Литий-ионный аккумулятор

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

• высокая энергетическая плотность;
• отсутствие эффекта памяти;
• длительный срок эксплуатации;
• низкий показатель саморазряда;
• отсутствие необходимости обслуживания;
• обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

• риск самовозгорания;
• более высокая, чем у предшественников, стоимость;
• необходимость наличия встроенного контроллера;
• нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Watch this video on YouTube

Порядок зарядки

Li-ion аккумуляторы заряжаются в несколько шагов. Рассмотрим их.

Подготовка

Нужна, если напряжение на АКБ ниже некоторых запрограммированных параметров. И длительное хранение в бездействии, и активная эксплуатация приводят к саморазрядам.

Малые зарядные токи создают условия для постепенного выхода электродов повышенной активности на оптимальные в плане показателей напряжения уровни.

Подготовительный режим продлевает сроки службы элемента питания. Его рекомендуют применять для зарядки при низких температурах среды.

Первичный малотоковый заряд также гарантирует максимальную безопасность для АКБ. Если внутри батареи случилось микрозамыкание, напряжение в течение некоторого времени будет только увеличиваться.

Данное явление будет границей нормы или показателем неисправности, так что нужен дополнительный тест.

Сразу большой ток не пускают, чтобы не было чрезмерного разогрева и разгерметизации. Это опасно для всей системы, несмотря на наличие датчика температур, – он срабатывает не так оперативно, как резко прыгают температурные значения.

Функция малотокового заряда обычно возлагается не на зарядку, а на батарею СОФ. В схемах СОФов предусматривается резервный транзистор MOSFET, который управляет зарядом, ограничивает подключенный к АКБ ток.

Первый этап

Тут зарядка идет с номинальными значениями силы тока, зависящими от заданной емкости батареи. Потребители часто экономят время, делая ускоренную зарядку.

Чтобы не навредить устройству, нужно соблюдать рекомендации производителя.

Соответствующие значения, предельно допустимые параметры вы найдете в технической документации. Учитывайте, что чем больше зарядный ток, тем меньше батарея «наберет» емкость и тем пристальнее придется отслеживать разогрев для предотвращения перегревов.

Зарядка Li-ion элементов питания

При значительном токе заряда увеличивается время второго этапа (о нем мы расскажем далее), ток начинает падать до заданных значений.

У каждого элемента питания существует определенное сопротивление: если текущий показатель упадет ниже допустимого, конечное зарядное напряжение будет достигнуто быстрее.

По мере достижения конечного напряжения заряд перейдет на следующий этап – падение силы тока. Аккумулятор начнет «набирать» и терять емкость.

Номинальные и ускоренные режимы чередовать нужно обязательно, в особенности при зарядке батарей сложно наборного состава.

При номинальных показателях тока увеличивается длительность заряда. Продление продолжительности процедуры обеспечивает оптимальную балансировку АКБ.

Чем больше будет значение времени балансировки, тем лучших значений достигнут показатели емкости элементов питания. В результате батарея начнет отдавать близкую к номинальной при разрядке емкость.

Второй этап

Осуществляется при стабильных значениях напряжения, постоянно падающем токе. Процесс будет считаться завершенным в случае установления зарядного тока на отметках в 0.1-0.05 Сн.

Период зарядки падающими токами определяется с учетом времени работы, числа циклов по полной зарядке и разрядке. По завершении процесса номинальный ток упадет, достигнув равновесных значений.

Не держите батарею длительное время на конечном напряжении – когда начнется фаза падающих токов, остановите заряд.

Производство литий-ионных аккумуляторов может сразу осуществляться с учетом указанных параметров. Бренды выпускают на рынок полностью готовые к применению решения по схемотехнике, реализуют прописанные алгоритмы зарядки, помещая микросхемы в единый корпус. Самой часто используемой микросхемой является MC34063 на 12–24 В.

Финальный стэнд-бай этап

Применяется в тех случаях, когда АКБ должен быть в зарядном и находиться в состоянии полной эксплуатационной готовности.

