Литий-ионный(Li-ion) аккумулятор: характеристики, виды, зарядка

Литиевые батареи широко используют в разных устройствах: от мелкой электроники до индивидуальных транспортных средств, например, в гироскутерах. Li-ion АКБ практичны, рассчитаны на длительный срок использования и обладают высокой степенью износоустойчивости.

История появления

Первая батарейка литий-ионного типа появилась в 1991 году. Разработка этого элемента велась более двадцати лет. Новый продукт отличался высокой энергоёмкостью, что выгодно выделило его на рынке.

Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов:

• катод находится на алюминиевой фольге;
• анод находится на медной фольге.

В качестве сепаратора между двумя электродами выступает жидкий или гелеобразный электролит.

Положительные снаряды переносят ионы лития. Ионы могут проникать вглубь других материалов, провоцируя электрохимическую реакцию. Этот принцип лежит в основе процесса зарядки и питания электронного устройства, например, компьютера или телефона.

У нового продукта — литий-ионной батареи — был значительный минус: высокий уровень взрывоопасности. Причиной этого был газ, образующийся в результате химических реакций. При большом количестве разряда и заряда могло произойти замыкание. В результате выделялось большое количество тепла и происходило возгорание аккумулятора.

Ближе к концу 90х годов конструкцию батарейки улучшили, заменив анод на медной фольге на аналогичный из графита. Это позволило значительно снизить количество несчастных случаев, связанных с внезапным возгоранием батареи.

История создания батарейки, изобретатели и открытия

В последующие года конструкция аккумулятора была доработана. В современных элементах присутствует функция защиты от перегрева и переполнения током, благодаря чему пользование литий-ионными батареями стало ещё более безопасным.

В XXI веке производство литий-ионных батарей сосредоточилось в пределах Японии. К примеру, по данным на 2000 год около 27% продукции принадлежало компании Sanyo, а на долю компании Sony приходилось около 19%.

Устройство li-ion батареи

Литий-ионные аккумуляторы производят в несколько этапов. В первую очередь изготавливают сами электроды. Затем их объединяют между собой в батарею. Следующий этап — установка защитной платы, которая должна предотвратить короткие замыкания в критических ситуациях. После установки платы, батарею помещают в герметичный корпус и заливают электролит.

Обязательный этап после непосредственно сбора всех элементов — тестирование. Здесь проверяют ёмкость и способность держать заряд.

В качестве катода в li-ion АКБ используют фольгу, на которую нанесено вещество, содержащее литий. В масштабном производстве встречаются разные соединения. Например:

• LiCoO2;
• LiFePO4;
• LiNiO2;
• LiMn2О.

В батарейках типоразмера АА и ААА электрод обычно скручивают в рулон. Катод отделяют от анода сепаратором. Высокий показатель энергоёмкости достигается за счёт правильной пропорции между площадью катода и толщиной литиевой плёнки.

Когда на контакты АКБ подаётся постоянный электрический ток, катионы лития передвигаются в сторону анода. А во время разрядки — ионы лития покидают анод, перемещаясь в диэлектрик на глубину до 50 нм. Так цикл завершается.

Литий-ионные аккумуляторы рассчитаны примерно на 3000 подобных циклов, даже при условии полного разряда, когда батарея почти полностью отдаёт весь накопленный ток. Значительное преимущество li-ion элементов — глубокий разряд не вызывает окислительную реакцию.

Сказанное выше не актуально для батарей со специальной защитной платой, которая контролирует уровень заряда и не позволяет ему опускаться ниже определённого значения. Такие аккумуляторы устанавливают в индивидуальной технике, например, в телефонах и фотоаппаратах.

Химические реакции внутри батареи

Li-ion аккумуляторы содержат электрод, изготовленный из углерода. В качестве материала для положительного электрода используют оксид никеля или кобальта. Кроме этого, в состав АКБ входят шпинели из лития и марганца.

Особенности углерода определяют процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Анод имеет слоистую матрицу, частично или полностью упорядоченную.

Интеркаляция ионов лития подразумевает процесс, во время которого ионы отделяются от лития и встраиваются между слоями углерода. Объём матрицы при этом не меняется.

Во время заряда происходят химические реакции, которые можно описать с помощью следующих уравнений:

• для положительного электрода;
• для отрицательного электрода.

Химические реакции, происходящие во время разряда, можно описать с помощью обратных уравнений.

Типоразмеры

Для обозначения формата li-ion батарейки была разработана специальная универсальная система маркировки. Каждый продукт, поставляемый на рынок, в обязательном порядке должен быть помечен соответствующим сочетанием буквенного и цифрового обозначения.

