Литиевые батарейки или долговечные источники питания

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток разновидностей, каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Li-ion батареи

Литий-ионные аккумуляторы — это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

Устройство аккумулятора

Практически любой современный li lon аккумулятор имеет особую конструкцию, которая отличается абсолютной непроницаемостью и герметичностью. Причём подобное требование к производству батареек продиктовано недопустимостью вытекания электролита, который находится внутри, ведь именно он обеспечивает стабильную работу устройства.

Помимо этого, в литий-ионных батарейках в роли отрицательного электрода выступает алюминий, в то время как в качестве положительного электрода работает медь. При этом аноды и катоды могут быть изготовлены практически в любой форме, хотя на практике чаще всего они встречаются в форме цилиндра или продолговатого прямоугольника, обёрнутого в фольгу. Аккумулятор имеет простое устройство:

• Конструкция таких аккумуляторов может изготавливаться в двух основных вариантах: цилиндрическом и призматическом. В цилиндрическом исполнении сепараторный пакет и электроды устройства сворачиваются в рулон, а затем помещаются в специальный корпус, который может делаться из стали или алюминия. Корпус соединяется с отрицательным электродом, а через изолятор выводится положительный полюс батарейки прямо на крышку устройства. Что касается призматического варианта аккумулятора, то он производится путём складывания друг на друга плоских прямоугольных пластинок.
• На медной фольге находится анодный материал, а на алюминиевой — катодный материал. Они разделяются при помощи пористого сепаратора, пропитанного электролитом.
• Электроды, помещённые в аккумуляторный пакет, устанавливаются в прочный и герметичный корпус, в то время как катоды и аноды плотно присоединяются к специальным клеммам, предназначенным для снятия тока и обеспечения надёжного контакта с частями электроцепи (токосъёмник).
• Сразу же под крышкой аппарата размещаются дополнительные устройства. Например, одно — для регулирования увеличения сопротивления, а второе — для разрыва электросвязи между катодом и клеммой. Помимо этого, в аккумулятор может быть встроен специальный предохранитель, который позволяет сбрасывать сильное давление в случае нарушения условий эксплуатации прибора.
• Чтобы увеличить уровень безопасности в процессе использования устройства, батарейка li ion может быть оснащена внешней электронной системой защиты. Благодаря этому элементу исключается вероятность перегрева устройства, замыкания или чрезмерной перезарядки батарейки.

Чаще всего АКБ производятся в призматическом исполнении, поскольку такие устройства больше всего подходят для современных гаджетов наподобие мобильных телефонов, планшетов или ноутбуков.

LTO батареи

Литий-титанат (титанат лития) — это относительно новый класс литий-ионных АКБ — (подробнее читайте тут). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

• Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
• Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
• Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
• Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
• Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
• Срок годности: >10 лет
• Саморазряд: 2-5 %/месяц
• Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
• Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
• Температура: от -40 до +55°C
• Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

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: Программа для проверки аккумуляторной батареи ноутбука

Li-Polymer батареи

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

• Номинальное напряжение: 3,7 В
• Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
• Ток заряда, скорость: 0.2-10С
• Предельное напряжение разряда: 2.5 В
• Скорость разряда: до 50С
• Выносливость в циклах: 400 циклов

LiFePO4 батареи

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Типы литиевых батарей

Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:

• Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.
• Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокой

  мощности, достаточно безопасный, однако характеризующийся не слишком большой емкостью. Их чаще всего поставляют в качестве комплектующих электровелосипедов: как горных, так и складывающихся. Подобные решения имеют небольшой вес, демонстрируют отличную скорость зарядки, но отличаются не слишком большой долговечностью. Впрочем, совсем недавно ученые сумели совместить литий-марганцевые конструкции с литий-никель-марганец-кобальтовыми, получив, в результате, более продвинутую батарею с хорошей энергоемкостью и продленным сроком службы.

• Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи.. В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ — хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
• АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
• Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.

• Литий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур — главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.

  Читайте также:  Эксплуатация электрических систем - Качество электрической энергии

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания. Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2. Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

Li-SO2 батареи

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) — эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

• Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
• Чрезвычайно низкий саморазряд
• Работоспособность в экстремальных условиях
• Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) — такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Очень стабильное напряжение разрядки
• Более чем 10-ти летний срок хранения
• Рабочая температура: -40 до +60°С

Дальнейшее развитие

При работе с анодом появлялись многочисленные проблемы, т. к. при зарядке и осаждении лития создавалась поверхность с высокой активностью. При этом химический элемент оставался на поверхности катода, превращаясь в дендриты. В конечном итоге появлялась пассивная пленка, обволакивающая частицы лития и нарушающая взаимодействие с основным элементом. Вскоре этому процессу даже дали название — инкапсулирование.
За счет такой реакции, после определённого количества циклов, электроды теряли рабочие характеристики и теряли оптимальный температурный баланс внутри батареи. При этом в определённый промежуток времени элемент приобретал температуру плавления лития, и реакция становилась неконтролируемой.

Из-за этого, в начале 90-ых годов прошлого столетия, большинство выпускаемых моделей были возвращены обратно производителю. Речь идет о самых первых источниках питания, которыми оснащались мобильные девайсы. В те времена частота случаев взрыва телефона во время разговора была очень высокой. Упоминаются факты об обжигании лица человека и более серьезных последствиях. Кроме повышенной пожароопасности такие элементы вызывали короткое замыкание.

Учитывая сложившуюся ситуацию, исследователи стали искать более оптимальные решения и пытались найти выход из ситуации. Изначально они начали развивать метод обработки поверхности катода, пытаясь избежать образования дендритов введением в электролит всевозможных добавок. Учеными достигались большие успехи, но полностью решить проблему не удалось — до сегодняшнего дня.

Li-SOCL2 батареи

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Долгий срок годности при хранении
• Широкий температурный диапазон
• Хорошая герметизация
• Стабильное разрядное напряжение