Напруга зарядженого літію іонного акумулятора. Як правильно заряджати акумулятори Li-ion: поради. Як правильно заряджати літій-іонні акумулятори
У суспільстві дуже часто можна почути протилежні думки про особливості Подібна ситуація сформувалася через те, що розвиток інновацій у сфері портативної електроніки та техніки проходить дуже імпульсивно і соціум не завжди встигає оперативно реагувати на вдосконалення.
Саме через це і розмножуються численні стереотипи, що не завжди відповідають дійсності сучасності.
Міські легенди
Раніше практично у всіх видах електронних пристроїв встановлювалися нікель-кадмієві або нікель-металгідридні акумулятори. При використанні дані гальванічні елементи необхідно повністю розряджати, що дозволяло продовжити їх термін експлуатації і попередити падіння енергоємності. Наразі ці акумулятори не втратили своїх позицій, проте сфера їх застосування змістилася, тепер їх не зустріти у мобільних телефонах, ноутбуках чи планшетах. Але крилатий вираз продавців спочатку розрядіть, потім зарядіть, повторити три рази все ще зустрічається. Адже таку корисну пораду в суспільстві запам'ятали, і вона тепер передається з вуст у вуста. Однак розвиток прогресу йшов своєю чергою, і Ni-Cd, Ni-MH-енергетичні осередки стали замінюватися на Li-ion акумулятор, а трохи пізніше і на літій-полімерний. Нікель-кадмієві або нікель-металгідридні стали зустрічатися в менш продуктивній електроніці - калькуляторах, навігаторах, аматорських фотоапаратах і таке інше. Тоді як їх більш інноваційні побратими зайняли свою нішу в ноутбуках, мобільних телефонах, смартфонах, планшетах та багато іншого.
Принципи використання
Конструкція, за якою створений, вимагає до нього специфічного відношення. Він не терпить глибокого розряду і навіть може вийти з ладу, якщо така ситуація повторюватиметься. Тому всі пристрої, що їх використовують, не продають сівшими – так значно продовжується термін служби їхніх енергетичних осередків. Однак закостенілі мислення мас робить свою чорну справу - все ще чути голоси, що передають з вуст в уста, як необхідно заряджати Li-ion акумулятор, орієнтуючись на поширені правила для Ni-Cd, Ni-MH гальванічних елементів або навіть не акцентуючи увагу на їх типі . Адже навіть зберігання цих енергетичних осередків необхідно проводити по-різному. Нікель-кадмієві або метал-гідридні важливо повністю розряджати, а літій-іонним та літій-полімерним потрібно, навпаки, залишити запас енергії у 60-80 відсотків.
Скарги та відповідальність
Дуже часто від людей можна почути, що придбаний Li-ion акумулятор не служить їм довго, і його доводиться знову міняти. Наприклад, через якийсь час телефон дуже швидко розряджається. Хоча після покупки він міг працювати дуже довго та радував свого власника. Якщо розібратися, то вина за таку негаразди лежить не на виробниках, а на умовах, в яких виконувалася зарядка Li-ion акумуляторів та їх застосування. Адже всі згубні моделі людського поводження з ними вже описані вище, і господар лише неухильно дотримується їх.
Особливості застосування
Так, під час роботи сучасних енергетичних осередків у суворих умовах довкілля (на морозі чи холоді) батарея витрачає набагато більше ресурсів, ніж у теплому приміщенні, що зумовлює її підвищений знос. У таких випадках раціональніше користуватися електронікою не надто інтенсивно (не запускати GPRS-інтернет, навігацію, ігри та інші ресурсомісткі програми), тоді буде набагато більше. Також виникає закономірне питання: як заряджати Li-ion акумулятор за таких умов? Апарат необхідно підключати до джерел живлення в теплому приміщенні тоді, коли він не повністю сів. Таким чином, батарея експлуатується в найбільш сприятливих умовах для яких вона розроблялася.
"Консервація" гальванічних елементів
- зарядити його до 40-50 відсотків;
- витягти з пристрою;
- герметично запакувати поліетилен, якщо є можливість, створити в цьому пакеті розрідження;
- кожну батарею складати окремо від інших;
- перемістити гальванічні елементи в холодильник (але не в морозилку);
- раз на кілька місяців витягувати звідти і після прогріву в кімнатній температурі відновлювати до ємності;
- перед початком інтенсивного використання повністю зарядити.
Ці заходи допоможуть зберегти вашу батарею, і вона не втратить своєї ефективності. Так як вони призначені для постійного застосування тільки в умовах, коли ви самі почувалися б комфортно - при кімнатній температурі або наближеній до неї.
Використання якісного обладнання
До того ж будь-який тип акумулятора – Li-ion, Ni-Cd, Ni-MH – повинен заряджатися оригінальним пристроєм, який рекомендовано його виробником, оскільки дешевші аналоги дуже відрізняються від оригінального обладнання за своїми параметрами. Адже навіть незначне перевищення здатне скоротити практично вдвічі. При протилежному розвитку подій, т. е. зниженні лише з 0,1 вольта, час автономної роботи знижується понад 10 відсотків, і батарея будь-коли заряджається повністю. При регулярному використанні в такому режимі вона втрачає свою ємність і не відповідає заявленим значенням виробника.
Протягом тривалого часу кислотний акумулятор був єдиним пристроєм, здатним забезпечувати електричним струмом автономні об'єкти та механізми. Незважаючи на великий максимальний струм і мінімальний внутрішній опір, такі батареї мали ряд недоліків, які обмежували їх застосування в пристроях, що споживають велику кількість електроенергії або закритих приміщеннях. У цьому плані літій-іонні акумулятори позбавлені багатьох негативних якостей своїх попередників, хоч і недоліки у них є.
Здриження
Що таке літій іонний акумулятор
Перші літієві акумулятори з'явилися 50 років тому. Такі вироби являли собою звичайну батарейку, у якій підвищення рівня віддачі електроенергії було встановлено літієвий анод. Такі вироби мали дуже високі експлуатаційні характеристики, але одним із найсерйозніших недоліків була висока ймовірність спалаху літію при перегріві катода. Враховуючи цю особливість, вчені згодом замінили чистий елемент на іони металу, внаслідок чого значно збільшилася безпека.
Сучасні li-ion акумулятори дуже надійні та здатні витримувати велику кількість циклів заряду – розряду. Вони мають мінімальний ефект пам'яті та відносно невелику вагу. Завдяки таким властивостям літієва батарея знайшла широке застосування в багатьох пристроях. Виріб може застосовуватися як АКБ, у вигляді батарей для побутової техніки, а також як високоефективне тягове джерело електроенергії.
На сьогоднішній день такі пристрої мають кілька недоліків:
- висока вартість;
- не люблять глибокі розряди;
- можуть померти за низьких температур;
- втрачають ємність при перегріванні.
Як здійснюється виробництво li-ion АКБ
Літій-іонні акумулятори виробляються у кілька етапів:
- Виготовлення електродів.
- Об'єднання електродів у батарею.
- Встановлення плати захисту.
- Встановлення батареї у корпус.
- Заливання електроліту.
- Тестування та заряд.
На всіх етапах виробництва має бути дотримана технологія та заходи безпеки, що дозволяє отримати якісний виріб.
