Литиевые батарейки

Аккумуляторы Ni-MH.

Тестировались аккумуляторы с паспортной ёмкостью более 2000мАч. Сейчас их стоимость порядка 3-5$, то есть сравнима с литиевыми батарейками. У Ni-MH аккумуляторов есть существенный недостаток – высокий ток саморазряда. За неделю их заряд падает на 10-20%, за месяц на 30%, за год – в ноль. Поэтому использовать их для слабых токов с длительным по времени разрядом бессмысленно. Но сейчас появилось новое поколение Ni-MH аккумуляторов – так называемые Ready-to-Use. Они имеют низкий ток саморазряда и продаются уже заряженными. За год такие элементы теряют всего 15-30% заряда. В тесте участвуют 3 таких аккумулятора, и выделены внизу в отдельную группу.

при морозе -15 емкость падает на 30%, также аккумуляторы портятся при заряде на морозе.

Условия эксплуатации и хранения:

— не подвергать глубокому разряду (держать заряд на уровне минимум 20%);

— не оставлять на длительное хранение разряженную батарею.

— не подвергать воздействию температур ниже  -20°C и повышенных температур;

— хранить и использовать при комнатной температуре.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

• высокая энергетическая плотность;
• отсутствие эффекта памяти;
• длительный срок эксплуатации;
• низкий показатель саморазряда;
• отсутствие необходимости обслуживания;
• обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

• риск самовозгорания;
• более высокая, чем у предшественников, стоимость;
• необходимость наличия встроенного контроллера;
• нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

Достоинства и недостатки литиевых батарей

Как и любое электрическое оборудование батарейки на основе лития имеют плюсы и минусы в процессе применения. К достоинствам относятся:

• низкий уровень самостоятельного разряда;
• высокая емкость заряда;
• повышенное значение рабочего напряжения аккумуляторных батарей;
• можно ли зарядить литиевую батарею – да;
• высокая надежность;
• просты в применении.

К недостаткам причисляют:

• Повышенную стоимость. Сложная конструкция аккумуляторов, состоящих из батарей. Невозможность использования без контроля за показателями напряжения и тока. В качестве защиты устанавливают контроллер.
• Наступление срока службы с первого дня изготовления. С течением времени элемент теряет свои полезные свойства.
• Пагубное влияние широкого диапазона перепада температур применения.

Разница между щелочными и литиевыми элементами питания

При выборе между алкалиновыми и литиевыми батарейками следует учитывать условия, при которых они будут использоваться.

Важно помнить, что для приборов и аппаратов в которых необходимо питание повышенной мощности, а также если присутствует вероятность возникновения импульсных токов следует использовать элемент питания либо аккумуляторы на основе реакций лития. Нет необходимости приобретать взамен несколько алкалиновых

Напротив, оборудование, где нет импульсных потреблений повышенной мощности обычно применяют щелочные элементы.

Заряжать или не заряжать литиевые батарейки

При покупке необходимо обратить внимание на маркировку указывающую возможность многократного перезаряда. Обычно на элементе указывается надпись «rechargeable», что значит перезаряжаемая

Отсутствие соответствующих указаний на корпусе говорит об одноразовости батарейки. Приобретение заряжаемых элементов может значительно сэкономить затраты на покупку запаса из одноразовых.

В их конструкции зарядных устройств используются средства контроля и защиты. Заряд протекает в два этапа и занимает время от 3 до 8 часов.

Появление литиевых элементов значительно упростило использование переносных приборов и аппаратов с отдельным питанием. Соблюдение правил эксплуатации, хранения и перезарядки таких батареек надолго сохранит их работоспособность и срок службы.

https://www.youtube.com/watch?v=_H_fnTY7ut4Video can’t be loaded because JavaScript is disabled: Всё про литиевые аккумуляторы 18650 (https://www.youtube.com/watch?v=_H_fnTY7ut4)

Маркировки батареек

Согласно стандарту IEC (Международная электротехническая комиссия), маркировку гальванических источников тока делают исходя из состава электролита и активного металла, применяющихся в их конструкции.

По этой классификации существует 5 самых распространенных типов круглых (цилиндрических) батареек: солевые, щелочные, литиевые, серебряные и воздушно-цинковые. Буква R в их обозначении означает круглую форму (от английского round).

Солевые батарейки (R). Имеют катод из цинка, анод из диоксида марганца и электролит из хлоридов аммония и цинка. Они обеспечивают напряжение 1,5 вольта, имеют небольшую емкость, высокий саморазряд и низкий срок хранения (до 2-х лет). При низких температурах они неработоспособны.

