Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, использующиеся в большинстве современных планшетов, смартфонов и ноутбуков, требуют разных правил обслуживания и эксплуатации по сравнению с никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлгидридными (Ni-MH) аккумуляторами, используемыми в более ранних устройствах.
На самом деле, правильный уход за литий-ионным аккумулятором может в 15 раз увеличить срок его службы по сравнению со случаями неправильного использования. В данной статье приведем советы, как максимально продлить жизненный цикл дорогостоящих литий-ионных батарей во всех ваших портативных устройствах.
Совсем недавно журналисту интернет-портала Windows Secrets Фреду Ланге (Fred Langa) пришлось заменить поврежденный смартфон - и это была его ошибка.
Основной симптом не предвещал ничего хорошего - чехол телефона был деформирован, потому что сам корпус устройства стал сгибаться.
При разборе и детальном рассмотрении выяснилось, что аккумулятор смартфона вздулся.
Изначально Фред не заметил никаких изменений: батарея выглядела более или менее нормально, если смотреть на нее лицом (рисунок 1). Однако, когда аккумулятор положили на плоскую поверхность стало очевидно, что верхняя и нижняя его грани уже не были плоскими и параллельными друг другу. На одной из сторон батареи образовалась серьезная выпуклость (рисунок 2). Эта выпуклость привела к тому, что телефон стал сгибаться и деформироваться.
Выпуклость аккумулятора свидетельствовала о серьезной проблеме: накопление токсичных газов под высоким давлением внутри батареи.
Корпус батареи прекрасно сделал свою работу, но из-за токсичных газов аккумулятор представлял собой крошечную бомбу-скороварку, которая только и ждет детонации.
В случае Фреда оказались повреждены и телефон, и аккумулятор - настало время для покупки нового смартфона.
Самое печальное, что данную проблему можно было легко предотвратить. В заключительной части статьи будут приведены ошибки Фреда.
Чтобы избежать повторения ошибок прошлого с новым смарфтоном и другими литий-ионными устройствами, такими как планшеты, ноутбуки, Фред начал серьезно исследовать вопросы правильной эксплуатации и обслуживания литий-ионных аккумуляторов.
Фреда не интересовали вопросы продления работы от одного заряда аккумулятора - эти техники хорошо знакомы. Большинство устройств предлагают ручные или автоматические режимы энергосбережения и методы настройки яркости экрана, замедления производительности процессора и уменьшения количества запущенных приложений.
Фред скорее сосредоточился на вопросах продления срока службы аккумуляторов - способов сохранить батарею в нормальном работоспособном состоянии и расширения ресурса батареи до максимального уровня.
Данная статья включает краткие тезисные выводы на основе исследования Фреда. Следуйте пяти предлагаемым советам и тогда ваши литий-ионные аккумуляторы будут работать полноценно, долго и безопасно во всех ваших портативных устройствах.
Удивительно, но теплота является одним из главных врагов литий-ионных аккумуляторов. Причинами, вызывающими перегревания аккумулятора, могут быть факторы неправильного использования, например, скорость и продолжительность циклов зарядки и разрядки батареи.
Внешнее физическое окружение также имеет значение. Просто оставив устройство с литий-ионнным аккумулятором на солнце или в закрытом автомобиле, Вы можете существенно снизить способность батареи принимать и удерживать заряд.
Идеальными температурными условиями для литий-ионных аккумуляторов является комнатная температура в 20 градусов Цельсия. Если устройство нагревается до 30С, его способность нести заряд снижается на 20 процентов. Если устройство используется при 45С, что легко достижимо на солнце или при интенсивном использовании устройства ресурсоемкими приложениями емкость батареи снижается примерно на половину.
Таким образом, если ваше устройство или аккумулятор становятся заметно теплыми при использовании, постарайтесь перейти в более прохладное место. Если такой возможности нет, попытайтесь уменьшить количество энергии, потребляемое устройством за счет отключения ненужных приложений, служб и функций, снижения яркости экрана или активации режима энергосбережения устройства.
Если это все равно не помогает, полностью отключите устройство до тех пор, пока температура не вернется в нормальное состояние. Для еще более быстрого охлаждения извлеките батарею (конечно, если это позволяет конструкция устройства) - так устройство остынет быстрее благодаря физическому разделению с источником питания.
Кстати, несмотря на то, что высокие температуры - это главная проблема с литий-ионными батареями, низкотемпературные режимы эксплуатации не вызывают серьезных беспокойств. Низкие температуры не причиняют долгосрочный ущерб батареи, хотя холодный аккумулятор не сможет выдать всю мощность, который он может потенциально выдать в оптимальном температурном режиме. Падение мощности становится очень заметным при температурах ниже 4С. Большинство литий-ионных аккумуляторов потребительского класса по существу становятся бесполезными при температурах около или ниже точки замерзания.
Если устройство с литий-ионным источником питания становится чрезмерно охлажденным по какой-либо причине, не пытайтесь его использовать. Оставьте его отключенным и перенесите в теплое место (карман или отапливаемое помещение) пока устройство не примет нормальную температуру. Также, как и в случае с перегревом, физически удалите батарею, и раздельное нагревание позволит ускорить процесс прогрева. После того, как батарея прогревается до нормальной температуры, ее электролитические свойства восстановятся.
Перезарядка - т.е. слишком длительное подключение аккумулятора к источнику тока высокого напряжения может также снизить способность батареи удерживать заряд, сократить срок ее службы или что называется “убить наповал”.
Большинство литий-ионных аккумуляторов потребительского класса предназначены для работы на уровне напряжения в 3,6В на ячейку, но во время зарядки работают при повышенных 4,2В. Если зарядное устройство слишком длительное время выдает повышенное напряжение, внутренняя батарея может повредиться.
В тяжелых случаях, перезарядка может привести к тому, что инженеры называют “катастрофическими” последствиями. Даже в умеренных случаях, избыток тепла, выделяемый при перезарядке создаст негативный температурный эффект, описанный в первом совете.
Высококачественные зарядные устройства могут согласованно работать со схемой современных литий-ионных аккумуляторов, снижая опасность перезарядка, уменьшая зарядный ток пропорционально заряду батареи.
Эти свойства значительно отличаются в зависимости от вида технологии, используемой в батареи. Например, при применении никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторов старайтесь оставлять их подключенными к зарядному устройству как можно дольше. Это связано с тем, что старые типы батарей имеют высокий уровень саморазряда, т.е. они начинают терять существенное количество запасенной энергии сразу же после отключения от зарядного устройства, даже если само портативное устройство отключено.
На самом деле, никель-кадмиевая батарея может потерять до 10 процентов заряда в первые 24 часа после зарядки. После этого периода времени, кривая саморазряда начинает выравниваться, но никель-кадмиевый аккумулятор продолжает терять по 10-20 процентов в месяц.
Ситуация с никель-металлгидридными батареями еще хуже. Их скорость саморазряда на 30 процентов больше, чем у никель-кадмиевых коллег.
Тем не менее, литий-ионные батареи имеют очень низкий уровень саморазряда. Хорошая работоспособная батарея потеряет лишь 5 процентов своего заряда в первые 24 часа после зарядки и еще 2 процента в течение первого месяца после этого.
Таким образом, нет никакой необходимости оставлять устройство с литий-ионным аккумулятором, подключенным к зарядному устройству до последнего момента. Для получения наилучших результатов и продления срока службы батареи, отключите зарядное устройство, когда будет показан полный заряд.
Новые устройства на литий-ионных батареях не нужно продолжительно заряжать перед первым использованием (в устройствах с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными батареями рекомендуется зарядка от 8 до 24 часов). Литий-ионные батарей максимально заряжены, когда они показывают 100-процентный заряд. В расширенной зарядке нет необходимости.
Не все циклы разряда одинаково влияют на состояние батареи. Длительное и интенсивное использование выделяет больше тепла, серьезно нагружая аккумулятор, а меньшие по продолжительности, более частые циклы разряда наоборот продлевают ресурс батареи.
Вы можете подумать, что повышенное циклов небольших разряда/заряда может серьезно снизить срок службы источника питания. Это было закономерно лишь для устаревших технологий, но не относится к современным литий-ионным аккумуляторам.
Спецификации аккумулятора могут вводить в заблуждение, т.к. многие производители рассматривают цикл заряда как время необходимое для достижения 100-процентного уровня заряда. Например, две зарядки с 50 до 100 процентов эквивалентны одному полному циклу заряда. Аналогичным образом, три цикла по 33 процента или 5 циклов по 20 процентов также эквивалентны одному полному циклу.
Короче говоря, большое количество мелких циклов заряда-разряда не снижает общий объем циклов полной зарядки литиевой батареи.
Опять же, теплота и высокая нагрузка от тяжелых разрядов снижают ресурс батареи. Таким образом, пытайтесь снизить число глубоких разрядов к минимуму. Не допускайте снижения уровня заряда аккумуляторов до значений, близких к нулю (когда устройство само отключается). Вместо этого рассматривайте нижние 15-20 процентов заряда аккумулятора как экстренный резерв - только для крайних случаев. Привыкайте к замене аккумулятора, если есть такая возможность или к подключению устройства к внешнему источнику питания перед тем, как батарея будет полностью разряжена.
Как Вы знаете, быстрая разрядка и быстрая зарядка сопровождаются выделением избыточной теплоты и негативно сказываются на ресурсе батареи.
Если Вы интенсивно использовали устройство на повышенных нагрузках, дайте батареи остынуть до комнатной температуры перед подключением к зарядному устройству. Аккумулятор не сможет принять полный заряд будучи нагретым.
Во время зарядки устройства следите за температурой батареи - она не должна сильно перегреваться. Горячая батарея во время заряда обычно свидетельствует о быстром протекании слишком большого тока.
Перезарядка больше всего вероятна с дешевыми небрендированными зарядными устройствами, использующими схемы быстрой зарядки или с беспроводными (индуктивными) зарядными устройствами.
Дешевое зарядное устройство может быть обычным трансформатором с подключенными к нему проводами. Подобные “немые зарядки” просто распределяют ток и практически не принимают обратную связь от заряжаемого устройства. Перегрев и перенапряжение очень распространены при использовании подобных зарядных устройств, что медленно разрушает батарею.
“Быстрые” зарядки предназначены для обеспечения минутной порции заряда, а не длительной часовой зарядки. Существуют различные подходы к технологии быстрого заряда, и не все из них совместимы с литий-ионными батареями. Если зарядное устройство и батарея не предназначены для совместной работы, быстрый заряд может вызывать перенапряжение и перегрев. Вообще говоря, лучше не использовать зарядное устройство одного бренда для зарядки портативного девайса другого бренда.
Беспроводные (индуктивные) зарядные устройства используют специальную поверхность зарядки для восстановления заряда аккумулятора. На первый взгляд это очень удобно, но дело в том, что подобные зарядки выделяют избыточную теплоту даже в нормальном режиме работы (Некоторые кухонные плиты использую явление индукции для нагрева кастрюль и сковородок).
Литиевые батареи не только испытывают негативный фактор в виде теплоты, но и тратят энергию во время зарядки по беспроводной технологии. По своей природе, эффективность индуктивного зарядного устройства всегда ниже обычного аналога. Тут каждый волен делать выбор самостоятельно, но для Фреда повышенный нагрев и меньшая эффективность являются достаточными факторами для отказа от подобных устройств.
В любом случае, самый безопасный подход предполагает использование рекомендованного производителем зарядного устройства из комплекта поставки. Это единственный гарантированный способ держать температуру и напряжение в пределах нормы.
Если нет возможности использовать OEM зарядное устройство, применяйте устройство с низким выходным током, чтобы снизить вероятность повреждения аккумулятора из-за быстрого поступления большой мощности.
Одним из источников питания с низким выходным током является USB-порт на обычном компьютере. Стандартный порт USB 2.0 обеспечивает силу тока 500мА (0,5А) на один порт, а USB 3.0 выдает соответственно 900мА (0,9А) на один порт. Для сравнения, некоторые специальные зарядные устройства могут выдавать 3000-4000мА (3-4А). Низкие силы тока USB портов в общем случае гарантируют безопасную зарядку с нормальным температурным режимом для большинства современных литий-ионных аккумуляторов.
Если ваше устройство позволяет быстро заменять батарею, наличие запасного аккумулятора является отличной страховкой. Это не только в 2 раза увеличивает время работы устройства, но также избавляет от необходимости полного разряда аккумулятора или использования быстрого заряда. Когда заряд аккумулятора достигнет отметки в 15-20 процентов, просто поменяйте разряженную батарею на запасную, и Вы мгновенно получите полный заряд устройства без каких-либо проблем с перегревом.
Запасной аккумулятор имеет и другие преимущества. Например, если Вы окажетесь в ситуации, когда установленная батарея перегрелась (например, из-за интенсивной работы устройства или из-за высокой температуры окружающей среды), Вы можете поменять горячую батарею, чтобы быстрее ее охладить, а при этом продолжать использовать устройство.
Наличие двух батареи избавляет от необходимости использовать быстрый заряд - Вы можете спокойно использовать устройство, когда аккумулятор неспешно заряжается от безопасного источника питания.
Фред предположил, что он мог повредить батарею смартфона во время дорожного путешествия. Он использовал функцию GPS в устройстве для навигации во время ясного солнечного дня. Смартфон длительное время находился на солнце в держателе в районе приборной панели автомобиля, яркость смартфона была включена на максимум, чтобы различать карту среди ярких солнечных лучей.
Кроме того, все стандартные фоновые приложение - электронная почта, мессенджер и т.д. были запущены. Устройство использовало модуль 4G для скачивания музыкальных треков и беспроводной модуль Bluetoorth для передачи звука в головное звуковое устройство автомобиля. Определенно, телефон работал в стрессовом режиме.
Чтобы телефон получал питание он был подключен к адаптеру 12В, купленного по критериям невысокой цены и наличия правильного разъема.
Сочетание прямых солнечных лучей, высокой нагрузки процессора, включенного на максимальной яркости экрана и сомнительного качества адаптера, привело к чрезмерному перегреву смартфона. Фред с ужасом вспоминает насколько горячим было устройство при вытаскивании из держателя. Этот тяжелый перегрев как раз и стал катализатором смерти батареи.
По всей видимости, проблема усугублялась по ночам, когда Фред оставлял устройство подключенным к сети на всю ночь с помощью стороннего зарядного устройства, при этом не контролируя момент полного заряда аккумулятора.
Со своим новым смартфоном Фред будет использовать только комплексное зарядное устройство и запасной аккумулятор. Фред надеется на длительный и безопасный период эксплуатации как батареи, так и телефона, которые он собирается достичь с помощью перечисленных советов.
Нашли опечатку? Нажмите Ctrl + Enter
Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.
Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.
Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.
Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.
Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:
Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.
Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.
С анодом возникли главные сложности при создании литиевых аккумуляторов. Точнее в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение Li. При этом образуется поверхность с очень высокой активностью. Литий осаждается на поверхности катода в виде дендритов и в результате образуется пассивная плёнка.
Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.
В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.
В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.
Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.
Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.
Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.
Как показали исследования, лучше всего подходят сплав Li с тяжёлыми металлами. Примером может служить сплав Вуда. Они хорошо показали себя в плане сохранения удельного объёма, но удельные характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.
В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.
Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про по указанной ссылке.
Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.
Для начала следует запомнить, что литиевый аккумулятор должен иметь напряжением от 2,7 до 4,2 вольта. Нижнее значение здесь говорит о минимальном уровне заряда, верхнее – о максимальном. В современных Li батареях электроды выполняются из графита и в их случае нижняя граница напряжения составляет 3 вольта (2,7 – это значение для электродов из кокса). Электрическая энергия, которую отдаёт аккумулятор при падении напряжения от верхней границы к нижней, называется его ёмкостью.
Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.
Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.
В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.
Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства.
При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.
Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.
Процесс состоит из трёх этапов:
Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.
Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.
Помните, что через разъём USB ноутбука, десктопа, переходника от прикуривателя в машине зарядка идёт значительно медленнее, чем от штатного ЗУ. Это объясняется ограничением интерфейса USB по току в 500 мА.
Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.
Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и - если повезет - медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.
Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.
Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.
В обычной литий-ионной батарее, мы найдем катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом. Мы также найдем анод или положительный электрод, который сегодня, как правило, изготавливается из графита. Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.
Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.
Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.
Когда мы говорим о «мёртвой» батарее, важно понять две метрики производительности: энергия и мощность. В некоторых случаях очень важна скорость, с которой вы можете получать энергию из батареи. Это мощность. В электромобилях высокая мощность делает возможным быстрое ускорение, а также торможение, при котором батарее требуется получить заряд в течение нескольких секунд.В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.
Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.
Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его - повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой - это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.
В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.
Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод, в идеале хотелось бы, чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру.Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.
Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.
В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.
Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Итак, у нас есть глина из такого «активного» материала, как литий-кобальтовый оксид (который представляет собой керамику и не является очень хорошим проводником), а также клееподобный связующий материал, нанесенный на кусок металла.Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.
Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.
Графит - материал, широко используемый для изготовления анодов - термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. В идеальном мире эта реакция происходила бы один раз, чтобы создать защитный слой, и на этом всё закончится.В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.
Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.
Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.
Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы функционировали подобно витаминам в нашем рационе, т.е. позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом, говорит Абрахам. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.
В современных мобильных телефонах, фотоаппаратах и других устройствах чаще всего используются литий-ионные батареи, сменившие щелочные и никель-кадмиевые, которые они превосходят по многим параметрам. Впервые аккумуляторы с анодом из лития появились в 70-е годы предыдущего столетия и сразу стали очень востребованы благодаря высокому напряжению и энергоемкости.
Разработки были недолгими, но на практическом уровне возникали трудности, которые разрешили только в 90-е годы прошлого века. Из-за высокой активности лития внутри элемента протекали химические процессы, которые приводили к возгоранию.
В начале 90-х произошел ряд несчастных случаев - пользователи телефонов, разговаривая, получали сильные ожоги в результате самопроизвольного воспламенения элементов, а затем и самих устройств связи. В связи с этим батареи полностью сняли с производства и вернули из продажи выпущенные ранее.
В современных литиево-ионных аккумуляторах чистый металл не используется, только его ионизированные соединения, так как они более стабильны. К сожалению, ученым пришлось пойти на существенное снижение возможностей аккумулятора, однако удалось добиться главного - люди больше не страдали от ожогов.
Кристаллическая решетка различных соединений углерода оказалась подходящей для интеркаляции ионов лития на отрицательном электроде. При зарядке они переходят с анода на катод, а при разряде наоборот.
В каждом литий-ионном аккумуляторе основу минусового электрода составляют углеродсодержащие вещества, структура которых может быть упорядоченной или частично упорядоченной. В зависимости от материала меняется процесс интеркаляции Li в C. Плюсовой электрод в основном выполняется из латированного оксида никеля или кобальта.
Суммируя все реакции, их можно представить в следующих уравнениях:
Уравнения представлены для случая разряда, при заряде они протекают в обратную сторону. Ученые проводят работы по исследованию новых материалов, состоящих из смешанных фосфатов и оксидов. Эти материалы планируется использовать для катода.
Выделяют два вида Li-Ion аккумуляторов:
Главное отличие - расположение пластин (в призматическом - друг на друге). От этого зависит размер литионного аккумулятора. Как правило, призматические плотнее и компактнее.
Кроме того, внутри существует система безопасности - механизм, который при возрастании температуры увеличивает сопротивление, а при повышенном давлении разрывает цепь анод-катод. Благодаря электронной плате становится невозможным замыкание, так как она контролирует процессы внутри АКБ.
Противоположные по полярности электроды разделяются сепаратором. Корпус должен быть герметичным, вытекание электролита или попадание внутрь воды и кислорода разрушат и батарею и само электронное устройство-носитель.
У различных производителей литионный аккумулятор может выглядеть абсолютно по-разному, нет единой формы изделия. Отношение активных масс анода к катоду должно быть примерно 1:1, иначе возможно образование металла лития, которое приведет к возгоранию.
АКБ обладают превосходными параметрами, различающимися у разных производителей. Номинальным напряжением является 3,7−3,8 В при максимальном 4,4 В. Энергетическая плотность (один из главных показателей) составляет 110−230 Вт*ч/кг.
Внутреннее сопротивление составляет от 5 до 15 мОм/1Ач. Срок службы по количеству циклов (разряд/заряд) равен 1000−5000 единиц. Время для быстрой зарядки - 15−60 минут. Один из самых значимых плюсов - медленный процесс саморазряда (всего 10−20% за год, из которых 3−6% за первый месяц). Диапазоном рабочих температур является 0 С - +65 С, при температурах ниже нуля заряд невозможен.
Зарядка происходит в несколько этапов:
При хранении примерно каждые 500 часов необходима периодическая подзарядка, направленная на компенсацию саморазряда. При перезаряде может осаждаться металлический литий, который, взаимодействуя с электролитом, образует кислород. Таким образом повышается риск разгерметизации вследствие повышения внутреннего давления.
Частые перезарядки сильно снижают срок службы батареи. Кроме того, влияет окружающая среда, температура, ток и т. д.
У элемента есть недостатки, среди которых выделяют следующие:
Лучше всего хранить аккумулятор при следующих условиях
: заряд должен быть не менее 40%, а температура - не очень низкой или высокой. Лучшим вариантом является диапазон от 0С до +10С. Обычно за 2 года теряется около 4% емкости, из-за чего не рекомендуется покупать аккумуляторы более ранних дат изготовления.
Ученые изобрели способ, позволяющий увеличить срок годности. В электролит добавляют соответствующий консервант. Однако для таких батарей следует провести «тренинг» в виде 2−3 циклов полного разряда/заряда, чтобы впоследствии они смогли работать в обычном режиме. В противном случае возможно возникновение «эффекта памяти» и последующее вздутие всей конструкции. При правильном использовании и соблюдении всех норм хранения аккумулятор может служить долгое время, при этом его емкость останется на высоком уровне.
Большинство современных электронных устройств, таких как ноутбук, телефон или плеер, комплектуются литий ионными аккумуляторами, которые выступают автономными источниками питания. Данные ионные батареи были разработаны сравнительно недавно, но благодаря своим характеристикам завоевали большую популярность среди конструкторов и производителей гаджетов. Сейчас, кроме различных бытовых приборов, такими источниками питания оснащены многие инструменты для отделки и ремонта, шуруповерты или отрезные машинки. В данной статье рассмотрены виды литий ионных аккумуляторов, сферы их применения и принцип работы.
Аккумуляторные батареи, работающие по принципу накапливания энергии и выдачи ее на потребляемый прибор, бывают нескольких видов, которые можно объединить в один литий ионных блок. К таким батареям относятся:
Важно! Все перечисленные литий ионные батареи относятся к не обслуживаемым аккумуляторам, поэтому в случае повреждения или выхода из строя отремонтировать или выполнить сервисные работы по добавлению электролита не получится. Любые манипуляции по вскрытию крышки АКБ приведут к разрушению пластин батареи и полному выходу из строя.
Все литий ионные аккумуляторы имеют схожую структуру, которая имеет несколько незначительных отличий, не влияющих на принцип работы детали. Наружная оболочка изготавливается из композитного материала, пластика или тонкого цветного металла, что встречается очень редко. Чаще всего, аккумулятор состоит из пластикового корпуса, металлических клемм для контакта с потребителем и внутренних стержней с положительным и отрицательным напряжением. Заряд внутреннего лития осуществляется путем подключения внешнего прибора со стабильным током, но каждое изделие имеет первичную зарядку, которая возникает вследствие химической реакции между анодом и катодом.
Процессы на отрицательном электроде, выполненном из углеродистого материала, который имеет вид природного слоеного графита, беспорядочны, заряженные электричеством атомы движутся по матрице, не теряя при этом напряжение. Все показатели в этом секторе имеют отрицательное значение.
Положительный электрод литиевого аккумулятора изготавливается исключительно из оксидов кобальта или никеля, а также из литий марганцевых шпинелей. Во время разряда ионы лития отходят от углеродного сердечника и, вступив в реакцию с кислородом, проникают сквозь катод и устремляются наружу, но при этом они не могут покинуть тело батареи. Заряженные ионы лития теряют свое напряжение и остаются на поверхности анода до момента зарядки лития. Во время заряда весь процесс происходит в обратной последовательности.
Как щелочной элемент питания, литиевый аккумулятор производится в виде цилиндра или может иметь призматическую форму. В цилиндрической батарее в качестве сердечника используются свернутые в рулон электроды, изолированные специальной оболочкой и помещенные в металлический корпус, который связан с отрицательно заряженными элементами. Для соблюдения полярности минусовый контакт располагается снизу, а плюсовой – на верху детали, причем данные элементы между собой не должны соприкасаться, иначе ток будет циркулировать по проводнику, что приведет к самопроизвольному разряжению.
Призматическая форма литий ионной батареи встречается весьма часто. В данной конструкции сердечник формируется путем складывания друг на друга специальных пластин, которые находятся на минимальном расстоянии между собой. Такая система позволяет обеспечить более высокие технические характеристики, но из-за плотного прилегания пластин во время того, как аккумуляторы заряжаются, возможны перегрев сердечника и оплавление сетки, что приводит к снижению продуктивности детали.
Нередко можно встретить комбинированную систему устройства литий ионной батареи, когда скручиваемые в рулон электроды формируются в овальный цилиндр. При этом соблюдаются правила плавности перехода, и в то же время прямой участок имитирует пластинчатую форму. Такие аккумуляторы обладают характеристиками обоих видов изделий, срок их эксплуатации намного выше.
Во время химической реакции и работы аккумулятора внутри корпуса образуются газы, которые содержат в себе вредные вещества. Для оперативного отвода этих паров в корпусе литий ионных батарей имеется выпускное отверстие, которое имеет связь с банками и вовремя отводит скопившейся газ из полости АКБ. Некоторые батареи с высокой мощностью оборудованы специальным клапаном, который срабатывает во время критического скопления паров.
Заряды лития внутри АКБ нуждаются в периодической проверке, несмотря на то, что указанная батарея считается не обслуживаемой, так как ее корпус запаян, элемент питания все равно необходимо проверять с помощью специального прибора.
Проверка всегда начинается с наружного осмотра, во время которого проверяется корпус детали на наличие трещин и деформаций. Также осматриваются клеммы АКБ, производится очистка от окисления и других загрязнений.
Важно! Необходимо содержать батарею в чистоте, не допуская замыкания между собой контактов, так как это может привести к полной разрядке аккумулятора, восстановить его будет весьма проблематично.
Для проверки внутреннего состояния сердечника используется нагрузочная вилка, которая подключается к клеммам и измеряет номинальное напряжение в сети. Затем на АКБ подается разряд, и прибор считывает показатели по удержанию тока внутри детали. Важно учитывать, что на момент проверки батарея должна быть полностью заряжена, иначе показатели будут неточными.
Литий ионные батареи используются во многих сферах в зависимости от их комплектации, формы и номинального напряжения. Самое распространённое применение АКБ – это автомобилестроение, в каждом транспортном средстве имеется свой источник питания, который отвечает за запуск авто и исполняет другие функции.
Также указанные батареи применяются в мобильных устройствах, ноутбуках и других гаджетах. Устройство подобных элементов питания схоже с автомобильными, единственное отличие заключается в габаритах изделий, которые могут быть размером со спичечную коробку.
В последнее время стало популярным внедрять литий ионные аккумуляторы в системы бесперебойного питания дома и в качестве аварийных источников электричества, при этом на постоянной основе батарея подключена к центральной сети. Во время работы приборов от простой электростанции производится зарядка АКБ, а когда питание отключается, она автоматически начинает отдавать ток на потребителя. При этом перезаряжаемую батарею необходимо правильно расположить и обеспечить ее системами защиты от перегрева.