Як катод у літій-іонних батареях використовується фольга, з нанесеною на її поверхні містить літій речовиною.
Залежно від призначення АКБ можуть бути використані такі сполуки літію:
- LiCoO2;
- LiNiO2;
- LiMn2О4.
При виготовленні циліндричних джерел електроенергії типорозміру АА і ААА основний електрод скручується в рулон, який відокремлюється від анода сепаратором. При великій площі катода, плівка якого має мінімальну товщину, вдається досягти високої енергоємності виробу.
Принцип роботи та влаштування li-ion акумулятора
Літій іонний акумулятор працює наступним чином:
- При подачі на контакт батареї постійного електричного струму катіони літію переміщуються в матеріал анода.
- У процесі розряджання іони літію залишають анод і проникають у діелектрик на глибину до 50 нм.
У «життя» літій-іонного акумулятора таких циклів може бути до 3 000, при цьому батарея може віддати практично весь електричний струм, накопичений у процесі зарядки. Глибокий розряд не призводить до окиснення пластин, що вигідно виділяє такі вироби в порівнянні з кислотними АКБ.
Не всі li-ion АКБ добре переносять глибокі розряди. Якщо подібна батарея встановлена у телефоні або фотоапараті (типу AAA), то при глибокому розряді контролерна плата з метою безпеки блокує можливість заряду батареї, тому без спеціального зарядного пристрою зарядити її не вдасться. Якщо це літова батарея для човнового мотора, то їй глибокий розряд буде зовсім не страшний.
На відміну від пальчикових акумуляторів, складні батареї складаються з декількох окремих джерел електроенергії з'єднаних паралельно або послідовно. Спосіб з'єднання залежить від того, який показник електрики необхідно збільшити.
Типорозміри та види li-ion батарей
Літій-іонні акумулятори набули широкого поширення. Такі джерела електричного струму використовують у різних побутових пристроях, гаджетах і навіть автомобілях. Крім цього, виготовляються промислові літій іонні акумулятори, що мають велику ємність та високу напругу. Найбільш популярними є такі типи літієвих акумуляторів:
| Назва | Діаметр, мм | Довжина, мм | Місткість, мАг |
|---|---|---|---|
| 10180 | 10 | 18 | 90 |
| 10280 | 10 | 28 | 180 |
| 10440 (AAA) | 10 | 44 | 250 |
| 14250 (AA/2) | 14 | 25 | 250 |
| 14500 | 14 | 50 | 700 |
| 15270 (CR2) | 15 | 27 | 750-850 |
| 16340 (CR123A) | 17 | 34.5 | 750-1500 |
| 17500 (A) | 17 | 50 | 1100 |
| 17670 | 17 | 67 | 1800 |
| 18500 | 18 | 50 | 1400 |
| 18650 (168A) | 18 | 65 | 2200-3400 |
| 22650 | 22 | 65 | 2500-4000 |
| 25500 (тип C) | 25 | 50 | 2500-5000 |
| 26650 | 26 | 50 | 2300-5000 |
| 32600 (тип D) | 34 | 61 | 3000-6000 |
Перші дві цифри таких позначень вказують на діаметр виробу, друга пара – на довжину. Останній "0" ставиться, якщо батарейки мають циліндричну форму.
Крім акумуляторів циліндричної форми промисловістю випускаються батареї типу «» напругою 9v і потужні промислові АКБ з напругою 12v, 24v, 36v та 48v.
Батарея для штабелера Залежно від елементів, які додаються до виробу, на корпусі батареї може бути наступне маркування:
- ICR – містять кобальт;
- IMR - - - - марганець;
- INR - - - - нікель та марганець;
- NCR - - - - нікель та кобальт.
Літієві батареї відрізняються не тільки розміром і хімічними добавками, але насамперед за ємністю та напругою. Ці два параметри визначають можливість їх використання в тих або інших видах електричних приладів.
Де застосовуються li-ion АКБ
Літій-іонні батареї не мають альтернативи там, де необхідний акумулятор, здатний віддавати електрику практично в повному обсязі, і здійснювати велику кількість циклів заряду/розряду без зниження ємності. Перевагою таких пристроїв є відносно мала вага, адже використовувати свинцеві грати в таких пристроях немає потреби.
Враховуючи високі експлуатаційні характеристики, такі вироби можуть використовуватись:
- Як стартерні батареї.Літієві акумулятори для автомобілів з кожним роком дешевшають завдяки новим розробкам, які дозволяють знизити витрати виробництва. На жаль, ціна таких батарей може бути дуже високою, тому багатьом власникам машин такий акумулятор виявляється не по кишені. До недоліків літій-іонних батарей можна віднести суттєве падіння потужності за температури нижче мінус 20 градусів, тому в північних районах експлуатація таких виробів буде непрактичною.
- Як тягові пристрої.Завдяки тому, що літій-іонні акумулятори легко переносять глибокий розряд, їх нерідко використовують як тягові для човнових електромоторів. Якщо потужності двигуна не надто велика, то одного заряду вистачає на 5 – 6 годин безперервної роботи, що цілком достатньо для риболовлі або водної прогулянки. Тяговий літій-іонний акумулятори встановлюють і на різну вантажну техніку (електроштабелери, електронавантажувачі), що працює в закритих приміщеннях.
- У побутовій техніці.Літій-іонні акумулятори застосовуються у різних побутових пристроях замість стандартних батарей. Такі вироби мають напругу 3,6v - 3,7v, але існують моделі, які здатні замінити звичайну сольову або лужну батарейку на 1,5 Вольта. Також можна зустріти батареї напругою 3v (15270, ), які можна встановити замість двох стандартних батарейок.
Використовуються такі вироби переважно у потужних приладах, у яких звичайні сольові батарейки дуже швидко розряджаються.
Тяговий АКБ Правила експлуатації li ion акумуляторів
На термін служби літієвого акумулятора впливає багато факторів, знання яких дозволить суттєво збільшити ресурс. При використанні цього виду батарей необхідно:
- Намагатися не допускати повного розряду батареї.Незважаючи на високу стійкість батареї до такого впливу, бажано не вичавлювати з нього всі соки. Особливо слід бути обережними при експлуатації таких батарей з ДБЖ та електричними двигунами високої потужності. Якщо повний розряд батареї стався необхідно її негайно пожвавити, тобто підключити до спеціального зарядного пристрою. Розкачати акумулятор можна і після тривалого перебування у стані глибокого розряду, для чого необхідно зробити якісне заряджання протягом 12 годин, потім розрядити батарею.
- Не допускати перезаряджання.Перезаряджання негативно впливає на характеристики виробу. Вбудований контролер не завжди здатний вчасно відключити батарею, особливо в тому випадку, коли заряджання здійснюється в холодному приміщенні.
Крім перезаряду та надмірного розряду батарею слід оберігати від надмірних механічних впливів, які можуть спричинити розгерметизацію корпусу та загоряння внутрішніх компонентів акумулятора. Тому існує заборона пересилання поштою батарей, в яких вміст чистого літію перевищує 1 г.