Солевые батарейки самые дешевые и имеют посредственные технические характеристики. В обиходе их также называют цинк-карбоновыми и угольно-цинковыми.

Литиевая и Щелочная батарейка

Щелочные батарейки (LR). Имеют катод из цинка, анод из диоксида марганца и электролит из гидроксида щелочного металла. Они имеют напряжение 1,5 вольта, увеличенную емкость, низкий саморазряд и большой срок хранения до 10 лет. Они сохраняют работоспособность при низких температурах до -20 градусов.

Эти источники тока недороги, в обиходе их еще называют алкалиновыми и щелочно-марганцевыми.

Литиевые батарейки (CR). Имеют катод из лития, анод из диоксида марганца и органический электролит. Они имеют напряжение 3 вольта, большую емкость, малый саморазряд и большой срок хранения до 10-12 лет. Они сохраняют работоспособность при низких температурах до -40 градусов. Эти источники тока довольно дороги.

Серебряные батарейки (SR). Имеют катод из цинка, анод из оксида серебра и электролит из гидроксида щелочного металла. Они имеют напряжение 1,55 вольта, высокую емкость, малый саморазряд и длительный срок хранения до 10 лет. Они сохраняют работоспособность при низких температурах до -30 градусов. Как правило, применяются в часах. В обиходе их также называют серебряно-цинковыми.

Воздушно-цинковые элементы (PR). Имеют катод из цинка, анод из кислорода и электролит из гидроксида щелочного металла.

Эти источники тока являются самыми чистыми с точки зрения экологии, благодаря чему широко используются в специальных медицинских устройствах, но имеют самый малый срок эксплуатации (несколько недель после вскрытия упаковки). Они имеют среднюю стоимость, имеют напряжение 1,2-1,4 вольта и очень высокую емкость (больше, чем у литий-ионных элементов в 2-3 раза), сохраняют работоспособность при температурах от -20 до +35 градусов.

Самые лучшие АКБ

Иногда спрашивают о том, какие Li Ion АКБ являются самыми современными. В последнее время широко рекламируются элементы Ultimate lithium от Energizer именно как лучшие литиевые батарейки последнего поколения. Они были разработаны для бытовых приборов с высоким уровнем потребления энергии (мощные фонари, фотокамеры, большие говорящие игрушки для детей). Рекламщики утверждают, что Ultimate lithium — это даже не аккумуляторы, а «элементы, которые никогда не нужно будет перезаряжать» — вследствие того, что их мощности хватает больше, чем на 12 лет.

Конечно, такое утверждение — всего лишь рекламный ход, и заряжаются эти АКБ обычным образом. Однако показатели их работы, действительно, очень высоки:

• способность выдерживать большие температурные перепады;
• работают при самых низких температурах —  -40-60°С;
• самые легкие среди других литиевых аналогов;
• высокая емкость — 3000 А;
• утверждается, что срок их службы может достигать 15 лет.

На фото — литиевый аккумулятор Ultimate lithium.

Как выбрать литиевую батарейку

Массивный ассортимент создаёт сложность выбора. Для покупки хорошей литиевой батареи рекомендуется:

• Смотреть срок годности. Чем «свежее» батарейка, тем лучше её потребительские характеристики. Не рекомендуется покупать элементы питания «про запас».
• Проверить целостность упаковки. Наличие механических повреждений на корпусе ИП, разрыв транспортировочного блистера, следы влаги, грязи, свидетельствуют о том, что товар транспортировался, хранился с нарушением установленных правил.
• Читать маркировку. Невнимательность к силе тока, полярности, других характеристикам может привести к поломке устройств, куда устанавливается литиевая батарейка;
• Читать отзывы, рейтинги. Не всегда информация, заявленная производителем на этикетке, соответствует действительности. Чтобы не попасться на рекламную уловку, купить качественную литиевую батарейку, читайте информационные материалы в интернете.
• Стоимость. Покупая литиевую батарейку учитывайте, что она дороже алкалиновых аналогов, но обладает лучшими потребительскими свойствами.

Как выбрать батарейки для слухового аппарата?

С приходом старости многие люди страдают снижением слуха. Что бы повысить слух люди покупают специальные аппараты. Источником энергии для этих аппаратов служат таблеточные батарейки.

