Литиевые батарейки или долговечные источники питания

Использование

При эксплуатации следует выделить 2 главных момента, которые необходимо соблюдать.

Зарядка:

Параллельная зарядка LiPol аккумуляторов

Нужно правильно заряжать Li-Pol аккумулятор, чтобы он прослужил долгое время, не потеряв ёмкости. Происходить зарядка должна при постоянном напряжении около 4.2V. Можно выделить 2 основных типа зарядок: универсальная и предназначенная для одного вида аккумуляторов. Какой лучше заряжать?

Отвечая на этот вопрос нужно сказать, что универсальная стоит дороже, но она выводит всю информацию на дисплей, и позволяет максимально упростить процесс зарядки. Более дешёвые аналоги с возможностью заряжать только один тип, можно отнести, к более практичным – но все действия приходится делать вручную. А самой главной проблемой является то, что отслеживать заряд придётся самостоятельно, что не всегда удобно.

Нюансы эксплуатации:

Правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор — ещё не все требования, которые необходимо соблюдать. Существует целый ряд особенностей, которые нужно соблюдать при использовании Li-Pol аккумулятора:

Литий-полимерный Li-pol

• Нельзя заряжать выше нормы;
• Недопустимо замыкание;
• Не должен нагреваться выше 60 градусов Цельсия;
• Нельзя вскрывать;
• Недопустим разряд, меньше 3 V;
• Необходимо использовать подходящую зарядку;
• Нельзя подвергать батарею ударам;
• Хранить в разряженном состоянии нельзя.

Li─Pol аккумулятор

Не нужно сажать батарею «в ноль». Если для новой батареи это безвредно, то на батарее, которая уже служит некоторое время, это может привести к падению напряжения менее 3 V, и выходу аккумулятора из строя.

Если ёмкости различаются между собой более, чем на 15-20% — заряжать их нужно, используя специальные рекомендации.

Если не следить за перегревом батареи – она может вздуться, и прийти в негодность.

При использовании в условиях мороза батарею лучше всего держать в тепле, до момента, пока она будет вставлена в устройство. Это поможет повысить эффективность и продолжительность работы.

Основные виды

Существует две разновидности аккумуляторов. Они отличаются между собой системой безопасности в процессе эксплуатации:

Защищённые батарейки отличаются тем, что они имеют встроенную плату — контроллер заряда устройства, который оснащён важными функциями: предохраняет от замыкания, не даёт устройству превысить допустимые нормы силы тока в процессе зарядки, и защищает его от глубокого заряда (перезарядки).
Что касается незащищённых литий-ионных батареек, то они менее безопасные и менее практичные, чем защищённые

С такими аккумуляторами всегда нужно бережно обращаться и вести себя крайне осторожно, чтобы избежать его взрывания или поломки. Малейший перепад напряжения или неправильная эксплуатация может быстро вывести батарейку из строя.

https://youtube.com/watch?v=C5Et4xRRihc

Разряд литиевого аккумуляторов 18650 и высокотоковые аккумуляторы

Разряд литиевых аккумуляторов с номинальным напряжением 3.7В рекомендуется осуществлять током в пределах 1С, но некоторые виды аккумуляторов можно разряжать током 2C и даже 10C. Максимальный ток разряда литиевого аккумулятора 18650 зависит от его химического состава.

По величине максимальной токоотдачи литиевые аккумуляторы разделяют на высокотоковые аккумуляторы и обычные аккумуляторы. К высокотоковым аккумуляторам относятся INR и IMR. INR аккумуляторы поддерживают ток разряда до 2C, IMR аккумуляторы до 10C.

Если взять обычные литиевые аккумуляторы с током разряда 1C, то у них есть ощутимая зависимость отдаваемой емкость от тока разряда, что связано с их внутренним сопротивлением и способностью быстро отдавать заряд. Если посмотреть график ниже, где отображаются характеристики аккумулятора Panasonic NCR18650B при разряде разными токами, то видно, чем больше ток разряда, тем меньше отдаваемая емкость при отсечке на уровне напряжения 3В.

Если рассмотреть характеристики разряда высокотокового аккумулятора, которые можно посмотреть на графике ниже, то видно, что отдаваемая емкость изменяется незначительно от величины разрядного тока. Это достигается за счет низкого внутреннего сопротивления, и другого химического состава, который позволяет быстрее отдавать заряд. Емкость таких аккумуляторов 18650 как правило ниже.

Если взять для примера высокотоковый аккумулятор 18650 с емкостью 2000 мАч и характеристикой токоотдачи 2C, то это значит, что данный аккумулятор сможет отдавать до 20А непрерывно, вплоть до полного разряда.

Условия для сохранности

Существуют несколько простых правил, соблюдение которых способны увеличивать работоспособность Li-ion:

• батарея и устройство должны быть от оригинального производителя;
• полная зарядка выполняется сразу после покупки, изготовитель наполовину заряжает аккумулятор, чтобы не было потерь при транспортировке;
• работают с прибором в ограниченном температурном режиме, не повышая + 30 град., не опускаясь до – 20 град. нельзя его переохлаждать или перегревать.
• не допускают полной разрядки, используют устройство при 10% — 90% заполненного объема емкости;
• если предстоит надолго оставить батарею, её заряжают на 50%.

От хранения тоже зависит продолжительность службы. Просто так вынуть и положить на полку элемент нельзя, емкость будет сжиматься от длительных простоев. Только после показателя не ниже 40% зарядки, устройство плотно упаковывают и помещают в холодное место.

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

Использование литий-ионных АКБ

Есть две основные ошибки использования данного вида АКБ:

1. Не рекомендуется полностью разряжать литий-ионный аккумулятор. Хотя батареи такого типа и устойчивы к полному разряду, однако не стоит увлекаться этим действием чересчур. Особенно это губительно для аккумуляторов с источником бесперебойного питания и электродвигателями с большой мощностью. Если все же такая ситуация произошла, необходимо своевременно постараться подключить литий-ионную АКБ к ЗУ. «Завести» аккумулятор возможно и после продолжительного пребывания его в состоянии большого разряда. Для этого потребуется зарядить батарею не менее двенадцати часов, а затем разрядить по новой.
2. Перезарядка изделия портит его качество. При перезарядке литий-ионного аккумулятора нужно помнить, что это действие будет отражаться на свойствах изделия, причем не с положительной стороны. Если заряд батареи происходит в неотапливаемом помещении, то схема «контроллер» может не всегда сработать и обесточить батарею. Помимо этих двух ошибок, необходимо беречь литий-ионный аккумулятор от механических воздействий, разного рода ударов, в результате которых, может произойти разгерметизация корпуса изделия и произойти возгорание внутри него. Именно из-за этого такие изделия (в них чистого лития ˃ на 1 грамм) запрещено пересылать по почте.

Применение аккумуляторов Li-ION

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.

История появления литий-ионных АКБ

Первые аккумуляторы Li-ion были созданы ещё в 1970-х годах. Это были революционные элементы, энергоёмкость которых была значительно выше, чем у других типов устройств. Первые образцы получили славу взрывоопасных устройств, так как при большом количестве циклов перезарядки, внутри АКБ происходили реакции с выделением газа и тепла.

Массовый выпуск литиевых устройств случился лишь в 1991 году. Основным производителем Li-ion АКБ стала компания Sony. На рынок вышли усовершенствованные аккумуляторы, в которых анод был заменён на графитовый стержень. Благодаря этому проблема «взрывов» была практически решена, а современные устройства также оснащают контроллером, который предотвращает перезаряд и минимизирует риск возгорания.

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».

Влияние холода на Lithium-ion электронакопители разных производителей и моделей (результаты одного теста)

Я предлагаю вам интересный эксперимент, который показывает, что литий-ионные источники питания весьма разнятся по последствиям воздействия на них низких температур. Даже если батареи имеют схожие характеристики, при морозе их работоспособность будет отличаться в значительной степени.

Для тестирования были выбраны семь Li-ion накопителей энергии формата :

• Samsung 30Q (Яндекс.Маркет или AliexPress);
• Samsung 25R (Яндекс.Маркет или AliexPress);
• LG HE2 (Яндекс.Маркет или AliexPress);
• LG HE;
• LG HG2 (Яндекс.Маркет или AliexPress);
• Sony VTC5 (Яндекс.Маркет или AliexPress);
• Sanyo NSX (AliexPress).

Приведённые выше модели АКБ являются наиболее распространёнными и доступными. Они могут выдерживать постоянный ток разряда до 20 A. Эти батареи можно обнаружить на электрифицированных средствах передвижения, в аккумуляторном инструменте, портативных источниках энергии, а также электронных сигаретах.

Тесты осуществлялись при температуре -24 градуса. Ток разряда — 10 A. В процессе тестирования элементы не извлекались из морозилки.

Результаты замеров

Все источники энергии проявили активность, однако с очень разными результатами.

Ниже приведён график разряда накопителей при комнатной температуре и при температуре -24 градуса:

При увеличении графика можно наблюдать, что накопители отличаются по своему поведению в значительной степени. У Samsung 30Q напряжение опустилось до критических показателей, а кривая LG HG2 пребывает в штатном диапазоне напряжений.

Разряд литий-ионных батарей при температуре -24 градуса:

Что мы можем наблюдать на данном графике? Ничего хорошего для Samsung 30Q. Напряжение батарейки просело до минимально дозволенного, а из этого следует, что девайс на котором установлены элементы Samsung 30Q, в сильный мороз с большой вероятностью не запустится.

Разряд Samsung 30Q при температуре -24 градуса:

Как изменяется напряжение источников энергии на морозе

Батарейки целые сутки находились в морозилке при температуре -24 градуса. При замерах, изделия из места заморозки не извлекались.

Номинальное напряжение накопителей — 3,6 V, предел рабочих напряжений — 2,5-4,2 V. Как правило, электроника адекватно функционирует в пределе напряжений 2,7-4,2 V. Осветительные приборы и другие не слишком требовательные девайсы могут выполнять свои прямые обязанности и в более широком диапазоне — 2,5-4,35 V.

Результаты замеров:

• Samsung 30Q — 2,68 V;
• Samsung 25R — 2,78 V;
• Sony VTC5 — 2,6 V;
• LG HE2 — 2,89 V;
• LG HE4 — 2,82 V;
• LG HG2 — 3,16 V;
• Sanyo NSX — 2,67 V.

Как видим, напряжение на всех АКБ превышает напряжение разряда. У LG HG2 оно приближено к номинальному. У Samsung 25R, LG HE2 и LG HE4 — скромнее номинального, но в то же время, его хватает для запуска большинства гаджетов. А вот и неудачники: Samsung 30Q, Sony, а также Sanyo — у них напряжение приближено к нижней черте диапазона. Весьма вероятно, что гаджет обслуживаемый данными элементами не заработает, а индикатор уровня заряда продемонстрирует полный разряд батареи.

Влияние мороза на время функционирования АКБ

График демонстрирует, что продолжительность функционирования батарейки LG HG2 при минусе и при домашней температуре — идентичная:

Делаем выводы по эксперименту

1. Литий-ионные источники энергии весьма разнятся между собой. Вроде бы и характеристики у них одинаковые, а вот на морозе они показывают себя по-разному.

2. Снижение эффективности функционирования при минусовых температурах — это не «заслуга» самой литий-ионной технологии. Здесь имеет место специфика отдельно взятой модели электронакопителя.

3. Для минусовой температуры вполне удачным вариантом будут электробатареи LG HG2.

4. На переохлаждённых источниках питания напряжение растёт первые 50-100 секунд. Почему так происходит? Тут всё просто: разряжаясь АКБ производят тепло и таким образом создают себе обогрев. Кроме того, батареи могут получать дополнительное тепло от электронных схем, находящихся в едином корпусе с ними.

5. Не нужно сразу выжимать из промёрзшего электронакопителя полную мощность. Выгоднее будет дать ему повысить температуру на средней мощности.

Как сохранить работоспособность Lithium-ion АКБ — простые правила

Не хотите преждевременно распрощаться с вашей драгоценной батарейкой? Соблюдайте приведённые ниже правила:

1. Заряжайте накопитель энергии не доводя его до критического разряда, при плюсовой температуре.

2. Не заряжайте переохлаждённые АКБ — сначала прогрейте их до комнатной температуры.

3. Для зарядки батарей используйте только оригинальную зарядную аппаратуру, которую рекомендует производитель для своей продукции.

4. Не храните накопитель при отрицательных температурах. Однако не нужно думать, что высокая температура идёт на пользу изделию. Превысите +30 градусов — также будут проблемы.

5. Если источник энергии предполагается оставлять на долгосрочное хранение, обеспечьте ему 35-50% заряда.

6. Не храните продолжительное время глубоко разряженные электроаккумуляторы. В этой ситуации они будут деградировать в ускоренном режиме.

7. Не допускайте перезарядки батареи. Если вы зарядите батарейку на 100% при минусе, а затем обеспечите ей комнатную температуру — перезаряда не избежать.

Принципы и устройства аккумулятора

Батарея телефона, благодаря своим химическим и физическим свойствам является живительным элементом для процессора, дисплея и других частей.

Принцип, по которому работает аккумулятор:

1. Ионы лития попадают в специальную решетку графита.
2. Ионы при контакте с молекулами углерода создают химическую реакцию.
3. Происходят разрывы.
4. В результате реакции вырабатывается энергия.
5. Энергия оседает на полюсах аккумулятора в форме электричества.

Долгое время производители питательных элементов трудились над одной проблемой. Дело в том, что литий внутри аккумулятора – жидкий. Это плохо сказывалось на стабильности его химических свойств. Когда появлялись трещины на корпусе – жидкий состав просто вытекал. Несмотря на такие недостатки, жидкий вариант обладал низким сопротивлением, поэтому лучше выполнял функции, чем сухой.

Современные батарейки сочетают в себе качественную работу Li-Ion и сухих частиц. Принцип работы аккумуляторов телефона основан на тех же ионах лития, но в устройстве установлен сухой сепаратор. Риск возникновения химических реакций сведен к минимуму. Механизм устроенный так, что при правильной эксплуатации батарейки она не взорвется.