Кратковременные подзаряды нужны для компенсации незначительных и неизбежных саморазрядов. Зарядка сработает тогда, когда показатель напряжения в сети резко упадет до отметки в 4,05 В на батарею, выключение произойдет при 4,20 В.

Зарядки, предназначенные для эксплуатации в режиме постоянной готовности либо ожидания, позволяют напряжению падать вплоть до 4,0 В из расчета на одну батарею, а уровень заряда повышать строго до 4,05, а не 4,20.

Соблюдение всех указанных выше этапов способствует продлению срока службы АКБ.

Какой аккумулятор лучше, кислотный или литиевый?

Для обслуживания техники долгое время не было альтернативы свинцовым кислотным аккумуляторам. Для лодочных моторов, автомобилей создавались батареи, называемые стартовыми. Чтобы постоянно отдавать энергию моторам на электрокарах, электромобилях, штабелерах и подобной технике применяют мощные тяговые аккумуляторы.

Есть ли альтернатива кислотным и гелевым моделям?

Требования к обслуживанию. Кислотный аккумулятор большой емкости заряжается до 12 часов. При неполной емкости может отработать 4-6 часов. Требуется устанавливать сменный, что отнимает время. Только полный цикл зарядки спасет аппарат от потери емкости. Для зарядки используется вентилируемое помещение, так как выделяющийся водород взрывоопасен.

Литий-ионный аппарат с активным компонентом LiFePO4 имеет большую емкость, подзаряжается в течение часа. Его можно подпитать энергией в моменты простоя, даже за 15 минут. С одним аккумулятором можно организовать круглосуточную работу. Именно, литий-железо-фосфатные аккумуляторы активно вытесняют громоздкие аккумуляторы из складских помещений.

Срок службы. Кислотные аккумуляторы выдерживают до 1200 перезарядки, а литиевые 3000-5000 раз, по заявлениям производителей. Они необслуживаемые, не требуют ухода.

Экономический фактор. Литий-ионные аккумуляторные батареи дороже кислотных в 3 раза. Но покупать их экономически выгодно. При зарядке и таком же объеме работы тратится на 30 % меньше энергии. На 65 % сокращается стоимость их обслуживания. Не требуется помещения для зарядки. Инвестиции окупаются в течение двух лет.

Сложнее определиться, какие стартовые аккумуляторы лучше литиевые или кислотные. Здесь следует учитывать самое главное требование литиевых систем – исключение перезаряда и глубокой разрядки. Но уже ведущие производители легковых автомобилей перестраивают бортовую систему, подключают конвертор для передачи энергии от генератора.

Причины, по которым трудно переделать автомобиль под литиевые аккумуляторы:

• генератор не может подавать энергию напрямую в аккумулятор – возможен перезаряд;
• силовые системы – лебедку, бортовые системы необходимо адаптировать под особенности аккумулятора;
• эксплуатировать литиевый аккумулятор для автомобиля пола можно до -20 , в дальнейшем емкость резко снижается.

На подходе автомобильные аккумуляторы, не снижающие емкости при – 40, стоимость аппаратов неуклонно снижается.

О массовой замене аккумуляторов на литиевые говорить преждевременно. Переделка автомобиля под аккумулятор может обойтись дороже самого источника энергии.

Литий-полимерный аккумулятор как альтернатива Li-ion

Полимерные аккумуляторы — это усовершенствованный вариант литий-ионных. Технический прогресс не стоит на месте, и сейчас они уже рассматриваются как серьезная альтернатива предыдущим АКБ на литиевой основе. Целью создания батарей на основе полимерных материалов стало, прежде всего, возможное устранение недостатков Li-ion в виде высокой стоимости и повышенного риска самовозгорания.

Главное отличие полимерного аккумулятора от Li-ion заключается в том, что в качестве электролита при его изготовлении используются не жидкость или гель, а твердые полимеры. Смена электролита является большим достижением, потому что такие батареи более безопасны, и теперь можно гораздо меньше думать о потенциальном взрыве при их эксплуатации.

Твердые материалы и раньше выполняли серьезную роль в плане проводимости тока — например, с помощью пленки из пластика, а их использование внутри Li-pol аккумулятора вместо пористого разделителя двух его полюсов, пропитанного жидкостью, стало значительным шагом вперед.