Застосовується як АКБ для шуруповертів, ноутбуків та телефонів Як зберігати літій іонні акумулятори
Якщо виникає необхідність тривалого зберігання літій-іонних акумуляторів, то для мінімізації негативного впливу на вироби, необхідно дотримуватися наступних рекомендацій:
- Зберігати виріб лише у сухому, прохолодному приміщенні.
- Акумулятор виймається з електричного приладу.
- Батарею потрібно зарядити перед консервацією. Мінімальна напруга, при якій не утворюватимуться внутрішні корозійні процеси, дорівнює 2,5 Вольт на 1 елемент.
Враховуючи малий саморозряд таких батарей, зберігати таким чином акумулятор можна протягом декількох років, але протягом цього терміну неминуче відбудеться зменшення ємності елемента.
Утилізація літій іонних акумуляторів
Літій-іонні акумулятори містять небезпечні для здоров'я речовини, тому в жодному разі не слід їх розбирати в домашніх умовах. Після того як батарея виробить свій ресурс, її необхідно здати для подальшої переробки. У спеціалізованих приймальних пунктах можна отримати грошову компенсацію за старий літієвий акумулятор, адже такі вироби містять дорогі елементи, які можуть бути використані повторно.
Оскільки будь-яка батарея (акумулятор) є джерелом постійного електричного струму, рано чи пізно заряд її неминуче виснажиться. З кожною підзарядкою ємність її буде все менше і менше. Такими є закони фізики.
Можна лише ненадовго продовжити її роботу. Розглянемо, як відновити літій іонний акумулятор, щоб виграти час, необхідний для заміни батареї.
ВАЖЛИВО. Якщо ви новачок у техніці, то далі взагалі нічого не варто читати - просто йдіть за новою батареєю або запросіть грамотного товариша. (Куму звати не треба!).
Крім того, ви дізнаєтеся про причини займання, вибухонебезпеки, старіння ЛІА. Ця інформація допоможе визначити - що саме сталося з батареєю, а також дозволить уникнути помилок в експлуатації.
Отже, - літій-іонного типу акумулятори (ЛІА) застосовують у широкому спектрі різної сучасної техніки як джерело ел. енергії від мобільних телефонів до накопичувачів у енергетичних системах.
Їх основні показники роботи можуть відрізнятися в таких межах (це залежить від їхнього хімічного складу):
- Напруга (номінал) - 3,7 або 3,8 В;
- Напруга максимальна - 4,23 або 4,4 В;
- Напруга мінімальна - 2,5-2,75 або 3,0 В;
- Кількість заряд-розрядів – 600 (при втраті 20% ємності);
- Опір внутрішній 5-15 мОм/Ач;
- За нормальних умов значення саморозряду - 3% на місяць;
- Робочий діапазон температур – від мінус 20°C до плюс 60°C, оптимальна – плюс 20°C.
- Якщо під час заряджання ЛІА відбудеться перевищення напруги, то може статися його загоряння. Для захисту від цього корпус вставляється контролер. Його функція – відключити ЛІА. (Також контролюючи струм, перегрів та глибину розряду).
- Для зниження собівартості не кожен літієвий акумулятор забезпечується контролером (або захищає не за всіма параметрами).
ЦІКАВО: Першим виробником літієвих акумуляторів стала в 1991 році корпорація Sony.
Пристрій та переваги ЛІА
ЛІА складається з катода (на фользі з алюмінію) та анода (на фользі з міді), розділених електролітичним сепаратором та поміщених у герметичну «банку».
Катод і анод приєднуються до струмознімальних клем.
Корпус інколи оснащений клапаном для скидання тиску при аварійних моментах експлуатації.
У літій-іонному акумуляторі (ЛІА) заряд переноситься іоном літію. Його характерною здатністю є здатність впровадитись в кристалічну решітку інших матеріалів (у нашому випадку це графіт, оксиди або солі металів), утворюючи при цьому хімзв'язки.
В даний час використовуються три різновиди матеріалів для катодів:
- Літію кобальтати (завдяки кобальту збільшується кількість заряднорозрядних циклів, а також з'являється можливість експлуатації при знижених температурах);
- Літій-марганець;
- Літію ферофосфат (низька собівартість).
- Переваги ЛІА полягають у низькому саморозряді, велику кількість циклів.
Недоліки ЛІА
Вибухонебезпечність акумуляторів Li-ion у першому поколінні була обґрунтована виникненням газоподібних утворень, що призводили до замикання між електродами. Тепер це усунено заміною анодного матеріалу із металевого літію на графіт.
Вибухонебезпечність також виникала в оксиднокобальтових ЛІА при порушеннях експлуатації.
ЛІА на літієвоферофосфатній основі повністю позбавлені подібного недоліку.
ВАЖЛИВО. Розрядка ЛІА за низьких температур (особливо повторна) призводить до зниження енергії на віддачу до десятків відсотків. Крім того, ЛІА «гостро» реагують на температуру при зарядженні: оптимальна – +20 °C, а +5 °C – вже не рекомендована.
Ефект пам'яті
Дослідження підтвердили існування ефекту пам'яті у ЛІА. Але суть полягає в його принциповій наявності, а не його впливу на роботу в цілому.
Пояснення цього процесу звучить так: робота батареї полягає у періодичному вивільненні та захопленні літієвих іонів і цей процес при неповній зарядці погіршується через порушення мікроструктури електрода.
ВАЖЛИВО. Фахівцями виділено два правила продовження служби ЛІА:
- недопущення повного розряду;
- Не заряджайте поблизу джерел тепла.
Старіння
ЛІА старіють навіть поза експлуатацією. Двадцять відсотків ємності губляться вже за два роки. Не слід купувати їх у стіл. Дивитися при купівлі дату виробництва.
Низькі температури та потужність
До п'ятдесяти відсотків потужності батарей втрачається при температурі експлуатації нижче 0 °C.
Самозаймання
ЛІА схильні до самозаймання. При термічному розгоні несправного (пошкодженого) акумулятора виділяються речовини, що прискорюють його саморозігрів (кисень плюс горючі гази). Тому горіти він здатний і за відсутності повітря.
Для гасіння в таких випадках передбачити зниження температури та запобігати розповсюдженню вогню.
Приступаємо до відновлення
Після того як вам вже відома з вищевикладеного «фізика» та «хімія» роботи ЛІА та його начинка, ви зможете самостійно вибрати один із способів для лікування своєї батареї, а також оцінити «розумність» наведених нижче методів.
Позбавляємося газів
Нам уже відомо, що при неправильній експлуатації всередині банки можуть утворюватися газоподібні речовини.
Суть цього способу полягає в тому, що їх потрібно позбутися. Для цього спочатку знімають верхній блок (контролер), потім проколюють виявлений ковпачок, а потім притискають до твердої поверхні якимось пресом вивільнення газів.
Після цього заклеюють отвір епоксидної смолою та повертають на місце контролер.
Але перед тим як пожвавити акумулятор телефону таким чином пам'ятайте про очікувані небезпеки цього способу:
- Пошкодження пристрою надмірним впливом;
- Пошкодження електроніки під ковпачком;
- Можливість вибуху (самоспаления) при замиканні катода з анодом.
