%. На удивление, самой большой областью роста рынка Li-ion батарей по-прежнему остается «все остальное», начиная от мобильных телефонов и заканчивая вилочными погрузчиками.

«Другие» приложения для литий-ионных аккумуляторов, как правило, имеют одну общую черту – это устройства, которые получают питание от запечатанных свинцово-кислотных батарей (англ. sealed lead acid (SLA)). За последние почти 200 лет свинцово-кислотные батареи заняли лидирующую позицию на рынке электроники, но они вот уже несколько лет вытесняются с рынка литий-ионными аккумуляторами. Поскольку во многих случаях литий-ионные батареи стали заменять свинцово-кислотные батареи (аккумуляторы), стоит сравнить эти два вида накопителей энергии, подчеркнув основные технические особенности и экономическую целесообразность применения Li-ion вместо традиционных SLA устройств.

История применения аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

Химические особенности

Фундаментальные основы химических процессов в ячейках придают свинцово-кислотным и литий-ионным устройствам определенные свойства и различные степени функциональных возможностей. Ниже приведены некоторые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов, которые сделали его основным в течении десятилетий и недостатки, которые теперь приводят к его замене, а также подобные аспекты для литий-ионных устройств.

Свинцово-кислотная батарея

• СКБ проста, надежна и недорога. Ее можно использовать в широком диапазоне температур.
• Батареи должны хранится в постоянно заряженном состоянии (SoC) и они не поддаются быстрой зарядке.
• СКБ имеют большой вес. Их гравиметрическая плотность энергии очень мала.
• Жизненный цикл обычно составляет от 200 до 300 разрядов/зарядов, что очень мало.
• Кривая заряда/разряда позволяет измерять SOC с простым контролем напряжения.

Литий-ионная батарея

• Имеют максимальную плотность энергии по размеру и весу.
• Жизненный цикл обычно составляет от 300 до 500, но может измеряться и тысячами для литий-фосфатных ячеек;
• Очень мал диапазон рабочих температур;
• Доступны различные размеры ячеек, формы и другие возможности;
• Нет необходимости в техническом обслуживании. Уровень саморазряда очень мал.
• Требуется реализация схем по безопасности эксплуатации. Сложный алгоритм зарядки.
• Измерения SoC требует непростых решений из-за нелинейности кривой напряжения.

Электроника

Важно понимать различие между батарейным блоком и аккумулятором. Ячейка – основной составной элемент пакета. Помимо этого, в пакет еще входит электроника, разъемы и корпус. На рисунке выше показаны примеры данных устройств. Литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь, как минимум, реализованные схемы защиты и управления ячейкой, а зарядное устройство и система измерения напряжения гораздо сложнее, чем в свинцово-кислотных устройствах.

При использовании литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, основные отличия в электронике будут заключаться в следующем:

Зарядка

Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора довольно проста при соблюдении определенных порогов напряжений. В литий-ионных батареях используют более сложный алгоритм, за исключением пакетов на основе фосфата железа. Стандартный метод заряда для таких устройств – метод постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV). Он включает в себя двухэтапный процесс зарядки. На первом этапе происходит заряд с постоянным током. Длится это до тех пор, пока напряжение на ячейке не достигнет определенного порога, после чего напряжение остается постоянным, а ток снижается по экспоненциальному закону, пока не достигнет значения отсечки.

Подсчет заряда и связь

Как упоминалось ранее, заряд СКБ можно измерять простыми средствами измерения напряжения. При использовании литий-ионных аккумуляторов необходим контроль уровня заряда ячеек, для чего необходима реализация сложных алгоритмов и циклов обучения.

I 2 C является наиболее распространенным и экономичным протоколом связи, используемым в литий-ионных аккумуляторах, но он имеет ограничения в отношении помехоустойчивости, целостности сигнала на расстоянии и общей полосы пропускания. SMBus (шина управления системой), производная от I 2 C, очень распространена в батареях меньшего размера, но в настоящее время не имеет какой-либо эффективной поддержки для мощных или более крупных пакетов. CAN прекрасно подходит для сред с высоким уровнем шума или там, где требуются длительные прогоны, например во многих СКБ-приложениях, но это стоит довольно дорого.

Прямые замены

Следует подчеркнуть, что ныне существует несколько стандартных форматов свинцово-кислотных батарей. Например - U1, стандартный форм-фактор, используемый в приложениях резервного питания медицинского оборудования. Литий-железо-фосфатный аккумулятор оказался вполне достойной заменой свинцово-кислотным. Фосфат железа обладает замечательным жизненным циклом, хорошей проводимостью зарядов, улучшенной безопасностью и низким импедансом. Напряжения литий-железо-фосфатных аккумуляторов также хорошо согласуются с напряжениями свинцово-кислотных (12 В и 24 В), что позволяет использовать одни и те же зарядные устройства. Программные пакеты для обслуживания и контроля батарей включают в себя интеллектуальные функции, такие как отслеживание заряда, счетчик циклов заряда/разряда и другие.

Литий-железо-фосфатные батареи сохраняют 100% емкости при хранении, в отличие от СКБ батарей, которые теряют емкость в течение нескольких месяцев хранения. На рисунке выше сравниваются два продукта и типы достижений, достигнутых при переходе от СКБ к Li-ion.

Выводы

Очень мало существует батарей, которые способны хранить столько же энергии, как свинцово-кислотные, что делает данный вид аккумуляторов экономически выгодным для многих мощных устройств. Литий-ионная технология постоянно снижается в цене, а также постоянные совершенствование их химических структур и систем безопасности делает их достойным конкурентом свинцово-кислотной технологии. Устройства для их применения могут быть самые различные, начиная от устройств бесперебойного питания, до электромобилей и беспилотников.