Li-pol аккумулятор также имеет улучшенные характеристики в плане удобной формы, так как полимеры дают возможность получать разные размеры и виды таких батарей. Минимальная толщина, которой обладают полимерные аккумуляторы, может составлять всего 1 мм.

Наряду с отличиями, есть и сходства между Li-ion и Li-pol. Большей частью, это означает, что не все недостатки устранены, и возможности дальнейшей работы производителей еще не исчерпаны до конца. Например, между ними нет особой разницы в сроках службы и проблеме «старения» в случае, если они не используются.

Полимерные аккумуляторы, как и Li-ion, применяются в сотовых телефонах, радиоуправляемой технике, портативных электрических инструментах, например, в электродрелях и шуруповертах.

Некоторые производители полимерных АКБ утверждают, что у них отсутствует эффект памяти, а также они якобы могут работать в более широком температурном спектре: от -20 до +40-60°С, что делает возможным их применение, эксплуатируя в условиях жаркого тропического климата. Поскольку опасность самопроизвольного возгорания устранена еще не до конца, полимерные аккумуляторы, как правило, снабжены встроенной электросхемой, предупреждающей перезаряд и перегрев.

Схема устройства для зарядки аккумуляторов

Выглядит она следующим образом:

Отличается схема надежностью и повторяемостью, а входящие детали являются недорогими и легкодоступными. Чтобы срок эксплуатации батареи увеличить, требуется грамотная зарядка li ion аккумуляторов: к концу зарядки напряжение должно уменьшаться.

После ее завершения, т.е. при достижении нулевой отметки током, должна остановиться зарядка li ion аккумулятора. Схема, приведенная выше, этим требованиям удовлетворяет: подключенный к зарядному устройству разряженный АКБ (загорается VD3), использует ток 300мА.

Об идущем процессе свидетельствует горящий светодиод VD1.Постепенно уменьшающийся до 30 мА ток, свидетельствует о зарядке аккумулятора. Об окончании процесса сигнализирует, загоревшийся светодиод VD2.

В схеме использован операционный усилитель LM358N (можно заменить его аналогом КР1040УД1 или же КР574УД2, отличающимся расположением выводов), а также транзистор VT1 S8550 9 светодиоды желтого, красного и зеленого цветов (1,5В).

Наиболее широко применяемые аккумуляторы

Среди множества наиболее распространены li ion аккумуляторы типоразмера 18650, выпускаемые пятью компаниями: LG, Sony, Panasonic, Samsung, Sanyo, заводы которых находятся в Японии, Китае, Малайзии и Южной Карее. Планировалось, что использоваться li ion аккумуляторы 18650 будут в ноутбуках. Однако, благодаря удачному формату их применяют в моделях на радиоуправлении, электромобилях, фонарях и т.д.

Как всякий качественный товар, такие аккумуляторы имеют много подделок, поэтому, чтобы продлить срок эксплуатации прибора, приобретать нужно только батареи известных брендов.

Литиевые или алкалиновые батарейки, какие лучше

Алкалиновые и щелочные батарейки одно и то же. Воспользуемся тестированием специалистами Росконтроля, пальчиковых ААА батареек и сравним их с литиевыми. Так как идеальных элементов на случаи импульсной и постоянной умеренной и слабой нагрузки нет, предлагается определить, где предпочтительнее использовать щелочные, а где литиевые батарейки и какие лучше.

Результаты исследований показали, что для импульсных токовых нагрузок с высокой мощностью лучше купить литиевую батарейку – прослужит столько же, что 3 щелочных, но весит она намного меньше, чем аварийный запас из нескольких другого вида.

В пультах и часах, в детских игрушках оптимально использовать алкалиновые аккумуляторы, по стоимости выгоднее. Малые токи быстро истощают заряд литиевой батарейки, и проработает она почти столько же, что и щелочная.

Зарядка аккумулятора

Для зарядки батарей лучше использовать штатное зарядное устройство для 18650 li ion аккумуляторов, поставляемое в комплекте. Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 18650 обычно имеет индикацию уровня заряда. Чаще это светодиод, который показывает, когда идет заряд и его окончание.

