Литий-ионные (Li-ION) аккумуляторы: виды, типоразмеры, сфера применения

На протяжении не одного десятка лет устройствами, которые обеспечивали работу разного рода механизмов и автономных объектов, считались кислотные аккумуляторы.

Несмотря на многие превосходства такие батареи имели и недочеты: в аппаратах с большим потреблением электроэнергии их нельзя было использовать. Также не допускалось использование в закрытых, непроветриваемых помещениях.

Но время не стоит на месте, и на смену старого всегда приходит что-то новое. Так мало-помалу возникли литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Они стали качественнее своих предшественников, а значит, и надежнее.

Имея некоторые дефекты, им присущи минимум негативных качеств. Подробности ниже.

Все (+) и (-) литий-ионных аккумуляторов

В 70-ом году прошлого века о Li-ion АКБ стали известны. Чтобы повысить уровень электроэнергии, в такую батарею устанавливался анод лития.
Благодаря ему эксплуатация изделия увеличивалась, но возникала другая проблема: при перегревании катода могло произойти воспламенение аккумулятора.

Спустя определенный период времени этот дефект был заменен ионами металла, существенно снизив опасность возгорания батареи.

Литий-ионные аккумуляторы и ныне пользуются немалой популярностью у покупателей. Они испытаны временем, число зарядов/разрядов по циклу у них многочисленно.

Обладая слабым «эффектом памяти» и легким весом, аккумуляторы li-Ion обретают свою нужность во многих портативных и автономных устройствах. К примеру, li-ion-ные батарейки для техники быту, источники для тяги электроэнергии с высокой эффективностью.

Присутствуют у литий-ионных батареек и свои изъяны, которые в принципе могут легко компенсироваться умением накапливать энергию, благодаря высокой плотности.

Перечислим некоторые из них:

• относительно дорогие;
• продолжительные разряды губительны для них;
• работают хуже в жару;
• при температурах со знаком «минус»могут сойти на нет («погибнуть»);
• при нарушении герметичности становятся взрывоопасными;
• теряют емкость как при перегреве, так и при использовании на морозе.

Этапы эксплуатации аккумулятора

Как и у каждого электронного устройства, источники питания имеют свой жизненный путь. Чтобы они служили как можно дольше без необходимости замены, нужно следовать правилам корректной эксплуатации на каждом из этапов. Их несколько:

• Первичный цикл заряда-разряда.
• Повседневная эксплуатация.
• Хранение.
• Утилизация.

При поступлении к пользователю аккумулятор стоит подвергнуть нескольким последовательным полным разрядам и зарядам. Так можно настроить контроллер внутри на оптимальные параметры и существенно продлить срок использования. Для этого нужно, не подзаряжая, полностью опустить уровень заряда к значению, близкому к нулю, а после его зарядить. Повторять такой процесс лучше не более трёх-четырёх раз. В последующих случаях батарее будет наноситься только вред.
При повседневной работе лучше не допускать снижения уровня ниже пятнадцати — двадцати процентов. Заряжая, не стоит оставлять устройство подключённым к сети на ночь. Тогда батарея находится под постоянным дежурным напряжением, что снижает время её жизненного цикла.

Использование некачественных зарядок тоже может сильно сократить срок жизни аккума. При их изготовлении применяются некачественные электротехнические материалы, что приводит к несоответствию указанных характеристик с реальными.

Например, если напряжение, выдаваемое зарядником, будет превышать норму хотя бы на 5%, неизбежна постепенная потеря ёмкости. То же касается и силы тока, который поступает на модули. Проверить эти параметры можно любым мультиметром. Для этого зарядное устройство вставляется в розетку, а к плюсовому и минусовому пинам на его конце прикладываются щупы измерительного прибора.

Измерительный прибор должен быть выставлен в режим до 20 вольт переключателем на корпусе. Если результат в пределах нормы, тогда тревожиться не стоит. В других ситуациях — например, когда при заявленных 5 вольт выдаётся 5,1−5,2, такое устройство лучше не использовать. От него у батареи неминуемо произойдёт деградация ёмкости.

Правильно определять полярность пинов на разъёме зарядника не требуется: даже если она будет перепутана, на экране просто высветится значение со знаком минус. Больше проблем может доставить именно их поиск. Для того чтобы безошибочно определить два пина, отвечающие за питание, нужно переключиться в режим «звонилки», то есть измерения сопротивления с сигналом при коротком замыкании. Нужно пройтись по всем пинам последовательно: пара, при которой мультиметр издаёт писк, и есть искомые контакты.

Рекомендуем: Как определить, где плюс и минус у аккумулятора 18650 Li-Ion

Производство литий-ионных аккумуляторов

Принцип изготовления Li-Ion АКБ происходит поэтапно:

• сначала изготавливаются электроды;
• затем они объединяются в батарею;
• далее устанавливается плата и защита;
• потом ставится батарея в корпус;
• заливается электролит;
• тестируется АКБ и отправляется на зарядку.

Для того чтобы изделие стало невероятно высокого качества и не подводило впоследствии своей работы, необходимо строго соблюдать все этапы технологии производства, а также не забывать о мерах предосторожности в процессе работы.

В качестве электрода (-) в li-ION-ном аккумуляторе выступает фольга, поверхность которой покрыта веществом из Li.

В зависимости от того, для каких целей предназначена Li-ионная аккумуляторная батарея, в нее будут входить следующие Li-Ion соединения:

В «пальчиковых(АА)» и «мизинчиковых(ААА)» АКБ катод (-) находится в форме рулона и отделен от анода (+) с помощью сепаратора.

При большой площади отрицательного электрода, покрытого тоненькой пленкой, энергоемкость батареи становится значительно выше.

Особенности хранения

Не секрет, что практически все литиевые аккумуляторы подвергаются постоянной деградации. Этот необратимый процесс начинается непосредственно со снятия батареи с конвейера. За год усердной работы емкость АКБ может снизиться вплоть до десяти процентов, если учесть несоблюдение базовых правил эксплуатации и хранения.

Интенсивность деградации определяется многими факторами, включая степень заряженности и температуру ОС.

Если допускать повышение температурного режима до 40−50 градусов Цельсия, то деградация будет невероятно быстрой. Наиболее оптимальный рабочий режим — 0−10 градусов. Однако найти такие показатели в домашней обстановке проблематично. Поэтому лучше всего хранить оборудование при комнатной температуре и средней заряженности.

Также важно избегать попадания прямых солнечных лучей на батарею, а раз в шесть месяцев проводить глубокую разрядку и зарядку аккумулятора.

Учитывая специфику конструкции, не стоит самостоятельно разбирать аккумулятор и пытаться восстановить его. Только при наличии соответствующих навыков и опыта можно выполнить такую работу. Однако важно помнить о технике безопасности и не забывать использовать перчатки и защитные очки.

Правильный уход за литиевыми аккумуляторами — залог их долгой и надежной работы.

Как работают и что находится внутри литий-ионных аккумуляторов

Рабочая деятельность аккумулятора Li-ion заключается в следующем:

• электроток подается на контакты АКБ? и катионы лития начинают двигаться в сторону электрода (+);
• когда батарея начинает разряжаться, ионы лития покидают электрод (+) и переходят в диэлектрик на глубину до пятидесяти нанометров.

Количество таких циклов у батареек данного типа может быть до трех тысяч. И в каждом из них аккумуляторная батарейка может спустить почти весь электроток, который был накоплен во время заряда.

Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные АКБ находят широкое применение в разного рода бытовых устройствах, в электромобилях, планшетах и других видах современных гаджетов.
Также существуют промышленные Li-Ion АКБ, обладающие большой емкостью и высоким напряжением. Ниже в таблице приведем примеры более востребованных на рынке аккумуляторных батарей:

Помимо АКБ в форме цилиндра, существуют и другие формы изделий. К таковым относятся: «Крона» с U=9 Вольт и более мощные промышленные аккумуляторы с U=12 V , U=24 V , U=36 V , U=48 V.

Маркировка на корпусе аккумуляторов гласит об элементах, которые добавлены в данную батарею.

Например:

• если стоит ICR, значит, аккумулятор содержит кобальт;
• маркировка IMR означает добавление марганца в состав;
• INR — говорит о никеле с марганцем в АКБ;
• NCR — оповещает о «порции» никеля и кобальта в батарее.

Не только размер и химические добавки отличают друг от друга литий-ионные аккумуляторы, но и емкость с напряжением. Именно они помогают определить для какого электрического прибора изготовлена батарея.

Старение

Старение литий-ионных аккумуляторов вызвано окислением элементов. Они теряют способность накапливать ионы лития, необходимые для протекания электричества. На окисление клеток влияют разные факторы. Например, температура и состояние заряда аккумулятора. Окисление элементов происходит особенно быстро при высоких температурах и при полностью заряженной батарее. Это часто возникает с ноутбуками, когда аккумулятор полностью заряжен, и в то же время устройство работает и активно нагревается.

Если вы хотите долго использовать литий-ионный аккумулятор, вам следует заряжать его чуть больше половины. Оптимальный уровень заряда составляет от 50% до 80%.

Если литий-ионный аккумулятор должен храниться в течение длительного времени, необходимо регулярно проверять уровень заряда. Литий-ионные аккумуляторы следует заряжать каждые 3-4 месяца, чтобы избежать их полной разрядки. Если напряжение в ячейке ниже 2 вольт, она может быть разрушена.

Уход за аккумулятором

Химические изменения в электролите и окисление электродов являются основными причинами старения. Литий-ионные батареи теряют емкость через 2–3 года. Бережное обращение увеличивает срок службы литиевой батареи:

• Избегайте температур выше 40 C;
• Избегайте полной зарядки и разрядки;
• Заряжайте аккумулятор не более 90 процентов его емкости.

