Литий-ионные Li-ion аккумуляторы разных конструкций.
В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин применялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 года в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита.
Графитовые пластины позволяют обеспечить более плоскую характеристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графитовыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда. Они меньше нагреваются и обладают меньшим саморазрядом.
Устройство литий-ионного Li-ion аккумулятора в цилиндрическом корпусе.
В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «прощают» ошибки при эксплуатации.
Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более низкая стоимость сырья, чем для производства батарей с литие-кобальтовыми пластинами.
Процесс заряда литий-ионного Li-ion аккумулятора.
Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батарей на основе свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.
Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защиты, встроенная в корпус батареи, ограничивает пиковое напряжение на каждом элементе в процессе заряда и предупреждает падение напряжения ниже допустимого значения при разряде.
Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи. Обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают образование металлического лития при перезаряде, опасность вентиляции с выбросом пламени или взрыва.
Порядок зарядки
Li-ion аккумуляторы заряжаются в несколько шагов. Рассмотрим их.
Подготовка
Нужна, если напряжение на АКБ ниже некоторых запрограммированных параметров. И длительное хранение в бездействии, и активная эксплуатация приводят к саморазрядам.
Малые зарядные токи создают условия для постепенного выхода электродов повышенной активности на оптимальные в плане показателей напряжения уровни.
Подготовительный режим продлевает сроки службы элемента питания. Его рекомендуют применять для зарядки при низких температурах среды.
Первичный малотоковый заряд также гарантирует максимальную безопасность для АКБ. Если внутри батареи случилось микрозамыкание, напряжение в течение некоторого времени будет только увеличиваться.
Данное явление будет границей нормы или показателем неисправности, так что нужен дополнительный тест.
Сразу большой ток не пускают, чтобы не было чрезмерного разогрева и разгерметизации. Это опасно для всей системы, несмотря на наличие датчика температур, – он срабатывает не так оперативно, как резко прыгают температурные значения.
Функция малотокового заряда обычно возлагается не на зарядку, а на батарею СОФ. В схемах СОФов предусматривается резервный транзистор MOSFET, который управляет зарядом, ограничивает подключенный к АКБ ток.
Первый этап
Тут зарядка идет с номинальными значениями силы тока, зависящими от заданной емкости батареи. Потребители часто экономят время, делая ускоренную зарядку.
Чтобы не навредить устройству, нужно соблюдать рекомендации производителя.
Соответствующие значения, предельно допустимые параметры вы найдете в технической документации. Учитывайте, что чем больше зарядный ток, тем меньше батарея «наберет» емкость и тем пристальнее придется отслеживать разогрев для предотвращения перегревов.
Зарядка Li-ion элементов питания
При значительном токе заряда увеличивается время второго этапа (о нем мы расскажем далее), ток начинает падать до заданных значений.
У каждого элемента питания существует определенное сопротивление: если текущий показатель упадет ниже допустимого, конечное зарядное напряжение будет достигнуто быстрее.
По мере достижения конечного напряжения заряд перейдет на следующий этап – падение силы тока. Аккумулятор начнет «набирать» и терять емкость.
Номинальные и ускоренные режимы чередовать нужно обязательно, в особенности при зарядке батарей сложно наборного состава.
При номинальных показателях тока увеличивается длительность заряда. Продление продолжительности процедуры обеспечивает оптимальную балансировку АКБ.
Чем больше будет значение времени балансировки, тем лучших значений достигнут показатели емкости элементов питания. В результате батарея начнет отдавать близкую к номинальной при разрядке емкость.
Второй этап
Осуществляется при стабильных значениях напряжения, постоянно падающем токе. Процесс будет считаться завершенным в случае установления зарядного тока на отметках в 0.1-0.05 Сн.
Период зарядки падающими токами определяется с учетом времени работы, числа циклов по полной зарядке и разрядке. По завершении процесса номинальный ток упадет, достигнув равновесных значений.
Не держите батарею длительное время на конечном напряжении – когда начнется фаза падающих токов, остановите заряд.
Производство литий-ионных аккумуляторов может сразу осуществляться с учетом указанных параметров. Бренды выпускают на рынок полностью готовые к применению решения по схемотехнике, реализуют прописанные алгоритмы зарядки, помещая микросхемы в единый корпус. Самой часто используемой микросхемой является MC34063 на 12–24 В.
Финальный стэнд-бай этап
Применяется в тех случаях, когда АКБ должен быть в зарядном и находиться в состоянии полной эксплуатационной готовности.
