Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Аккумуляторы

На сегодняшний день литий-ионный аккумулятор (lithium ion battery) является едва ли не основным источником питания для автономных устройств и всевозможных гаджетов. Они стоят в смартфонах и телефонах, питают планшетные ПК и ноутбуки. На таких батареях ездят даже электромобили. В этой статье мы разберемся в принципе работы этих широко распространенных аккумуляторов, узнаем, как они устроены и чем отличаются от батарей другого типа.

Немного истории

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

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

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

Устройство и принцип работы

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

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Цилиндрический литиевый аккумулятор типоразмера 18650

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

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

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

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Конструкция цилиндрического Li-ion аккумулятора

На рисунке цифрами обозначены:

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

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

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Батарея мобильного телефона

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

Процесс зарядки
Процесс зарядки литиевого аккумулятора

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

Процесс разрядки
Процесс разрядки батареи

Характеристики

А теперь посмотрим, какими характеристиками обладают типовые литиевые батареи:

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

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

Особенности использования

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

Как заряжать

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

  1. Если батарея сильно разряжена, зарядка идет напряжением 2.9 В и током 0.1С (десятая часть емкости).
  2. При достижении напряжения 2.9 В на клеммах АКБ зарядный ток увеличивается до 0.4-0.3С.
  3. Как только элемент зарядится до 3.9-4.0 В, ток снова снижается до 0.1-0.05С, и зарядка продолжается, пока напряжение на клеммах не достигнет 4.2 В.
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Важно! Литиевые элементы могут поддерживать режим быстрой зарядки током 1С, но злоупотреблять таким режимом не нужно – он сокращает срок службы аккумулятора.

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

Контроллер заряда
Контроллер заряда Li-ion аккумуляторов, встроенный прямо в элемент

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

Можно ли разряжать полностью

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

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

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

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

Отчего может взорваться

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

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

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

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

Как соединять в аккумуляторные батареи

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

Литиевая батарея
Литиевая батарея с увеличенной емкостью – все элементы соединены параллельно

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

  1. Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии.
  2. Все элементы должны иметь встроенный контроллер. Если они без контроллеров, то необходимо использовать внешний, способный обеспечить необходимый ток для одновременной зарядки всех аккумуляторов.
контроллер
Этот контроллер в состоянии обеспечить ток заряда в 3 А

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

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Литиевая батарея из последовательно соединенных элементов

Здесь тоже существуют определенные правила:

  1. Все аккумуляторы должны иметь одинаковую емкость и желательно быть из одной партии.
  2. Вместо контроллера необходимо использовать специальную BMS плату, которая будет контролировать состояние каждого элемента в отдельности. Причем плата должна быть рассчитана на нужное количество элементов (ячеек).
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Схема батареи из четырех ячеек с BMS платой

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

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

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?
Схема батарей типа 3S, 3S2P и 3S3P

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

Подведем итоги — преимущества и недостатки

Итак, мы выяснили, что собой представляют литиевые аккумуляторы. Осталось разобраться в их достоинствах и недостатках.

Начнем с достоинств:
Энергоемкость. Такое количество энергии при довольно скромных размерах не может запасти ни один другой тип аккумуляторов.
Отсутствие эффекта памяти. То есть, если постоянно не до конца заряжать и не до конца разряжать литиевый элемент, его емкость не пострадает, как, скажем, у никель-кадмиевых элементов, которые необходимо периодически «тренировать».
Рекордно низкий саморазряд. За месяц хранения литиевый элемент разрядится всего на 1.5-2%. Для сравнения: саморазряд никель-кадмиевого аккумулятора составляет до 10% в месяц.
Из недостатков хотелось бы отметить следующие:
Относительно небольшой срок хранения. 2-3 года – это не очень много. Поэтому покупать литиевые батареи впрок смысла нет. Они выйдут из строя одновременно с теми, которые, по идее, должны были заменить.
Высокая стоимость. Это самый дорогой тип аккумуляторов, хотя, впрочем, это окупается большой энергоемкостью.
Пожаро- и взрывоопасность. Как было отмечено выше, при нарушении условий эксплуатации литиевые элементы могут устроить пожар, а то и взорваться.
Не допускают глубокого разряда и перезарядки. В принципе, эта проблема решается использованием специального контроллера, но удорожает всю конструкцию.

На этом, пожалуй, разговор о литий-ионных аккумуляторах можно закончить. Теперь мы знаем, что у них внутри, как они работают и чем отличаются от перезаряжаемых элементов других типов.

Читайте далее:
Акумы.ру
Добавить комментарий

Adblock
detector