На более продвинутых устройствах можно отслеживать на дисплее время, оставшееся до окончания заряда, текущее напряжение. Для аккумулятора 18650, емкость которого 2200мА, время зарядки составляет 2 часа.

Но, важно знать, каким током заряжать li ion аккумулятор 18650. Он должен составлять половину номинальной емкости, т.е., если она составляет 2000 mAh, то ток оптимальный – 1А

Заряжая аккумулятор высоким током, быстро наступает его деградация. При использовании низкого тока потребуется больше времени.

https://youtube.com/watch?v=PI8N7r6oepw

Видео: Как заряжать аккумулятор Li ion зарядное своими руками

Утилизация отработанных батарей

Такие источники питания ни в коем случае нельзя выбрасывать просто в мусорку. Они имеют свойство выделять токсичные соединения в почву, тем самым загрязняя её кобальтом, медью и литием. Кроме того, в производстве задействованы некоторые химические элементы, которые в природе не возобновляются. Потому вторичная переработка таких аккумуляторов — способ не исключать их из природного фона.

На сегодняшний день, к сожалению, не существует эффективных способов переработки и вторичного использования этих элементов. Современные технологии для этого процесса настолько энергозатратны, что легче просто утилизировать отработанные модули.

Это делается в несколько этапов:

• Вскрытие в сухом и прохладном помещении.
• Удаление всей массы литийсодержащего электролита из корпуса.
• Разделение и растворение пластин.
• Переплавка цветных металлов, извлечённых из модуля.

После этого пластик, из которого состоит корпус, измельчается в специальных установках. Его можно использовать как недорогое вяжущее для производства асфальта вместо смолистого битума.

Правильной утилизации способствует практика установки специальных урн в салонах сотовой связи, куда можно выбросить отработанный аккумулятор. В дальнейшем все они сдаются на специальные предприятия.

Компоненты тонкопленочной батареи

Катодные материалы

Катодные материалы в тонкопленочных литий-ионных батареях такие же, как и в классических литий-ионных батареях. Обычно это оксиды металлов, которые осаждают в виде пленки различными способами.

Ниже показаны металлооксидные материалы, а также их относительная удельная емкость ( Λ ), напряжения холостого хода ( V _oc ) и плотности энергии ( D _E ).

Методы осаждения катодных материалов

Существуют различные методы нанесения тонкопленочного катодного материала на токосъемник.

Импульсное лазерное напыление (PLD)

При импульсном лазерном напылении материалы изготавливаются путем управления такими параметрами, как энергия и плотность энергии лазера, температура подложки, фоновое давление и расстояние между мишенью и подложкой.

Золь-гель обработка

Золь-гель обработка позволяет гомогенно смешивать исходные материалы на атомном уровне.

Электролит

Самая большая разница между классическими литий-ионными батареями и тонкими гибкими литий-ионными батареями заключается в используемом материале электролита . Прогресс в области литий-ионных аккумуляторов в такой же степени зависит от улучшения электролита, как и от материалов электродов, поскольку электролит играет важную роль в безопасной эксплуатации аккумуляторов. Концепция тонкопленочных ионно-литиевых батарей все больше и больше мотивировалась производственными преимуществами, которые дает полимерная технология для их использования в качестве электролитов. LiPON, оксинитрид лития-фосфора, представляет собой аморфный стеклообразный материал, используемый в качестве материала электролита в тонкопленочных гибких батареях. Слои LiPON осаждаются на материал катода при температуре окружающей среды с помощью высокочастотного магнетронного распыления. Это образует твердый электролит, используемый для ионной проводимости между анодом и катодом. LiBON, оксинитрид лития-бора, представляет собой еще один аморфный стеклообразный материал, используемый в качестве твердого электролита в тонкопленочных гибких батареях. Твердые полимерные электролиты обладают рядом преимуществ по сравнению с классическими жидкими ионно-литиевыми батареями. Вместо того, чтобы иметь отдельные компоненты электролита, связующего и сепаратора, эти твердые электролиты могут действовать как все три. Это увеличивает общую плотность энергии собранной батареи, потому что составляющие всего элемента более плотно упакованы.