Кратковременные подзаряды нужны для компенсации незначительных и неизбежных саморазрядов. Зарядка сработает тогда, когда показатель напряжения в сети резко упадет до отметки в 4,05 В на батарею, выключение произойдет при 4,20 В.
Зарядки, предназначенные для эксплуатации в режиме постоянной готовности либо ожидания, позволяют напряжению падать вплоть до 4,0 В из расчета на одну батарею, а уровень заряда повышать строго до 4,05, а не 4,20.
Соблюдение всех указанных выше этапов способствует продлению срока службы АКБ.
Химический состав и принцип работы литий-ионного аккумулятора
Как видно из названия, литий-ионные батареи используют ионы лития для выполнения работы. Литий является очень легким металлом с высокой плотностью энергии, это свойство позволяет батарее иметь небольшой вес и обеспечивать высокий ток с небольшим форм-фактором. Плотность энергии – это количество энергии, которое может храниться в единице объема батареи, чем выше плотность энергии, тем меньше будет батарея. Несмотря на подавляющие свойства металлического лития, его нельзя использовать в качестве электрода непосредственно в батареях, поскольку литий крайне нестабилен из-за своей металлической природы. Следовательно, мы используем литий-ионы, которые более или менее обладают таким же свойством, что и металлический литий, но они неметаллические и сравнительно безопаснее в использовании.
Обычно анод литиевой батареи изготовлен из углерода, а катод батареи изготовлен из оксида кобальта или другого оксида металла. Электролит, используемый для соединения этих двух электродов, будет представлять собой простой солевой раствор, содержащий ионы лития. При разряде положительно заряженные ионы лития движутся к катоду и бомбардируют его, пока он не станет положительно заряженным. Теперь, поскольку катод заряжен положительно, он притягивает к нему отрицательно заряженные электроны. Эти электроны заставляют течь через электронную цепь, таким образом питая эту цепь.
Аналогично, во время зарядки происходит обратное. Электроны от выводов заряда попадают в батарею и, следовательно, ионы лития движутся к аноду, заставляя катод терять свой положительный заряд.
Разновидности аккумуляторов
Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:
- Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
- Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
- Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
- Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
- Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
- Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.
↑ Зарядные устройства для литиевых аккумуляторов
У китайцев можно заказать по почте с бесплатной доставкой модули зарядных устройств. Модули контроллера зарядки TP4056 с гнездом мини-USB и защитой можно взять очень недорого .
А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.
↑ Схема простого зарядного устройства на LM317
Схема с применением LM317 обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2. Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).
Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx. Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax. Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.
LM317 надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.
↑ Схема простого зарядного устройства на LTC4054
Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности. Ток заряда до 800 мА. Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт. Индикация заряда. Защита от КЗ на выходе. Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°). Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.
Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле
Плюсы и минусы
Основным плюсом Li-ion аккумуляторов, определяющим удобство их эксплуатации в бытовых приборах, является практическое отсутствие эффекта памяти. Это означает, что их можно заряжать в любой момент, независимо от остаточного уровня энергии. У других типов аккумуляторов эффект памяти выражен более или менее отчетливо. Это означает, что заряжать их можно только после полного разряда, в противном случае снижается ёмкость. Литий-ионным источникам питания отсутствие этого недостатка дает невиданные преимущества в плане бытового использования.
К прочим плюсам Li-ion элементов относят:высокую энергоёмкость (в тех же габаритах ёмкость получается выше);низкий саморазряд (меньше внимания требуют при хранении);повышенный допустимый ток заряда (быстрее заряжаются).Имеются и минусы:пониженная токоотдача;не очень высокий ресурс – от 500 циклов зарядки и разрядки до 1200 циклов (у новых типов);деградация, не зависящая от условий эксплуатации и ограничивающая срок службы;повышенная цена (в том числе, из-за необходимости применения устройств защиты);плохая работа при низких температурах;чувствительность к перезаряду или к глубокому разряду;повышенная пожароопасность.
Устранение последнего недостатка – главная цель разработчиков химических источников тока. За последнее время в этом направлении достигнуты большие успехи, но полностью опасность не исключена.
Современные Li-ion элементы загораются редко, но, если это случилось, тушить их крайне затруднительно. В них содержатся все реагенты для поддержания горения, и гасить пламя обычными способами, перекрывая доступ кислорода, неэффективно. А тушить водой просто опасно – она вызывает реакции, усиливающие горение.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем. 
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Можно ли починить вздутую батарею
На эту тему в Интернете есть большое количество популярных статей и даже видео типа «Восстанавливаю вздувшиеся батареи простым способом». Далее следует описание или съемка процесса разборки АКБ, протыкание ее иголкой или шилом с целью «выпустить газы», чтобы затем вставить аккумулятор обратно в телефон.