Короткочасне «повернення» ємності
Ненадовго оживити батарею можна, якщо провести «оживлення» за допомогою блока живлення на 5–12 Вольт, резистора від 330 до 1000 Ом і потужністю не менше 500 мВт.
Для цього контакти блока живлення з'єднують із контактами ЛІА: мінус до мінуса, а плюс до плюс через резистор, полярність якого перевіряється мультиметром. Час споживання – не більше двох-трьох хвилин.
Зверніть увагу, що параметри струму, що подається, повинні відповідати необхідним, а вольтметром або тестером контролюйте напругу.
Використовуємо холодильник
Виконуючи цей нехитрий спосіб, відновлення акумулятора проводиться так:
вилучений зі смартфона акумулятор потрібно помістити в холодильник на час від двадцяти до тридцяти хвилин, попередньо помістивши поліетиленовий пакетик. Потім підключити на одну хвилину до зарядки, а потім почекати, поки він не прогріється до температури приміщення.
Нібито після цих маніпуляцій його можна буде використовувати як завжди.
Спосіб заряд-розряд
Цей метод треба було б назвати способом реанімації акумулятора для школяра п'ятого класу.
На думку популяризаторів цього «приколу» «привести до тями» батарею телефону можна шляхом «кількаразового» (кілька разів не вказується) стовідсоткового заряду та наступного повного розряду батареї. Для розряду радять скористатися якоюсь ресурсомісткою грою або утилітою AnTuTu, щоразу для цього витягуючи і вставляючи назад у мобільник.
Залишається незрозумілим яким чином батарея буде заряджатися кілька разів до 100 відсотків, якщо вона вже знаходиться в неробочому стані?
«Дикий» метод відновлення
Полягає цей «маневр» у тому, що після зняття захисного контролера потрібно замкнути між собою будь-яким металевим предметом клеми-токосниматели, що виводяться. Після цього контролер повертається місце.
При цьому додається ще один багатозначний момент - на початку процедури чомусь потрібно відклеїти наклейку з технічними характеристиками ЛІА. Ось уже воістину «танці з бубном»!
Розгойдуємо ЛІА, вимкнений контролером
Для запобігання глибокому розряду літій іонні акумулятори забезпечені контролером, який занурює його у відключення. У такому разі при вимірі напруги на його клемах перед контролером можна виявити значення близько 2,5 вольт. Значить, батарея жива!
Для цього спочатку відключається (відпаюється) схема захисту.
Банк підключається до універсального пристрою для заряду-розряду (наприклад, Turnigy Accucell 6). При цьому прилад сам відстежує процес та відновлення проходить під його контролем.
Кнопкою TYPE вибирається програма заряду Li-Po, адже наш ЛІА на 3,7V.
За допомогою коротких натискань СТАРТ вибираються параметри заряду. Для Li-ion – значення 3,6 V, для Li-pol – 3,7 V.
Потрібно вибрати для параметра значення «AUTO», оскільки в нашому випадку заряд не почнеться через низький заряд батареї.
Струм заряду потрібно встановлювати на рівні десяти відсотків від ємності акумулятора (у нашому випадку 150 mA). Значення встановлюється кнопками "+" та "-".
При досягненні заряду батареї 4.2 V пристрій буде переведено в режим стабілізації напруги, а по завершенні процесу пролунає звуковий сигнал, а на дисплеї буде повідомлення «FULL».
І насамкінець відео про те, як не потрібно відновлювати батареї
Зауваження щодо техніки безпеки
Перед тим як відновити літій-іонний акумулятор, ви повинні згадати про наведені нижче правила.
- Не можна залишати проблемний ЛІА під час проведення ремонту без нагляду. Спонтанне спалах – це не загроза, а реальний факт.
- Необхідно періодично контролювати температуру акумулятора телефону виносною термопарою, можна електронним термометром або хоча б рукою. Якщо поверхня видалася гарячою, а не теплою, необхідно негайно припинити ремонт.
- Не використовуйте високі струми для заряджання. Можливий допустимий максимум – це 50 мА. Розраховується такий параметр шляхом розподілу напруги живлення БП на ємність резистора. Наприклад, при 12 В та 500 Ом - це буде 24 мА.
- Замість резистора допустиме використання стандартного 80 мм вентилятора для комп'ютера.
Пам'ятайте, що наведені методи не дають стовідсоткового результату, а відповідальність у будь-якому випадку лежить на вас самих. Особливо це стосується гуманітаріїв.
Не переоцінюйте свої знання та можливості. Краще зайвий раз порадьтеся зі знаючими людьми.
А своїм досвідом ділитесь з друзями та пишіть у коментарях.
Зростання споживчого інтересу до мобільних гаджетів і технологічної портативної техніки в цілому змушує виробників удосконалювати свою продукцію в різних напрямках. При цьому існує ціла низка загальних параметрів, робота над якими ведеться в одному руслі. До таких можна віднести спосіб енергозабезпечення. Лише кілька років тому активні учасники ринку могли спостерігати процес витіснення більш досконалими елементами нікель-металгідридного походження NiMH. Сьогодні суперництво ведуть між собою вже нові генерації батарей. Широко поширену літій-іонну технологію у деяких сегментах успішно витісняє літій-полімерний акумулятор. Відмінність від іонного в новому блоці не така помітна для рядового користувача, але в деяких аспектах вона істотна. При цьому, як і в разі конкуренції елементів NiCd і NiMH, технологія, що заміщає далеко не бездоганна і за деякими показниками поступається аналогу.
Пристрій акумулятора Li-ion
Перші моделі серійних акумуляторів на основі літію почали з'являтися ще на початку 1990-х років. Однак як активний електроліт тоді використовувався кобальт і марганець. У сучасних важливо не стільки речовина, скільки конфігурація його розміщення в блоці. Такі акумулятори складаються з електродів, які розділяються з порами сепаратором. Маса сепаратора, у свою чергу, якраз і просочується електролітом. Що стосується електродів, то їх представляє катодна основа на алюмінієвій фользі та мідний анод. Усередині блоку з'єднуються між собою клемами-токознімачами. Обслуговування заряду виконує позитивний заряд іон літію. Цей матеріал вигідний тим, що має здатність легко проникати в кристалічні решітки інших речовин, формуючи хімічні зв'язки. Втім, позитивних якостей таких батарей все частіше виявляється недостатньо для сучасних завдань, що зумовило появу елементів Li-pol, які мають чимало особливостей. Загалом варто відзначити і подібність літій-іонних джерел живлення з гелієвими повноформатними АКБ для автомобілів. В обох випадках батареї розробляються з розрахунком на фізичну практичність використання. Почасти цей напрямок розвитку продовжили і полімерні елементи.
Влаштування літій-полімерного акумулятора
Поштовхом для вдосконалення літієвих акумуляторів стала необхідність боротьби із двома недоліками існуючих батарей Li-ion. По-перше, вони небезпечні в експлуатації, а по-друге, досить дорого коштують. Позбавлятися даних мінусів технологи вирішили шляхом зміни електроліту. У результаті зміну просоченому пористому сепаратору прийшов полімерний електроліт. Потрібно відзначити, що полімер і раніше використовувався в електротехнічних потребах як пластикова плівка, що проводить струм. У сучасній батареї товщина елемента Li-pol досягає 1 мм, що також знімає з розробників обмеження щодо використання різних форм і розмірів. Але головне полягає у відсутності рідкого електроліту, завдяки чому виключається ризик займання. Тепер варто розглянути відмінності від літій-іонних елементів.
