Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

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.

Устройство и принцип работы

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

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.

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.

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.

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.

Характеристики

А теперь посмотрим, какими характеристиками обладают типовые литиевые батареи:

1. напряжение одного аккумулятора, В:

• номинальное – 3.7;
• максимальное – 4.2;
• минимальное – 2.5;

2. энергоемкость, Вт*ч/кг – 110-270 (зависит от химического состава);
3. внутреннее сопротивление мОм*Ач – 4-15 (зависит от химического состава);
4. число циклов заряд/разряд до 20% потери электрической емкости – 600;
5. время заряда, ч:

• оптимальное – 3-4;
• максимально возможное – 1;

6. саморазряд, % в месяц – 1.5 (зависит от температуры хранения);
7. ток нагрузки относительно емкости С:

• оптимальный – до 1С;
• максимальный – 5С;
• в импульсе – 50С;

8. рабочая температура, градусы Цельсия (°C):

• оптимальная — 23;
• минимальная — -20;
• максимальная — +60;

9. срок хранения литиевой батареи, лет – 2-5 (в зависимости от условий хранения);
10. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Какой аккумулятор лучше литий ионный или литий полимерный?

Характеристики и особенности литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Сравнение литиевых и свинцовых аккумуляторов

Из чего состоит и как работает солнечная батарея

Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы