Типы литиевых аккумуляторов

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток разновидностей, каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Типы литиевых аккумуляторов

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Li-ion батареи

Типы литиевых аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы — это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

LTO батареи

Типы литиевых аккумуляторов

Литий-титанат (титанат лития) — это относительно новый класс литий-ионных АКБ — (подробнее читайте тут). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Типы литиевых аккумуляторов

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах.

В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности.

К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

  • Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
  • Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
  • Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
  • Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
  • Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
  • Срок годности: >10 лет
  • Саморазряд: 2-5 %/месяц
  • Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
  • Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
  • Температура: от -40 до +55°C
  • Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Li-Polymer батареи

Типы литиевых аккумуляторов

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Типы литиевых аккумуляторов

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов.

Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре.

Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

  • Номинальное напряжение: 3,7 В
  • Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
  • Ток заряда, скорость: 0.2-10С
  • Предельное напряжение разряда: 2.5 В
  • Скорость разряда: до 50С
  • Выносливость в циклах: 400 циклов

LiFePO4 батареи

Типы литиевых аккумуляторов

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

Типы литиевых аккумуляторов

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени.

Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик.

 Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Li-SO2 батареи

Типы литиевых аккумуляторов

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) — эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Типы литиевых аккумуляторов

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

  • Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
  • Чрезвычайно низкий саморазряд
  • Работоспособность в экстремальных условиях 
  • Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) — такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

  • Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании. 
  • Особенности:
  • Высокая плотность энергии
  • Очень стабильное напряжение разрядки
  • Более чем 10-ти летний срок хранения
  • Рабочая температура: -40 до +60°С

Li-SOCL2 батареи

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

  • Высокая плотность энергии
  • Долгий срок годности при хранении
  • Широкий температурный диапазон
  • Хорошая герметизация
  • Стабильное разрядное напряжение

Li-FeS2 батареи

Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.

   Справочники радиодеталей

Современные типы литиевых батарей и их использование

С момента изобретения аккумуляторных батарей литиевого типа, они снискали огромную популярность в мире.

Практичные, износоустойчивые, рассчитанные на длительный период эксплуатации, эти элементы питания с успехом поддерживают работоспособность не только различной электроники, но и большинства современных индивидуальных транспортных средств с электродвигателями: от складных электровелосипедов и самокатов до гироскутеров, моноколес и сигвеев. Постепенно их берут на вооружение и автомобилестроительные компании, создающие более габаритную технику.

Способствует росту спроса на эту продукцию и тот факт, что в мире постоянно создаются новые виды Li-ion аккумуляторов, возникают более совершенные конструкции, а инженеры постоянно бьются над решением проблемы изобретения долговечной, легкой, экономно расходующей заряд и, в то же время, достаточно мощной батареи.

Типы литиевых аккумуляторов

Самый популярный формат мощного литиевого аккумулятора – литий-ионные. Они поставляются на рынок с разным объемом, с разными токами разряда.

Чтобы добиться изменения характеристик батареи, производители прибегают к различным манипуляциям. Например, наращивают слой электродной массы на фольге, чтобы увеличить удельные показатели устройства.

Также с этой целью могут корректироваться толщина электрода или сепаратора,

  • изменяться размеры элементов в составе активной массы, выбираться разные материалы для производства электродов.
  • Традиционно, те из Li-батарей, которые рассчитаны на работу со стартерами, выполняются с максимальной мощностью, в то время как элементы питания мобильных девайсов и всевозможной электроники делаются с упором на большую емкость.
  • Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:
  • Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.
  • Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокой Типы литиевых аккумуляторовмощности, достаточно безопасный, однако характеризующийся не слишком большой емкостью. Их чаще всего поставляют в качестве комплектующих электровелосипедов: как горных, так и складывающихся. Подобные решения имеют небольшой вес, демонстрируют отличную скорость зарядки, но отличаются не слишком большой долговечностью. Впрочем, совсем недавно ученые сумели совместить литий-марганцевые конструкции с литий-никель-марганец-кобальтовыми, получив, в результате, более продвинутую батарею с хорошей энергоемкостью и продленным сроком службы.
  • Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи.. В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ — хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
  • АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
  • Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.
  • Типы литиевых аккумуляторовЛитий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур — главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.
Читайте также:  Где используется аккумулятор 14500 и его свойства

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания.

Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2.

Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

Форматы и размеры литиевых аккумуляторов

В зависимости от конструкции электрода выделяют рулонные системы (скрученные вокруг пластины) и цилиндрические, составленные из набора элементов (традиционная основа призматических батарей). Рулоны просто собирать, но они максимально эффективны только там, где требуются малая емкость и мощность.

Цилиндрические батарейки оснащаются винтовыми борнами или стандартными контактными площадками (в качестве токовыводов). Среди мелкогабаритных наиболее распространены форматы аккумуляторов Li-ion 18650, напоминающие обычные пальчиковые батарейки.

В зависимости от конструкции корпуса различают цилиндрические, призматические устройства, а также оснащенные фольговой оболочкой.

  • Типы литиевых аккумуляторовЦилиндрический корпус выгоден за счет того, что он обеспечивает минимальное изменение объема элемента питания в ходе его продолжительного использования. Электроды в таких АКБ всего представлены в виде рулонов.
  • Призматические системы могут снабжаться винтовыми борнами или контактными площадками под лепестки. Их очень часто задействуют при сборке электротранспорта, особенно – на заводах компаний азиатского региона.
  • Ламинированная фольга в качестве корпуса стала популярна после широкого распространения литий-полимерных АКБ. В них применяется особый электролит на полимерах с гелем и ионами лития. Это мягкий и гибкий материал, который мало весит и его удобно запаивать в фольгу. Токовыводы у таких аккумуляторов могут быть как на одной стороне, так и на разных.

В зависимости от конкретных задач, которые ставятся перед аккумуляторами, они могут принимать различные формы. Например, для электровелосипедов часто закупается литий ионный аккумулятор тип бутылка – его удобно монтировать на двухколесном транспортном средстве, встраивать в раму.

Размеры литий ионных батарей

Для определения формата аккумулятора литий-ион была разработана универсальная система маркировки АКБ. Каждый элемент питания, попадающий на рынок, обозначается буквенно-циферной комбинацией, в которую закладываются данные о его габаритах, составе, форме. Читать маркировку цилиндрических батарей следует таким образом:

  1. первая пара цифр говорит о диаметре изделия, указанном в миллиметрах;
  2. вторая пара цифр указывает на длину батареи;
  3. последнее значение является ссылкой на форму элемента питания (в случае с наиболее распространенными цилиндрическими устройствами их форма будет обозначена как 0).

Типы литиевых аккумуляторовСуществует множество типоразмеров АКБ формы цилиндр: от небольших 10180 (диаметр – 10 мм, длина – 18 мм) и 10280 (диаметр – 10 мм, длина – 28 мм) до габаритных 32650 (диаметр – 32 мм, длина – 65 мм), 42120 (диаметр – 42 мм, длина – 12 мм).

Обозначение аккумуляторов класса; таблетка несколько иное. На их тип указывают буквы CR, вводимые в начале маркировки, далее следует две цифры – ссылка на диаметр в миллиметрах и еще две последующие – высота изделия (в десятых долях миллиметров).

Для нужд отрасли и упрощения подбора аккумуляторов производителями и покупателями были разработаны специальные сводные таблицы типоразмеров. Заглядывая в них можно увидеть тип, маркировку каждого аккумулятора и схожие с ним типоразмеры.

Читая данные таблицы, стоит, однако, принимать во внимание, что указанные в них параметры только примерно отражают характеристики изделий.

Например, толщина защитной платы может быть 3 миллиметра, а наружное покрытие значительно больше, чем на стандартных батарейках.

Дополнительно в маркировках производители часто указывают химические элементы, входящие в состав аккумуляторных батарей. Например, согласно общепринятому стандарту, ICR является обозначением кобальта, NCR – никеля и кобальта, IMR – марганца, INR – никеля и марганца.