У чому головна відмінність від іонної батареї?
Принципова відмінність полягає у відмові від гелієвих та рідинних електролітів. Для більш повного розуміння цієї різниці варто звернутися до сучасних моделей акумуляторів. Потреба заміні рідкого електроліту була зумовлена, знову ж таки, інтересами безпеки. Але якщо у випадку з автомобільними АКБ прогрес зупинився на тих же пористих електролітах із просоченням, то літієві моделі отримали повноцінну тверду основу. Чим же такий твердотільний літій-полімерний акумулятор? Відмінність від іонного полягає в тому, що активна речовина у вигляді пластини в зоні контакту з літієм перешкоджає формуванню дендритів під час циклування. Саме цей фактор виключає можливість вибухів і спалахів таких батарей. Це лише те, що стосується переваг, але є й слабкі місця у нових елементів живлення.
Термін служби літій-полімерного акумулятора
У середньому такі акумулятори витримують близько 800-900 циклів заряджання. Цей показник є скромним і натомість сучасних аналогів, але не цей чинник можна як визначальний ресурс елемента. Справа в тому, що такі акумулятори схильні до інтенсивного старіння незалежно від характеру експлуатації. Тобто навіть якщо батарея зовсім не використовується, її ресурс скорочуватиметься. Причому немає значення, це літій-іонний акумулятор або літій-полімерний елемент. Усі джерела живлення, що базуються на літієвій основі, характеризуються цим процесом. Істотну втрату обсягом можна побачити вже за рік після придбання. Через 2-3 роки деякі батареї взагалі виходять з ладу. Але багато залежить від виробника, оскільки всередині сегмента теж є відмінності як виконання акумулятора. Аналогічні проблеми властиві і елементам NiMH, які зазнають старіння при різких температурних коливаннях.
Недоліки
Крім проблем зі швидким старінням, такі акумулятори потребують додаткової системи захисту. Це пов'язано з тим, що внутрішня напруга на різних ділянках може призвести до перегорання. Тому використовується особлива схема стабілізації, що запобігає перегріванням і перезарядам. Ця ж система спричиняє й інші недоліки. Головним є обмеження струму. Але, з іншого боку, додаткові захисні схеми роблять безпечнішим літій-полімерний акумулятор. Відмінність від іонного у плані вартості теж має місце. Полімерні батареї коштують дешевше, але ненабагато. Їхній цінник також підвищується через впровадження електронних захисних схем.
Експлуатаційні особливості гелеподібних модифікацій
З метою підвищення електропровідності в полімерні елементи технологи все ж таки додають гелеподібний електроліт. Про перехід на такі речовини не йдеться, оскільки це суперечить концепції даної технології. Але в портативній техніці часто використовують саме гібридні елементи живлення. Їх особливість полягає у чутливості до температури. Виробники рекомендують використовувати такі моделі батарей в умовах від 60°C до 100°C. Ця вимога визначила особливу нішу застосування. Використовувати гелеподібні моделі можна тільки в місцях зі спекотним кліматом, не кажучи про необхідність занурення в теплоізольований корпус. Проте питання про те, який акумулятор вибрати – Li-pol чи Li-ion, – не так гостро стоїть на підприємствах. Там, де особливий вплив має температура, часто використовуються комбіновані рішення. Полімерні елементи в таких випадках зазвичай використовують як резервні.
Оптимальний метод заряджання
Звичайний час заповнення заряду у літієвих акумуляторів становить у середньому 3 год. Причому в процесі заряджання блок залишається холодним. Наповнення відбувається у два етапи. На першому напруга досягає пікових величин і такий режим підтримується до набору 70%. Інші 30% набираються вже в умовах нормальної напруги. Цікаве й інше питання – як заряджати літій-полімерний акумулятор, якщо потрібно у постійному режимі підтримувати його повний об'єм? У такому випадку слід дотримуватись графіка підзарядок. Цю процедуру рекомендується проводити кожні 500 год експлуатації з повною розрядкою.
Запобіжні заходи
У процесі експлуатації слід застосовувати лише відповідний за характеристиками зарядний пристрій, підключаючи його до мережі зі стабільною напругою. Також необхідно перевіряти стан роз'ємів, щоб не відбулося розмикання акумулятора. Важливо враховувати, що, незважаючи на високий рівень безпеки, це все ж таки чутливий до перевантажень тип акумулятора. Літій-полімерний елемент не терпить перевищення показників струму, надмірного охолодження довкілля та механічних ударів. Втім, за всіма цими показниками полімерні блоки все ж таки надійніші, ніж літій-іонні. І все-таки головний аспект безпеки полягає у нешкідливості твердотільних джерел живлення - зрозуміло, за умови підтримки їхньої герметичності.
Який акумулятор краще – Li-pol чи Li-ion?
Це питання більшою мірою визначається умовами експлуатації та цільовим об'єктом енергопостачання. Основні переваги полімерних пристроїв швидше відчутні для самих виробників, які можуть вільніше використовувати нові технології. Для користувача різниця буде малопомітною. Наприклад, у питанні про те, як заряджати літій-полімерний акумулятор, власнику доведеться більше уваги приділяти якості джерела енергопостачання. А за часом заряду це ідентичні елементи. Що ж до довговічності, то цьому параметрі теж ситуація неоднозначна. Ефект старіння переважно характеризує полімерні елементи, але практика показує різні приклади. Наприклад, є відгуки про літій-іонні елементи, які стають непридатними вже за рік користування. А полімерні у деяких апаратах експлуатуються по 6-7 років.
Висновок
Навколо акумуляторів зберігається безліч міфів і помилкових суджень, що стосуються різних нюансів експлуатації. І навпаки, деякі особливості батарей замовчуються виробниками. Що стосується міфів, то один із них спростовує літій-полімерний акумулятор. Відмінність від іонного аналога у тому, що полімерні моделі відчувають менше внутрішніх навантажень. З цієї причини сеанси зарядки акумуляторів, що ще не сів, не надають шкідливого впливу на характеристики електродів. Якщо ж говорити про факти, що приховуються виробниками, то один з них стосується довговічності. Як мовилося раніше, ресурс акумуляторів характеризується як скромним показником циклів зарядки, а й неминучою втратою корисного обсягу елемента живлення.
Найчастіше в мобільних пристроях (ноутбуки, мобільні телефони, КПК та інші) застосовують літій-іонні (Li-ion) акумулятори. Це пов'язано з їх перевагами в порівнянні з нікель-металгідридними (Ni-MH) і нікель-кадмієвими (Ni-Cd) акумуляторами, що широко використовувалися раніше.
У Li-ion акумуляторів значно найкращі параметри.