Если вы обращаетесь с батареей с должной осторожностью, срок ее службы может быть увеличен с 3 до 4-5 лет.

Применение аккумуляторов Li-ION

Литий-ионные элементы питания незаменимы там, где возникает потребность полной отдачи электричества батареей, при ее немалом количестве циклов (заряд/разряд), не снижая емкости изделия.
В преимуществе выступает значительно небольшой вес АКБ. А значит, и применение свинцовых решеток такому устройству не потребуется.

Тщательно изучив, все (+) и (-) стороны работы литий-ионных аккумуляторов, рассмотрим область их применения:

1. В стартерных батарейках. Аккумуляторы li-Ion с большой скоростью дешевеют. Все это происходит от того, что на рынке с каждым днем выпускаются более совершенные АКБ. Они-то и являются главным источником снижения в цене их предшественников. Стоимость новинок обычно высокая, ( что сильно бьет по карману любителей поездок с ветерком). Основным пробелом литий-ионных аккумуляторов является падение мощности при t˂20, в результате чего использование их в районах Крайнего Севера становится непрактичным.
2. Для аппаратов тяги. Литий-ионным аккумуляторам свойственно переносить разряд глубокого действия, поэтому эксплуатация их в качестве источника тяги для электромотора в лодке будет уместным. При небольшой мощности двигателя одного заряда такой АКБ хватит не менее чем на шесть часов рыбалки (либо простого лодочного путешествия). Li-ION-ные аккумуляторы применяют для погрузочной техники, которая используется в закрытом пространстве (например, для электроштабелеров, электропогрузчиков).
3. Для оборудования, используемого в быту. Многие бытовые устройства вместо традиционных батареек применяют литий-ионные. У таких АКБ U=3,6 Вольт (3,7 Вольт). Однако, встречаются и такие, которые могут с легкостью заменить даже солевую либо щелочную батарейку с U=1,5 Вольт.

А если рассмотреть модели с U=3 Вольт, например у «15270» или «CR2», то такой тип АКБ сможет заменить и две стандартные батарейки. Подобные аккумуляторы обычно используются в более мощных электроприборах, т.е там, где простая солевая батарейка их заменить не сможет (из-за быстрой разрядки).

Как уберечь Li-ионный аккумулятор, поставив его на хранение?

Перед тем как поставить на хранение литий-ионный аккумулятор, надо соблюсти некоторые последовательные правила-пункты:

1. Правило 1. Не влажное и не жаркое место – лучший метод хранения АКБ.
2. Правило 2. Извлеките элемент питания из электроприбора.
3. Правило 3. Обязательно зарядите изделие перед тем, как поставить его на консервацию. Чтобы не произошла коррозия элементов внутри, минимальное U=2,5 V на один элемент.

Саморазряд литий-ионных АКБ невысок, поэтому за его хранение можно не переживать в течение многих лет. Однако следует помнить при этом, что емкость изделия будет потихоньку тоже снижаться.

Характеристики

В эксплуатации литий-ионного аккумулятора опираются на его технические параметры. К основным характеристикам батарей данного типа относят:

• Плотность энергии – измеряется в Вт*ч/кг, для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего, находится в пределах от 90 до 120.
• Удельная мощность – определяет количество энергии в единице веса, составляет порядка 1 – 1,8 кВт/кг.
• Процент саморазряда – определяет количество растрачиваемой аккумулятором энергии за период времени. Для литий-ионных моделей составляет 2 – 3% в месяц. При условии нахождения батареи в комнатной температуре саморазряд составляет только 7% в год.
• Допустимый диапазон температур – для литий-ионных аккумуляторов, чаще всего составляет от — 30 до +50°С, но в некоторых моделях может варьировать в пределах от – 60 до +70°С.
• Число циклов – указывает количественное выражение для возможности разряда и последующего заряда до выхода литий-ионного аккумулятора со строя. В зависимости от модели и конструктивных особенностей составляет от 2 до 5тысяч циклов. А при 0,5 – 1 тысяче, как правило, теряется порядка 20% начальной емкости.
• Минимальное и максимальное напряжение – для литий-ионных аккумуляторов наименьшая величина составляет в пределах 2,2 – 2,5В, а наибольшая составляет 4,25 – 4,35В.
• Время заряда – при оптимальном режиме составляет около 2 – 4 часов.

Переработка литий-ионных элементов питания

Li-Ion батареи содержат в себе вредные для жизни вещества, поэтому дома не стоит их даже пытаться разбирать. Когда срок службы АКБ закончился, ее необходимо утилизировать.

Для этого и существуют специальные приемные пункты по сбору, просрочившихся либо негодных батарей. За такую услугу можно получить вознаграждение в денежном эквиваленте.

И это не фантазии! Любое литий-ионное изделие содержит в себе не дешевый элемент, который после переработки оживет и будет числиться на рабочем посту дальше.