Маркировка содержит данные о:

• габаритах;
• составе;
• форме.

Маркировка батареек цилиндрической формы состоит из следующих комбинаций букв и цифр:

• первая пара цифр определяет диаметр батарейки;
• вторая пара цифр — её длину;
• последняя цифра содержит информацию о форме элемента питания;
• буквенное обозначение даёт понять, какой материал использован для данной батареи.

Выделяют два основных типоразмера таких li-ion АКБ:

• небольшие, например, батарея 10180 с длиной в 18 мм и диаметром в 10 мм или батарея 10280 с длиной в 28 мм, а диаметром так же в 10 мм;
• габаритные, например, батарея 32600 с длиной в 60 мм, а диаметром в 32 мм или батарея 42120 с длиной в 12 мм и диаметром в 42 мм.

Маркировка батарей в форме “таблетки” отличается. В данном случае на форму указывают буквы CR, которые размещают в самом начале комбинации. Затем идут:

• пара цифр, определяющих диаметр батареи в мм;
• пара цифр, определяющих высоту изделия в десятых долях мм.

Что касается буквенных обозначений, то здесь используются следующие универсальные для всех форм АКБ сочетания:

• ICR — кобальт;
• NCR — никель и кобальт;
• IMR — марганец;
• INR — никель и марганец.

	ICR	INR	IMR	NCR	IFR
Катод (материал)	LiCoO2 (LCO)	Li(NiCoMn)O2 (NCM)	UMn2O4 (LMO)	Li(NiCoAI)O2 (NCA)	LiFePO4 (LFP)
Температура (max)	150°С	210°С	250°С	150°С	270°С
Ток разряда	1С	1С, 2С	ЮС	1С	25С — 40С
Циклы	500- 1000	1000 — 2000	300 — 700	>500	1000-2000
Напряжение (max)	4.25В	4.25В, 4.35В	4.25В	4.25В	3.65В
Напряжение (номинал)	3.6В, 3.7В	3.6В, 3.7В	3.6В, 3.7В, 3.8В	3.6В	3.2В, 3.3В
Напряжение (min)	2.5В, 2.75В	2.5В	2,5В (глубокий разряд менее 2,0В)	2.5В, 2.75В	2.0В

Важно учитывать, что указанные характеристики — примерные. К примеру, при толщине защитной платы в 3 мм, толщина наружного покрытия может оказаться больше, чем у других вариантов АКБ. Это нужно, если стоит задача по подбору аналога для конкретного вида аккумуляторной батареи.

Ещё один вид li-ion АКБ — батареи типа “Крона” с напряжением 9В, 12В, 24В, 36В и 48В.

Характеристики литий-ионной батареи

Параметры li-ion аккумуляторов зависят в первую очередь от элементов, которые используют в составе батареи. Несмотря на это, основные характеристики находятся в пределах определённых диапазонов:

• напряжение:
  • номинальное – 3.7 В;
  • макс. – 4.2-4.35 В;
  • мин. – 2.5-3 В;
• энергоемкость – 110-243 Втч/кг;
• сопротивление – 5-15 Ом/Ач;
• время скорого заряда – 15-60 минут;
• рабочие температуры — -20-60 градусов.

Преимущества

Основное преимущество литий-ионного источника питания перед другими — высокий уровень энергоёмкости. Кроме этого, li-ion батареи имеют длительный срок эксплуатации и крайне низкий уровень саморазряда.

Эффект памяти у батарей такого типа практически отсутствует или крайне низок. Литий-ионный аккумулятор рассчитан на значительный диапазон рабочих температур, что позволяет его использовать в почти любых погодных условиях.

Li-ion АКБ самодостаточны и не требуют дополнительного обслуживания в период работы.

Недостатки

Как и в первые годы после выхода на рынок, так и сейчас литий-ионные батареи считаются не самым надёжным источником питания. Из-за особенностей протекания химических реакций, существует высокий риск вздутия и выхода из строя АКБ, а также самовозгорания или взрыва во время эксплуатации.

Хотя такой тип аккумулятора подходит для работы в условиях низких температур, но во время эксплуатации батареи при температуре ниже нуля, её ёмкость значительно падает.

Недостатки литий-ионной батареи могут быть частично купированы. Например, сейчас на некоторых аккумуляторах устанавливают специальные платы контроля, которые помогают предотвратить взрывы и самовозгорания в критических ситуациях.

После появления данного типа АКБ были выпущены более совершенные варианты литиевых батарей. При этом работа над усовершенствованием литий-ионных устройств продолжается. Это позволяет предположить, что со временем недостатки источника питания могут быть купированы полностью.