Первинні елементи ("батарейки") з літієвим анодом з'явилися на початку 70-х років 20 століття і швидко знайшли застосування завдяки великій питомій енергії та іншим перевагам. Таким чином, було здійснено давнє прагнення створити хімічне джерело струму з найбільш активним відновником – лужним металом, що дозволило різко підвищити як робочу напругу акумулятора, так і його питому енергію. Якщо розробка первинних елементів з літієвим анодом увінчалася порівняно швидким успіхом і такі елементи міцно посіли своє місце як джерела живлення портативної апаратури, створення літієвих акумуляторів наштовхнулося на принципові труднощі, подолання яких вимагало більше 20 років.
Після багатьох випробувань протягом 1980-х років з'ясувалося, що проблема літієвих акумуляторів закручена навколо літієвих електродів. Точніше, навколо активності літію: процеси, що відбувалися при експлуатації, зрештою, призводили до бурхливої реакції, що отримала назву "вентиляція з викидом полум'я". У 1991 р. на заводи-виробники було відкликано велику кількість літієвих акумуляторних батарей, які вперше використовували як джерело живлення мобільних телефонів. Причина - під час розмови, коли споживаний струм максимальний, з акумуляторної батареї відбувався викид полум'я, що обпікав обличчя користувачеві мобільного телефону.
Через властиву металевому літію нестабільності, особливо в процесі заряду, дослідження зрушили в область створення акумулятора без застосування Li, але з використанням його іонів. Хоча літій-іонні акумулятори забезпечують трохи меншу енергетичну щільність, ніж літієві акумулятори, проте Li-ion акумулятори безпечні при забезпеченні правильних режимів заряду та розряду.
Хімічні процеси акумуляторів Li-ion.
Революцію в розвитку літієвих акумуляторів, що перезаряджаються, справило повідомлення про те, що в Японії розроблені акумулятори з негативним електродом з вуглецевих матеріалів. Вуглець виявився дуже зручною матрицею для інтеркаляції літію.
Для того щоб напруга акумулятора була досить великою, японські дослідники використовували як активний матеріал позитивного електрода оксиди кобальту. Літерований оксид кобальту має потенціал близько 4 В щодо літієвого електрода, тому робоча напруга Li-ion акумулятора має характерне значення 3 і вище.
При розряді Li-ion акумулятора відбуваються деінтеркаляція літію з вуглецевого матеріалу (на негативному електроді) та інтеркаляція літію в оксид (на позитивному електроді). При заряді акумулятора процеси йдуть у зворотному напрямку. Отже, у всій системі відсутній металевий (нуль-валентний) літій, а процеси розряду та заряду зводяться до перенесення іонів літію з одного електрода на інший. Тому такі акумулятори отримали назву "літій-іонних", або акумуляторів типу крісла-гойдалки.
Процеси на негативному електроді Li-ion акумулятора.
У всіх Li-ion акумуляторах, доведених до комерціалізації, негативний електрод виготовляється із вуглецевих матеріалів. Інтеркаляція літію в вуглецеві матеріали є складним процесом, механізм і кінетика якого значною мірою залежать від природи вуглецевого матеріалу та природи електроліту.
Вуглецева матриця, що використовується як анод, може мати упорядковану шарувату структуру, як у природного або синтетичного графіту, неупорядковану аморфну або частково впорядковану (кокс, піролізний або мезофазний вуглець, сажа та ін.). Іони літію при впровадженні розсувають шари вуглецевої матриці та розташовуються між ними, утворюючи інтеркалати різноманітних структур. Питома кількість вуглецевих матеріалів у процесі інтеркаляції-деінтеркаляції іонів літію змінюється незначно.
Крім вуглецевих матеріалів як матриці негативного електрода вивчаються структури на основі олова, срібла та їх сплавів, сульфіди олова, фосфориди кобальту, композити вуглецю з наночастинками кремнію.
Процеси на позитивному електроді Li-ion акумулятора.
Якщо первинних літієвих елементах застосовуються різноманітні активні матеріали для позитивного електрода, то літієвих акумуляторах вибір матеріалу позитивного електрода обмежений. Позитивні електроди літій-іонних акумуляторів створюються виключно з літованих оксидів кобальту або нікелю та з літій-марганцевих шпінелів.
В даний час як катодні матеріали все частіше застосовуються матеріали на основі змішаних оксидів або фосфатів. Показано, що з катодами змішаних оксидів досягаються найкращі характеристики акумулятора. Освоюються та технології покриттів поверхні катодів тонкодисперсними оксидами.
Конструкція Li-ion акумуляторів
Конструктивно Li-ion акумулятори, як і лужні (Ni-Cd, Ni-MH), виробляються у циліндричному та призматичному варіантах. У циліндричних акумуляторах згорнутий у вигляді рулону пакет електродів і сепаратора поміщений у сталевий або алюмінієвий корпус, з яким з'єднаний негативний електрод. Позитивний полюс акумулятора виведено через ізолятор на кришку (рис. 1). Призматичні акумулятори виробляються складання прямокутних пластин один на одного. Призматичні акумулятори забезпечують більш щільну упаковку в акумуляторній батареї, але в них важче, ніж у циліндричних, підтримувати зусилля на електроди. У деяких призматичних акумуляторах застосовується рулонне складання пакету електродів, що скручується в еліптичну спіраль (рис. 2). Це дозволяє об'єднати переваги двох описаних вище модифікацій конструкції.
Рис.1 Влаштування циліндричного Li-Ion акумулятора.
Рис.2. Пристрій призматичного літій-іонного (Li-ion) акумулятора з рулонним скручуванням електродів.
Деякі конструктивні заходи зазвичай вживаються і для запобігання швидкому розігріву та забезпечення безпеки роботи Li-ion акумуляторів. Під кришкою акумулятора є пристрій, що реагує на позитивний температурний коефіцієнт збільшенням опору, та інше, яке розриває електричний зв'язок між катодом і позитивною клемою при підвищенні тиску газів всередині акумулятора вище за допустиму межу.
Для підвищення безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів у складі батареї обов'язково застосовується також і зовнішній електронний захист, мета якого не допустити можливість перезаряджання та перерозряджання кожного акумулятора, короткого замикання та надмірного розігріву.
Більшість Li-ion акумуляторів виготовляють у призматичних варіантах, оскільки основне призначення Li-ion акумуляторів – забезпечення роботи мобільних телефонів та ноутбуків. Як правило, конструкції призматичних акумуляторів не уніфіковані і більшість фірм-виробників стільникових телефонів, ноутбуків тощо не допускають застосування в пристроях акумуляторів сторонніх фірм.
Характеристики Li-ion акумуляторів.
Сучасні Li-ion акумулятори мають високі питомі характеристики: 100-180 Втч/кг та 250-400 Втч/л. Робоча напруга – 3,5-3,7 Ст.
Якщо ще кілька років тому розробники вважали досяжною ємність Li-ion акумуляторів не вищою за кілька ампер-годин, то зараз більшість причин, що обмежують збільшення ємності, подолано і багато виробників стали випускати акумулятори ємністю в сотні ампер-годин.
Сучасні малогабаритні акумулятори працездатні при струмах розряду до 2°С, потужні – до 10-20°С. Інтервал робочих температур від -20 до +60 °С. Однак багато виробників вже розробили акумулятори, які є працездатними при -40 °С. Можливе розширення температурного інтервалу в область вищих температур.
Саморозряд Li-ion акумуляторів становить 4-6% за перший місяць, потім - значно менше: за 12 місяців акумулятори втрачають 10-20% запасної ємності. Втрати ємності в Li-ion акумуляторів у кілька разів менше, ніж у нікель-кадмієвих акумуляторів, як при 20 °С, так і при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклів.
Заряджання Li-ion акумуляторів.
Li-ion акумулятори заряджаються в комбінованому режимі: спочатку при постійному струмі (в діапазоні від 0,2 до 1 С) до напруги 4,1-4,2 В (залежно від рекомендацій виробника), далі при постійному напрузі. Перша стадія заряду може тривати близько 40 хв, друга стадія довше. Швидший заряд може бути досягнутий за імпульсного режиму.
У початковий період, коли тільки з'явилися Li-ion акумуляторні батареї, що використовують графітову систему, потрібно обмеження напруги заряду з розрахунку 4,1 на елемент. Хоча використання вищої напруги дозволяє підвищити енергетичну щільність, окислювальні реакції, що відбувалися в елементах такого типу при напругах, що перевищують поріг 4,1, призводили до скорочення їх терміну служби. Згодом цей недолік ліквідували за рахунок застосування хімічних добавок, і в даний час Li-ion елементи можна заряджати до напруги 4,20 В. Допустиме відхилення напруги становить лише ±0,05 на елемент.
Li-ion акумуляторні батареї промислового та військового призначення повинні мати більший термін служби, ніж батареї для комерційного використання. Тому для них гранична напруга кінця заряду становить 3,90 на елемент. Хоча енергетична щільність (кВтч/кг) у таких батарей нижча, підвищений термін служби при невеликих розмірах, малій вазі та вища порівняно з батареями інших типів енергетична щільність ставлять Li-ion батареї поза конкуренцією.
При заряді Li-ion акумуляторних батарей струмом 1С час заряду становить 2-3 год. Li-ion батарея досягає стану повного заряду, коли напруга на ній стає рівною напруги відсікання, а струм при цьому значно зменшується і становить приблизно 3% від початкового струму заряду (Рис.3).
Рис.3. Залежність напруги та струму від часу при заряді літій-іонного (Li-ion) акумулятора
Якщо на рис.3 зображено типовий графік заряду одного з типів Li-ion акумуляторів, то на рис.4 процес заряду показаний наочно. При підвищенні струму заряду Li-ion батареї час заряду скільки-небудь значно не скорочується. Хоча при вищому струмі заряду напруга на батареї наростає швидше, етап підзарядки після першого етапу циклу заряду триває довше.
У деяких типах зарядних пристроїв для заряджання літій-іонної акумуляторної батареї потрібно 1 годину і менше. У таких зарядних пристроях етап 2 виключено, і батарея переходить у стан готовності відразу після закінчення етапу 1. У цій точці Li-ion батарея буде заряджена приблизно на 70% і після цього можлива додаткова підзарядка.
Рис.4. Залежність напруги та струму від часу при заряді Li-ion акумулятора.
- ЕТАП 1 - Через акумулятор протікає максимально допустимий струм заряду, поки напруга не досягне порогового значення.
- ЕТАП 2 - Максимальна напруга на акумуляторі досягнуто, струм заряду поступово знижується, доки він повністю не зарядиться. Момент завершення заряду настає, коли величина струму заряду знизиться до значення 3% від початкового.
- ЕТАП 3 - Періодичний компенсуючий заряд, що проводиться під час зберігання акумулятора, орієнтовно через кожні 500 годин зберігання.
Етап струменевої підзарядки для Li-ion акумуляторів не застосовується через те, що вони не можуть поглинати енергію при перезарядженні. Більше того, струменеве підзаряджання може спричинити металізацію літію, що робить роботу акумулятора нестабільною. Навпаки, коротка заряджання постійним струмом здатна компенсувати невеликий саморозряд Li-ion батареї і компенсувати втрати енергії, викликані роботою її пристрою захисту. Залежно від типу зарядного пристрою та ступеня саморозряду Li-ion батареї, така підзарядка може виконуватися через кожні 500 годин, або 20 днів. Зазвичай її слід здійснювати при зниженні напруги холостого ходу до 4,05 В/елемент і припиняти, коли вона досягне 4,20 В/елемент.
Отже, Li-ion акумулятори мають низьку стійкість до перезаряду. На негативному електроді на поверхні вуглецевої матриці при значному перезаряді стає можливим осадження металевого літію (у вигляді дрібно роздробленого мошистого осаду), що має велику реакційну здатність до електроліту, а на катоді починається активне виділення кисню. Виникає загроза теплового розгону, підвищення тиску та розгерметизації. Тому заряд Li-ion акумуляторів можна вести лише до напруги, що рекомендується виробником. У разі збільшення зарядної напруги ресурс акумуляторів знижується.
Безпечній роботі Li-ion акумуляторних батарей слід приділяти серйозну увагу. У батареях Li-ion комерційного призначення є спеціальні пристрої захисту, що запобігають перевищенню напруги заряду вище певного порогового значення. Додатковий елемент захисту забезпечує завершення заряду, якщо температура батареї досягне 90 °С. Найбільш досконалі конструкції батареї мають ще один елемент захисту - механічний вимикач, який спрацьовує при збільшенні внутрішньокорпусного тиску батареї. Вбудована система контролю напруги налаштована на дві напруги відсічення - верхнє та нижнє.
Є й винятки – Li-ion акумуляторні батареї, в яких пристрої захисту взагалі відсутні. Це акумуляторні батареї, до складу яких входить марганець. Завдяки його наявності при перезаряді реакції металізації анода і виділення кисню на катоді відбуваються настільки повільно, що стало можливим відмовитися від застосування пристроїв захисту.
Збереження Li-ion акумуляторів.
Всі літієві акумулятори характеризуються досить гарною безпекою. Втрата ємності з допомогою саморозряду 5-10 % на рік.
Наведені показники слід як деякі номінальні орієнтири. Для кожного конкретного акумулятора, наприклад розрядна напруга залежить від струму розряду, рівня розрядженості, температури; ресурс залежить від режимів (струмів) розряду та заряду, температури, глибини розряду; діапазон робочих температур залежить від рівня вироблення ресурсу, допустимих робочих напруг тощо.
До недоліків Li-ion акумуляторів слід віднести чутливість до перезарядів і перерозрядів, тому вони повинні мати обмежувачі заряду і розряду.
Типовий вид розрядних характеристик Li-ion акумуляторів зображено на рис. 5 і 6. З малюнків видно, що зі зростанням струму розряду розрядна ємність акумулятора знижується незначно, але зменшується робоча напруга. Такий ефект з'являється при розряді при температурі нижче 10 °С. Крім цього, при низьких температурах має місце початкова просадка напруги.
Рис.5. Розрядні характеристики Li-ion акумулятора за різних струмів.
Рис.6. Розрядні характеристики Li-ion акумулятора за різної температури.
Що стосується експлуатації Li-ion акумуляторів взагалі, то, враховуючи всі конструктивні та хімічні способи захисту акумуляторів від перегріву і уявлення про необхідність зовнішнього електронного захисту акумуляторів від перезаряду і перерозряду, можна вважати проблему безпеки експлуатації Li-ion акумуляторів вирішеною. А нові катодні матеріали часто забезпечують ще більшу термічну стабільність акумуляторів Li-ion.