Материал сепаратора

Сепараторные материалы в литий-ионных батареях не должны блокировать транспортировку ионов лития, одновременно предотвращая физический контакт материалов анода и катода, например, короткое замыкание. В жидкостной ячейке этот разделитель будет представлять собой пористую стеклянную или полимерную сетку, которая позволяет переносить ионы через жидкий электролит через поры, но предохраняет электроды от контакта и короткого замыкания. Однако в тонкопленочной батарее электролит является твердым веществом, что удобно как для транспортировки ионов, так и для физического разделения без необходимости в специальном сепараторе.

Токосъемники в тонкопленочных батареях должны быть гибкими, иметь большую площадь поверхности и быть экономичными. Было показано, что серебряные нанопроволоки с улучшенной площадью поверхности и нагрузочным весом работают как токоприемник в этих аккумуляторных системах, но все же не так рентабельны, как хотелось бы. При распространении графитовой технологии на литий-ионные батареи, пленки из углеродных нанотрубок (УНТ) , обработанные в растворе , рассматриваются для использования в качестве как токосъемника, так и материала анода. УНТ обладают способностью интеркалировать литий и поддерживать высокие рабочие напряжения, при этом низкая массовая нагрузка и гибкость.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

Одноразовые литиевые батарейки заряжать нельзя! аккумуляторные батарейки используют со специальным зарядным устройством. Они могут выдержать до 1000 перезарядов, существенно сэкономив бюджет на покупку одноразовых элементов.

Как определить, что перед вами, аккумулятор или одноразовая батарейка? Сведения перед глазами. На аккумуляторе указывается емкость в mAh, на литиевой батарейке такой информации нет. Намекнет на аккумулятор цена, она высокая. На изделии обязательно найдется маркировка «rechargeable» — перезаряжаемая.

Если вы профессионально работаете с фотовспышкой и другой мощной аппаратурой, купите плоскую полимерную или цилиндрическую заряжаемую литиевую батарейку. Это выгоднее, чем приобретать в большом количестве одноразовые элементы.

Устройство li-ion аккумулятора

В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.

В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.

По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.

Безопасная альтернатива

Выяснив опасность чистого лития, исследователи решили обратить внимание на ионные аналоги. Разумеется, энергетическая плотность ионных аккумуляторов относительно уступала своим чисто литиевым аналогам, так же, как и никель-кадмиевым приспособлений с повышенным током заряда. Однако благодаря своей безвредности они получили определенное преимущество

Однако благодаря своей безвредности они получили определенное преимущество.

На этом преимущества ion-аккумуляторов не заканчиваются. Аккумуляторы, работающие на ионах лития, обладают пониженным саморазрядом и повышенным напряжением единичного элемента, что делает конструкцию заметно проще. А сравнительно небольшое количество расходов на использование и сервис избавляют от необходимости регулярных разрядных циклов для емкостного восстановления.

Однако здесь, пожалуй, и заканчиваются все достоинства аккумуляторов, работающих на ионах лития. В связи с этим стоит перейти к описанию недостатков аккумуляторов данного типа.

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

Авторы новой технологии натриевых аккумуляторов не сомневаются в ее эффективности

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

Искусственный интеллект добрался и до Wi-Fi: как инновации помогают строить беспроводные сети в офисах
Телеком

Преимущество натрия над литием при использовании в элементах питания признал даже сам Джон Гуденаф (John Goodenough), создатель литий-ионной батареи и лауреат многих престижных премий. Весной 2017 г. совместно с группой исследователей из Техасского университета США он разработал технологию твердотельного аккумулятора с повышенной плотностью энергии. Новый тип батарей выдерживает температур до -60 градусов Цельсия, не взрывается от перегрева или повреждения оболочки, а при утилизации не вредит окружающей среде. Для накапливания энергии в такой батарее вместо лития используется натрий, который можно добывать даже из морской воды.

Похожие записи:

Определяем полярность диода: катод и анод Схемы подключения фотореле Обзор ксеноновых ламп d2r Что такое диммер и как он работает Проверка аккумулятора мультиметром Полная, активная и реактивная мощность переменного тока