Сфера использования li-ion АКБ

Литий-ионные батареи могут отдавать накопленное электричество почти полностью и при этом способны работать при температуре ниже нуля. Кроме этих двух характеристик есть ещё одна, которая также определяет широкий круг сфер, где используют аккумуляторы данного типа. Литий-ионные батареи рассчитаны на примерно 3000 циклов заряда-разряда, то есть, они имеют длительный срок службы. При всех перечисленных выше плюсах, стоит учитывать относительно небольшой вес батареи в сравнении с аналогами.

В некоторых сферах li-ion батареи практически не имеют конкурентов. Например, их используют:

• в качестве стартерных батарей;
• в качестве тяговых устройств;
• в бытовых приборах с высокой мощностью.

Литиевые батареи используют в качестве стартерных в автомобилях. Каждый год выпускают новые более совершенные виды батарей. В условиях конкуренции литий-ионные батареи держатся за счёт сравнительно невысокой цены. Единственное “но” — li-ion батареи не используют в северных регионах, так как они наименее эффективны в условиях низких температур.

В качестве тяговых устройств аккумуляторы используют, потому что они легко переносят глубокий разряд. Например, такие элементы питания устанавливают на лодочных электромоторах. При условии, что мощность двигателя не слишком большая, одного заряда может хватить для почти 6 часов непрерывной работы. Литий-ионные батареи устанавливают, в том числе, на электропогрузчики, которые рассчитаны для работы в закрытых помещениях с плюсовой температурой.

Li-ion АКБ используют в бытовых устройствах вместо стандартных батарей. Обычно такие аккумуляторы имеют напряжение от 1,5 до 3,7 В. Бытовые устройства с высокой мощностью быстро расходуют заряд солевых батареек, чего не скажешь про литий-ионные источники питания, которые имеют более длительный срок эксплуатации.

Кроме этого, аккумуляторы часто можно встретить в железнодорожном, водном транспорте, а также в космический и военной технике.

Литий-кобальтовые батареи (с маркировкой ICR) широко используют для питания мобильной электроники, например, мобильных телефонов или цифровых видеокамер.

Правила эксплуатации li-ion АКБ

Литий-ионные источники питания служат долго и эффективно отдают заряд, но только при условии правильной эксплуатации и хранения.

Есть ряд правил, которых крайне важно придерживаться во время использования li-ion аккумуляторов:

• нельзя допускать полного разряда батареи;
• нельзя допускать избыточного заряда устройства:
  для зарядки и работы литий-ионного аккумулятора нужно напряжение около 3,6 В. Зарядные устройства обычно подают около 4,2 В. Если держать батарею на зарядке слишком долго, в корпусе могут развиться опасные электрохимические реакции, в результате чего батарея перегреется и выйдет из строя;
• зарядка батареи должа быть двухступенчатой:
  на первом этапе зарядка аккумулятора происходит на постоянном токе, а на втором этапе — постоянным напряжением с постепенным понижением тока. Современные зарядные устройства чаще всего осуществляют процесс заряда именно таким способом. Кроме того, в случае с современными аккумуляторами при превышении напряжения выше определённого уровня, процесс зарядки останавливается.
• нельзя допускать длительной работы при минусовой температуре:
  при работе в таком режиме значительно снижается ёмкость батареи.

Срок службы батареи при неправильном использовании сокращается с 3000 циклов заряда-разряда до 300 циклов, то есть в 10 раз.

По данным статистики, почти любая батарея способна выдержать около 500-1000 циклов зарядки в условиях полного разряда, что как минимум в три раза меньше срока службы в “идеальных условиях”.

ВАЖНО: срок службы устройства можно значительно увеличить, если не допускать полного разряда, а следить за тем, чтобы всегда оставался минимальный процент заряда. Не менее 15%.

Длительность эксплуатации одной батареи может достигать 10 лет при соблюдении основных правил эксплуатации. Срок службы зависит также от типа устройства и типа конкретного аккумулятора.

Зарядка батареи

Современные зарядные устройства оборудованы индикаторами заряда, благодаря которым очень удобно следить за тем, чтобы аккумулятор не стоял слишком долго на зарядке. Но если такой индикатор отсутствует, то подходящее время заряда можно высчитать по следующей формуле:

T = 1.4*Y(мА*ч)/X (мА), где:

• T — время зарядки;
• Y — ёмкость аккумулятора;
• X — ток зарядки;
• 1,4 — коэффициент теплоотдачи.