К сожалению, незадачливые авторы подобных видео и публикаций не объясняют людям, почему аккумулятор вздулся, а смело приступают к весьма сомнительным действиям, которые могут быть небезопасными как для человека, так и для устройства, в которое помещается такая батарея.
Вздутие АКБ может произойти как вследствие нарушения химических процессов внутри нее по причине заводского брака, так и по вине владельца гаджета, если эксплуатация была неправильной.
Если, к примеру, дешевый аккумулятор вздулся по причине дефекта при его изготовлении, следует задуматься, проверенным был производитель, и в следующий раз лучше приобрести батарею по более высокой цене, но с гарантией качества.
Также батареи вздуваются при попадании влаги внутрь, что, чаще всего, происходит по неосторожности владельца телефона или планшета. Если при зарядке телефона использовать неподходящее устройство, АКБ рано или поздно вздуется по причине высокого уровня тока, из-за которого нарушается скорость химических процессов внутри нее
Если телефон рассчитан на ток в 1А, зарядку с подачей тока в 2А использовать уже нельзя. Как альтернативу можно взять устройство с меньшим, но никак не с большим показателем тока — в случае, если «родная» зарядка утеряна, либо вышла из строя.
Использование АКБ в жарких климатических условиях тоже может стать причиной ее вздутия. Нельзя оставлять полностью заряженный телефон на жаре, а если батарея по каким-либо причинам вздулась, ее следует не разбирать и протыкать, а утилизировать и заменить на новую.
Как вам статья?
Мне нравится2Не нравится
Как восстановить Li-ion аккумулятор
Несмотря на то, что срок службы многих современных АКБ достаточно долгий, приходит время, когда заряд любого химического источника тока истощается. Емкость падает, и АКБ уже не может работать долго и исправно. Особенно, если разряженный источник питания долго хранился без подзарядки. Существует несколько распространенных способов вернуть его к жизни. Восстановленная батарея будет работать недолго, но это поможет выиграть время до ее замены.
В Интернете описываются самые неожиданные и порой абсолютно нелогичные методы восстановления Li-Ion АКБ. Например, есть статьи о том, что можно эффективно раскачивать батарею, если заряжать и разряжать ее несколько раз подряд. Безусловно, это миф, и применять такой «способ» не стоит. Также на одном из популярных форумов описывается реальный жизненный пример о том, как один человек раскачивал батарею, положив ее в холодильник. Она вздулась до огромных размеров и лопнула после того, как была изъята из морозилки — естественно, от перепада температуры.
На серьезный вопрос о том, как действительно раскачать заново батарею сотового, можно дать простой и ясный ответ: взять любую аккумуляторную зарядку с напряжением 5-12 В и резистор сопротивлением от 330 Ом до 1 килоОм. Схема подключения предельно проста: «минус» источника питания подсоединяется к «минусу» аккумулятора, а «плюс» — к «плюсу, через резистор. Теперь нужно включить зарядное устройство в сеть и регулярно проверять рост напряжения с помощью мультиметра в течение 10-15 минут. Напряжение постепенно растет, и при достижении его числа приблизительно в 3,31 В телефон «находит» батарею и принимает ее.
Раскачка Li-ion, отключенного контроллером, с быстрым приведением АКБ в рабочее состояние тоже возможны. В данном случае, при замерах текущего напряжения его показатель будет равен около 2,5 В. Аккумулятор «жив» и может еще поработать некоторое время, хотя, на первый взгляд, он выглядит почти разряженным. Восстанавливаем его так: для этого понадобятся «народный зарядник» Imax B6 и мультиметр. У АКБ отпаивается защитная схема, она подключается к Imax. А как проверить напряжение — уже понятно: оно всегда контролируется мультиметром.
Раскачиваем АКБ максимально осторожно. Программа заряда ставится на Li-Po, режим зарядки выбирается в зависимости от вида АКБ: для Li-ion — 3,6 В, либо 3,7 В для Li-pol
Важно: в процессе восстановления выставить параметр Autо — без него запуск не начнется по причине низкого заряда АКБ. Значение тока выбирается с помощью кнопок «+» и «–»
1 А — это самый безопасный и оптимальный ток для раскачки.
Когда напряжение достигнет 3,2-3,3 В, АКБ начнет свою полноценную работу.
Не допускайте перегрева
Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.
Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.
При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.
Испорченный литий ионный аккумулятор
То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.
Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.
Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.
Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.
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.