Что бы сделать правильный выбор ушной батарейки нужно следовать следующим советам:

• Какая батарея на данный момент находится в аппарате
• На всякий случай вытащить ее и взять с собой в магазин
• Батарею желательно выбирать с цинком
• Приобретайте источник энергии в надежном и проверенном месте

Почему специалисты советуют именно цинковые батарейки для слуховых аппаратов? Дело в том, что они обеспечивают постоянное напряжение весь срок службы. За один год саморазрежение составляет 2%.

Каждая подобная батарея оснащена специальным отверстием, защищенным от попадания воздуха пленкой. После покупки человек снимает пленку и активируется химическая реакция. Вставлять элемент питания в прибор нужно через 3 минуты, после того как убрали пленочку.

Цинковые элементы питания способны выдержать резкие перепады от громких звуков к тихим.

Техника безопасности

Как уже было сказано, нельзя допускать перегревания литий-ионных аккумуляторов, например, оставлять гаджеты с ними на солнце или в местах, где возможно воспламенение. Не следует самостоятельно вскрывать такой элемент питания и пытаться их восстанавливать — техника восстановления никель-кадмиевых элементов к ним не должна применяться. Также следует покупать аккумуляторы только у проверенных производителей, чтобы не приобрести «паленые» батарейки, в которых может отсутствовать защитная плата.

Правильная эксплуатация и зарядка обеспечат то, что батарейки будут служить исправно и не потеряют своей емкости в течение долгого времени.

https://youtube.com/watch?v=1js9Mw46ZSQ

Роль защитной платы

Большую роль в предотвращении перегрева и воспламенения батарейки играет встроенная внутрь каждого элемента защитная плата. Она предотвращает короткие замыкания, переразряд и перезаряд, но главное — возможный перегрев. Безусловно, все литиевые элементы от надежных и проверенных производителей оснащены такой платой, на которой находятся клеммы элемента.

На фото: защитная плата литий-ионного аккумулятора.

Любая плата имеет шестиуровневый контроллер заряда-разряда, который всегда отключит АКБ от нагрузки в том случае, если она полностью разрядилась или, наоборот, если уровень ее заряда достигает показателя в 4,25 вольт.

Виды и принцип работы

В основе работы полимерного АКБ лежит процесс перехода некоторых твердых полимеров в состояние полупроводника при смешивании их с частицами лития, тем самым в несколько раз увеличивается проводимость. Теоретические разработки подразумевают повышение энергетической плотности батарей с li ion и li pol электролитами. На сегодняшний день выделяется несколько типов li pol аккумуляторных батарей:

• при добавлении в состав полимерных солей лития получают гелеобразный электролит;
• сухой вид получают при смешивании солей лития с полиэтиленоксидом;
• микропористые изготавливают на основе растворов солей металла лития при отсутствии воды.

Тем не менее следует помнить, что при пониженных температурах существенно понижается ионная проводимость твердого электролита, в этом li polimer уступает жидкому. Перед разработчиками встала задача по поиску материалов при использовании которых расшириться диапазон рабочих температур и увеличиться проводимость вещества. Таким материалом стал литий полимерный электролит, которые по своим полезным свойствам не уступают жидкому.

Существуют некоторые модели элементов питания, в которых был получен твердый анод. В таких аккумуляторах получилось добиться расширенного диапазона температур, а также роста проводимости. Такие элементы широко применяются для питания многих видов техники и приборов.

В ходе множества экспериментов и исследований было доказано, что данный вид элементов питания является наиболее безопасным, это выделяет отличие полимерных от литий ионных аккумуляторов. Наличие твердого вещества не позволяет электролиту вытекать и разрушаться при механическом воздействии, а также при появлении токов короткого замыкания. Возможность создания моделей с максимально малой толщиной, позволила создавать стационарное оборудование компактной величины.

Аккумуляторы с твердым электролитом li pol по своим некоторым свойствам и составу близки со своими предшественниками. Однако внедрение в их состав гелеобразной составляющей снизило собственное сопротивление и увеличило скорость ионообменных реакций.

Хранение и утилизация АКБ Li-ion

Саморазряд батарей на основе лития совсем небольшой, по сравнению с другими типами устройств, а если обеспечить правильные условия для хранения, то можно свести его к минимуму.

Идеальные условия для хранения литиевых АКБ:

• низкий уровень влажности;
• отсутствие вибраций и другого механического воздействия;
• максимальная отдалённость от источников тепла или открытого огня;
• температура в помещении 5-25 °C;
• заряд батареи выше 40%.