В среднем время заряда батареи может занимать от 4 до 20 часов. Держать АКБ на зарядке дольше 20 часов не рекомендуется.

Как проверить источник питания

Самый простой и быстрый способ, с помощью которого можно проверить уровень заряда литий-ионной батареи, — использовать мультиметр.

Сделать это можно двумя способами:

1. Проверка без нагрузки. При показателях от 1,35В и выше можно говорить о полной исправности элемента.
2. Проверка с нагрузкой позволяет точнее отбраковать накопители с низким напряжением. Для этого необходимо проводить измерение при функционирующем элементе питания.

Как восстановить литий-ионную АКБ

Хотя срок службы li-ion аккумулятора достаточно большой, рано или поздно он истечёт. В определённый период совершенствования конструкции литий-ионного аккумулятора было решено добавить защитную плату. Её основная функция — предотвратить возгорания и выход батареи из строя. Кроме этого, контроллер, встроенный в плату, предотвращает перезаряд и переразряд элемента.

Если ослабить работу контроллера, то можно продлить срок службы батареи. Сделать это можно несколькими способами.

Первый способ

Этот способ часто считают сомнительным. В то же время, положительных отзывов о нём крайне много.

Аккумуляторную батарею помещают в морозильную камеру примерно на полчаса. Затем сразу после извлечения источник питания ставят на зарядку. Спустя пять минут батарею необходимо отключить от зарядки и оставить, чтобы она нагрелась до комнатной температуры.

Данный способ рассчитан в первую очередь на ослабление работы контроллера, который может блокировать работу батареи спустя большое количество циклов зарядки.

ВАЖНО: после этой процедуры контроллер работает неполноценно, поэтому шанс самовозгорания и выхода из строя батареи повышается.

Второй способ

Этот вариант также направлен на то, чтобы ослабить контроль защитной платы. В данном случае подразумевается полное отключение платы.

Сначала нужно тестером измерить напряжение на аккумуляторной батареи. Показатели должны быть равны нулю.

Затем нужно осторожно отключить защитную плату, которая припаяна к клемам полюсов. После этого можно снова измерить напряжение. Показатель должен увеличиться примерно до 2,5 В.

После этого li-ion батарею можно поставить на зарядку. Желательно, чтобы была возможность регулировать ток во время зарядки. Параметры должны быть следующими:

• ток — 100 мА;
• напряжение — 4,2 В.

Батарею следует оставить на зарядке на 10 минут. После этого защитную плату можно поставить обратно и продолжить использовать АКБ в обычном режиме.

Как хранить аккумуляторную батарею

Литий-ионные аккумуляторы нетребовательны в вопросах хранения. У них низкий показатель саморазряда — около 10-15% в год. Эта характеристика может меняться под воздействием внешних факторов.

Если нужно оставить li-ion батареи на длительный срок хранения, то крайне важно убедиться, что условия в помещении оптимальны.

Основные требования к помещению:

• низкая влажность;
• отсутствие сильных вибраций;
• отсутствие риска ударов;
• отсутствие источников открытого огня и высокой температуры;
• температура в помещении должна быть в пределах 5-25 градусов.

ВАЖНО: аккумуляторную батарею следует хранить отдельно от устройства. Перед отправкой на хранение АКБ нужно зарядить до максимума.

Минимальное напряжение, при котором не будут образовываться внутренние коррозионные процессы равно 2,5 Вольт на 1 элемент. Учитывая малый саморазряд таких батарей, хранить таким образом аккумулятор можно в течение нескольких лет, но в течение этого срока всё равно неминуемо произойдёт уменьшение ёмкости элемента.

Особенно негативно влияет на состояние li-ion АКБ любая влага.

Правильная утилизация батареи

Литий-ионные батареи, как и аккумуляторы других типов, нужно утилизировать отдельно от прочих видов отходов. Батарейки содержат вещества, которые могут быть опасны для здоровья и для окружающей среды.

Категорически не рекомендуется разбирать батареи самостоятельно. Это не поможет продлить срок службы, но может привести к опасным последствиям. Например, едкий электролит может попасть в дыхательные пути или на слизистую.

Существует специализированные пункты приёма данных отходов. В крупных городах они расположены обычно в торговых центрах. Информацию о местоположении таких пунктах в конкретном городе можно найти в интернете.

ИНТЕРЕСНО: за старые литиевые аккумуляторы можно получить денежное вознаграждение во время сдачи элемента в специализированном пункте приёма. Это связано с тем, что в старых аккумуляторах использовали дорогостоящие материалы.

Значительная часть литий-ионной батареи пригодна для переработки и последующего изготовления новых элементов питания.