Безпека Li-ion акумуляторів.
При розробці літієвих та літій-іонних акумуляторів, як і при розробці первинних літієвих елементів, питанням безпеки зберігання та використання приділялася особлива увага. Усі акумулятори мають захист від внутрішніх коротких замикань (а окремих випадках - і від зовнішніх коротких замикань). Ефективним способом такого захисту є застосування двошарового сепаратора, один із шарів якого виготовляється не з поліпропілену, а з матеріалу, аналогічного поліетилену. У випадку короткого замикання (наприклад, через проростання дендритів літію до позитивного електрода) за рахунок локального розігріву цей шар сепаратора підплавляється і стає непроникним, запобігаючи таким чином подальшому проростанню дендритів.
Пристрої захисту Li-ion акумуляторних батарей.
Li-ion акумуляторні батареї комерційного призначення мають найдосконаліший захист серед усіх типів батарей. Як правило, у схемі захисту Li-ion батарей використовується ключ на польовому транзисторі, який при досягненні на елементі батареї напруги 4,30 В відкривається і тим самим перериває процес заряду. Крім того, термозапобіжник при нагріванні батареї до 90 °С від'єднує ланцюг її навантаження, забезпечуючи таким чином її термальний захист. Але це не все. Деякі акумулятори мають вимикач, який спрацьовує при досягненні порогового рівня тиску всередині корпусу, що дорівнює 1034 кПа (10,5 кг/м2) і розриває ланцюг навантаження. Є і схема захисту від глибокого розряду, яка стежить за напругою акумуляторної батареї та розриває ланцюг навантаження, якщо напруга знизиться до рівня 2,5 на елемент.
Внутрішній опір схеми захисту акумуляторної батареї мобільного телефону у стані становить 0,05-0,1 Ом. Конструктивно вона складається із двох ключів, з'єднаних послідовно. Один із них спрацьовує при досягненні верхнього, а інший - нижнього порогу напруги на батареї. Загальний опір цих ключів фактично створює подвоєння її внутрішнього опору, особливо якщо батарея складається лише з одного акумулятора. Батареї живлення мобільних телефонів повинні забезпечувати великі струми навантаження, що можливе за максимально низького внутрішнього опору батареї. Таким чином, схема захисту є перешкодою, що обмежує робочий струм Li-ion батареї.
У деяких типах Li-ion батарей, що використовують у своєму хімічному складі марганець і які складаються з 1-2 елементів, схема захисту не застосовується. Натомість у них встановлений лише один запобіжник. І такі батареї є безпечними через їхні малі габарити і невелику ємність. Крім того, марганець досить терпимий до порушень правил експлуатації Li-ion батареї. Відсутність схеми захисту зменшує вартість Li-ion батареї, але дає нові проблеми.
Зокрема, користувачі мобільних телефонів можуть використовувати для підзарядки батарей позаштатні зарядні пристрої. При використанні недорогих зарядних пристроїв, призначених для підзарядки від мережі або від бортової мережі автомобіля, можна бути впевненим, що при наявності в батареї схеми захисту вона відключить її при досягненні напруги кінця заряду. Якщо ж схема захисту відсутня, станеться перезаряд батареї і, як наслідок, її необоротний вихід із ладу. Цей процес зазвичай супроводжується підвищеним нагріванням та роздуттям корпусу батареї.
Механізми, що призводять до зменшення ємності Li-ion акумуляторів
При циклуванні Li-ion акумуляторів серед можливих механізмів зниження ємності найчастіше розглядаються такі:
- руйнування кристалічної структури катодного матеріалу (особливо LiMn2O4);
- Розшарування графіту;
- нарощування пасивної плівки на обох електродах, що призводить до зниження активної поверхні електродів та блокування дрібних пор;
- осадження металевого літію;
- механічні зміни структури електрода внаслідок об'ємних коливань активного матеріалу під час циклування.
Дослідники розходяться на думці, який електродів зазнає великих змін при циклуванні. Це залежить як від природи вибраних електродних матеріалів, так і від їхньої чистоти. Тому для Li-ion акумуляторів вдається описати лише якісно зміну їх електричних та експлуатаційних параметрів у процесі експлуатації.
Зазвичай ресурс комерційних Li-ion акумуляторів до зниження розрядної ємності на 20% становить 500-1000 циклів, але він залежить від величини граничного зарядного напруги (рис.7). Зі зменшенням глибини циклування ресурс підвищується. Спостережуване підвищення терміну служби пов'язують із зменшенням механічної напруги, що викликається, змінами обсягу електродів впровадження, які залежать від ступеня їх зарядженості.
Рис.7. Зміна ємності Li-ion акумулятора при різній граничній напрузі заряду
Підвищення температури експлуатації (в межах робочого інтервалу) може збільшити швидкість побічних процесів, що зачіпають межу розділу електрод-електроліт, і трохи підвищити швидкість зменшення розрядної ємності з циклами.
Висновок.
В результаті пошуків найкращого матеріалу для катода сучасні Li-ion акумулятори перетворюються на ціле сімейство хімічних джерел струму, які помітно відрізняються один від одного як енергоємністю, так і параметрами режимів заряду/розряду. Це, у свою чергу, вимагає істотного збільшення інтелектуальності схем контролю, які до теперішнього часу стали невід'ємною частиною акумуляторних батарей і пристроїв, що живляться - в іншому випадку можливе пошкодження (у тому числі незворотне) як батарей, так і пристроїв. Завдання ускладнюється ще й тим, що розробники намагаються максимально повно використовувати енергію акумуляторів, домагаючись підвищення часу автономної роботи при мінімально об'ємі і вазі, що займається джерелом живлення. Це дозволяє досягти суттєвих конкурентних переваг. На думку Д. Хікока, віце-президента Texas Instruments з силових компонентів мобільних систем, при використанні катодів з нових матеріалів розробники акумуляторів далеко не відразу досягають тих же конструкційних та експлуатаційних характеристик, що й у випадку з традиційнішими катодами. У результаті, нові акумулятори часто мають значні обмеження діапазону умов експлуатації. Мало того, останнім часом на ринок крім традиційних виробників акумуляторних осередків і батарей – Sanyo, Panasonic та Sony – дуже активно пробиваються нові виробники, здебільшого з Китаю. На відміну від традиційних виробників, вони постачають продукцію з значно більшим розкидом параметрів у межах однієї технології або навіть однієї партії. Це з їх бажанням конкурувати переважно з допомогою низької ціни продукції, що часто призводить до економії дотриманні вимог технологічного процесу.
Отже, нині значно зростає важливість інформації, що надається т.зв. "Розумні акумулятори": ідентифікація акумулятора, температура акумулятора, залишковий заряд і допустима перенапруга. За словами Хікока, якщо розробники готових пристроїв конструюватимуть підсистему живлення, яка враховує як умови експлуатації, так і параметри осередків, це дозволить нівелювати відмінності в параметрах акумуляторів і підвищити ступінь свободи для кінцевих користувачів, що надасть їм можливість вибирати не тільки рекомендовані виробником пристрої, але та акумулятори інших компаній.