Даже с учётом всех правил, аккумулятор всё равно будет медленно терять часть ёмкости.

Температура хранения, °С	При 40 % заряда, потеря % за 1 год	При 100 % заряда, потеря % за 1 год
2	6
25	4	20
40	15	35
60	25	до 40 % за три месяца

Литий-ионные аккумуляторы нельзя просто выбросить в мусор. Правильная и сознательная утилизация таких батарей, предполагает сдачу их в специальные организации по переработке

Это важно, так как большую часть материалов от неисправных АКБ, используют для изготовления новых устройств

Типы литиевых аккумуляторов

Класс литий-ионных аккумуляторов содержит большое количество типов элементов, различающихся материалами, их которых изготовлены электроды батарей. Хотя в основе электрохимии Li-ion лежат схожие процессы (перенос ионов лития от анода к катоду и обратно) потребительские свойства аккумуляторов различаются, и иногда отличия ярко выражены.

Литий-железофосфатные элементы

Наиболее перспективное направление развитие литий-ионных технологий. Катод выполняется из фосфата железа (FePO₄). В классе Li-ion элементов литий-железофосфатные аккумуляторы выделяются:

• способностью работать при более низких температурах;
• особенно низким саморазрядом;
• пониженной склонностью к деградации при старении;
• увеличенной токоотдачей;
• повышенной толерантностью к глубокому разряду;
• повышенной энергетической плотностью.

Главный плюс подобных литиевых аккумуляторов — повышенный срок службы. Некоторые производители заявляют период эксплуатации на уровне 5000..7000 циклов, что превосходит ресурс остальных типов батарей. При этом надо понимать, что эти цифры реальны только при соблюдении дополнительных условий – неполная зарядка и разрядка, температурный режим и т.п.

Батарея из LiFePO4 для источника бесперебойного питания

К достоинствам относят и стабильность выходного напряжения в течение всего цикла разрядки – оно держится в районе 3,2 В при уровнях запаса энергии от 100% и почти до 0%. Это позволяет сэкономить на преобразователях-стабилизаторах. Но имеется и обратная сторона. Стабильность выходного напряжения затрудняет определение остаточного заряда, что вынуждает применять более сложные и не очень точные алгоритмы.

Разрядные кривые литий-железофосфатных элементов

Литий-полимерные элементы

Направление создания литий-полимерных аккумуляторов (липолей) – использование вместо жидкого электролита твердой пленки. Это дает много преимуществ (повышенную энергоёмкость, возможность создания батарей любых форм и т.п.), но разработчики ведущих фирм только на пути к этой цели. Образцы подобных элементы уже созданы, но для широкого применения пока непригодны. В быту литий-полимерными аккумуляторами называют элементы с загущенным до гелеобразного состояния электролита, выполненного на основе полимеров, или аккумуляторы с ячеистым полимерным сепаратором, заполненным жидким электролитом.

Li-Po элемент для мобильного телефона

Рекомендуем узнать: Что лучше литий полимерный или литий ионный аккумулятор

Литий-титанатные элементы

В качестве материала для анода используется нанокристаллический пентатитанат лития. Это дает просто космические преимущества:

• недосягаемый для других элементов жизненный ресурс до 2000 циклов;
• повышенный ток разряда до 10С;
• сверхнизкое внутреннее сопротивление;
• возможность работать при низких температурах;
• прочие плюсы.

Литий-титанатный элемент питания

Как зарядить литиевые батарейки?

По сути батарейки зарядить нельзя особенно если на них есть надпись do not recharge. Если ваш элемент аккумуляторного типа, то подзаряд идет по следующей схеме.

Заряд происходит в 2 этапа.

1. Постоянным тока с параметрами 0.2-0.5 С. Буква «C» означает емкость. Так как в батарею встроена защитная плата напряжение на холостом ходу не должно быть более 7 вольт. Когда уровень напряжения поднимется до отметки в 4.2 V это означает что элемент питания подзарядился на 80%.
2. Подзарядка выполняется постоянным U. Показатель уровня тока должен быть снижающимся. ЗУ должно поддерживать напряжение на уровне 4,1-4.2 V. Так же оно регулирует ток, который постепенно падает. Когда он упадет до 0,05-0,01 C процесс зарядки можно завершить. На этом этапе аккумулятор полностью добирает емкость до 100%.

Желательно использовать зарядник с показателями напряжения.