AkbInfo.ru
информационный сайт об аккумуляторах
Вконтакте Facebook Twitter Лента RSS

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.

 

История возникновения, развитие и особенности

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.

История возникновения литиевых аккумуляторов


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.

Разные виды литиевых батарей

Разные виды литиевых батарей



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.

Подбор материалов для литиевых АКБ продолжался долго


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.

Вернуться к содержанию
 

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.

Устройство литиевого аккумулятора

Устройство литиевого аккумулятора



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.

Вернуться к содержанию
 

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.
Вернуться к содержанию
 

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.

Этапы зарядки литиевого аккумулятора

Этапы зарядки литиевого аккумулятора



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.

Зарядка литиевых батарей


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.
Вернуться к содержанию
 

Хранение

Постоянная деградация литиевого аккумулятора – это одна из проблем этого типа АКБ. Деградация стартует в момент выхода АКБ с конвейера и выражается в постепенной потере ёмкости. Это потеря составляет около 10% в год и добавляется к стандартной потере ёмкости в результате эксплуатации. Помните, что даже если литиевая батарея не используется, процесс старения в ней всё равно идёт.

Скорость деградации при хранении зависит от степени заряженности аккумулятора и температуре ОС. Температура выше 40─50 градусов противопоказана, поскольку приводит к ускоренной деградации батареи. Наилучшей температурой является 0─10С. Но такой режим в домашних условиях обеспечить сложно. Поэтому часто рекомендуют хранить литиевые аккумуляторы при комнатной температуре и степени зарядки 30─50%. Нужно следить за тем, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи и рядом не было источников тепла. Раз в полгода аккумулятор следует подзаряжать.

Вернуться к содержанию
 

Безопасность

В виду очень высокой активности лития не рекомендуется разбирать аккумуляторы без соответствующих навыков. Если все же собираетесь этим заняться, то руки защищайте перчатками, а глаза защитными очками. Помните, что при малейшем замыкании электродов литиевый аккумулятор воспламеняется. Не вздумайте тушить его водой. При взаимодействии с литием пойдет бурная химическая реакция и даже взрыв.

По соображениям безопасности с 1 апреля 2016 года был введен запрет ICAO на перевозку сочли в самолетах АКБ литий─ионного типа. Запрет будет действовать до тех пор, пока для них не будет создана огнестойкая упаковка. Запрет на перевозку касается только аккумуляторов, которые перевозятся самолётом в качестве груза. Запрет не действует в отношении литиевых батарей, вставленных в телефон, ноутбук, фотоаппарат и т. п.

ICAO ─ это международная организация гражданской авиации. Раньше эта же организация ввела запрет на батарейки с электродами из металлического лития, используемыми во многих часах. Запрет обязателен для исполнения во всех странах, которые входят в ICAO. В том числе, и для России.
Вернуться к содержанию
 

Утилизация

Эти аккумуляторные батареи имеют тяжёлые металлы и другие элементы, которые опасны для здоровья человека и животных, а также окружающей среды.

Поэтому литиевые АКБ обязательно нужно утилизировать и просто так их выкидывать нельзя. Отходы, которые содержатся в литиевых аккумуляторах можно отнести ко второму классу опасности. Кроме того, из-за наличия в своём составе активного лития, эти батареи не раз становились причиной пожара на свалках и пунктах складирования мусора.

Утилизация отработанных литиевых АКБ


К счастью, на сегодняшний день есть все необходимые технологии и оборудование для обезвреживания и утилизации Li─Ion и Li─Pol аккумуляторов.

В общем виде процесс утилизации аккумуляторов включает в себя два основных этапа:

  • Извлечение и нейтрализация электролита;
  • Сортировка твёрдых веществ (металл, пластик) и их измельчение.

Чтобы иметь представление, можете прочитать про утилизацию автомобильных аккумуляторов. В России рынок переработки отходов в целом и утилизация литиевых аккумуляторов постепенно развивается. Сдавать свои литиевые батарейки можно в пунктах приёма таких отходов или своём управлении ЖКХ.
Вернуться к содержанию
 

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Плюсы

  • высокая энергетическая плотность (а значит, более высокая ёмкость), если сравнивать со щелочными аккумуляторами с использованием никеля;
  • небольшой саморазряд;
  • Достаточно большое напряжение одного аккумуляторного элемента (3,6 вольта у Li и 1,2 вольта у Ni─Cd и Ni─MH). Это делает конструкцию проще. Как правило, литиевые АКБ для телефонов и планшетов имеют в своей конструкции всего одну банку. Но для обеспечения той же мощности, требуется отдавать более высокую силу тока. Это, в свою очередь, требует небольшого внутреннего сопротивления аккумулятора;
  • Простая эксплуатация, поскольку отсутствует «эффект памяти». Поэтому периодические тренировки элементов не требуются.

Вернуться к содержанию
 

Минусы

  • Этот тип аккумуляторов не может работать без встроенного контроллера. Это повышает стоимость АКБ. Контроллер необходим для контроля за напряжением во время зарядки и разрядки. Также в его функции входит ограничение токов заряда и разряда плюс контроль температуры;
  • Деградация аккумулятора идёт даже при его хранении. Производители об этом не распространяются, но вам необходимо помнить при покупке, что «часики литиевой АКБ тикают» с момент её производства на конвейере;
  • Стоят дороже никель─кадмиевых и никель─металлогидридными;
  • Сохраняют свои свойства в узком температурном интервале. Жара и холод для них губительны.


Вот и всё о литиевых аккумуляторах. Основные виды этих батарей будут рассмотрены в других статьях. Надеемся, что материал был для вас полезен. Голосуйте в опросе ниже, добавляйте статью в социальные закладки и оценивайте материал! Дополнительно можете прочитать про виды аккумуляторов для автомобилей.
Вернуться к содержанию

Примите участие в опросе!

А вы используете литиевые аккумуляторы?

Результаты голосования

Загрузка ... Загрузка ...


 

Видеоматериалы по теме

Автор статьи
Алексей Прохоров:обратная связь
Оцените статью!
ОтвратительноПлохоТак себеХорошоЗамечательно (голосов: 4, в среднем: 4,50 из 5)
Загрузка...
Поделиться в социальных сетях!
  • Литевые тоже могут большой ток разрядный выдавать. На них даже некоторый электроинструмент переделывают.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *




Вы находитесь: Литиевые аккумуляторы
Подписка
Введите Ваш email
 
Поставьте эту галочку, если хотите отписаться от рассылки.
Рассылка приходит раз в месяц и содержит последние материалы на сайте, которые могут быть вам интересны. Если Вы хотите отписаться от рассылки, то ведите email и поставьте галочку при отправке формы.
Задать вопрос
В форме ниже вы можете задать вопрос по аккумуляторам. Мы постараемся дать на него развёрнутый ответ. Если набирается много вопросов по какой-то тематике, то по ней публикуется статья. То есть, задавая вопрос, вы предлагаете темы будущих статей для сайта. В сообщении обязательно указывайте электронную почту, на которую можно прислать ответ.
 
Поставьте эту галочку, если Вы человек.
© 2015 - 2016 Информационный сайт об аккумуляторах Akbinfo.ru
Копирование материалов разрешено только при установке активной ссылки на наш сайт!!!