Например, значение IMR22650, обнаруживаемое на батарейке, указывает на цилиндрическую перезаряжаемую батарею, выполненную на базе марганца, имеющую диаметр 22 миллиметра, а длину – 65 миллиметров.

Если тема литий-ионных АКБ и их разновидностей заинтересовала вас, рекомендуем посмотреть видео, посвященное сравнению видов различных исполнений аккумуляторов:

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

Все о литий-ионных аккумуляторах

13 декабря 2019

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) на сегодняшней день являются одни из самых распространенных. Фотоаппараты, смартфоны, видеокамеры, электроинструменты – это лишь небольшая часть списка предметов, в которых используется этот источник питания. Это один из самых новых типов аккумуляторов (первый был выпущен в 1991 году), а в 2019 году за его изобретение трем ученым дали Нобелевскую премию.

Хотя литий-ионные аккумуляторы относятся к самым распространенным, их нельзя назвать идеальным, у них есть не только плюсы, но и минусы. Другое дело, что альтернатив нет, что и обуславливает их повсеместное использование. В нашей статье мы подробно разберем их устройство, плюсы, минусы, особенности работы и другие важные нюансы.

Принцип работы и устройство

Ниже на схеме можно посмотреть устройство литий-ионного аккумулятора. У него есть два типа электродов: катоды на алюминиевой фольге и аноды на медной, которые разделены пористым сепаратором, который, в свою очередь, пропитан электролитом. Заряд переносит ион лития, которые может внедряться в кристаллические решетки иных материалов, образовывая химические связи.

Если говорить простым языком, то при подаче напряжения на электроды, ионы лития переходят из литиевого катода в угольный, что сопровождается химической реакцией, а при подаче нагрузки (то есть, при зарядке), происходит обратный процесс.

К сожалению, при зарядке отрицательный электрод восстанавливается не до конца, кроме того, продукты окисления постепенно скапливаются, поэтому Li-ion АКБ постепенно теряет свою емкость и сделать с этим ничего нельзя.

Особенно ярко это видно на примере смартфонов, которые в самом начале эксплуатации могут работать 10 часов в активном режиме, а через год-два это значение может очень существенно сократиться.

На практике считается, что при снижении емкости на 30-35%, жизненный цикл литий-ионного аккумулятора завершается и его нужно менять.

Устройство литий-ионного аккумулятора подразумевает использование платы, которая контролирует зарядку (это необходимо). Впрочем, о зарядке мы еще поговорим отдельно: там особый процесс. Также отметим, что в качестве катодных материалов сегодня используют разные соединения: литий-феррофосфат, литий-марганцевая шпинель, кобальт лития.

Типы литиевых аккумуляторов

Преимущества

К ключевым преимуществам относят следующие параметры:

  • Очень высокая энергоплотность (соотношения количества мАч и объема);
  • Высокий ток при работе;
  • Нет необходимости в обслуживании;
  • Саморазряд очень низкий;
  • Готовность к эксплуатации в любой момент;
  • Нет эффекта памяти;
  • Возможность создавать аккумуляторы любых размеров и форм;
  • Диапазон рабочих температур очень широкий.

Каждое из преимуществ обуславливает применение литий-ионных аккумуляторов в той или иной сфере. Например, высокая энергетическая плотность делает их фактически безальтернативным источником энергии для компактных устройств.

Недостатки

Список недостатков литий-ионных аккумуляторов короче, но и здесь есть достаточно важные моменты. Отметим, что некоторые особенности мы будем подробно разбирать в следующем разделе, так как они очень важны.

  • Дорогие (относительно других АКБ);
  • При высоких температурах работа ухудшается, при низких снижается емкость, хотя диапазон все же широк;
  • Срок службы зависит от времени использования;
  • Опасность взрыва или возгорания;
  • Не самое большое количество циклов зарядки и разрядки;
  • Недопустимы механические повреждения;
  • Требуют строгого соблюдения правил зарядки и иных требований к эксплуатации.

Особенности литий-ионных аккумуляторов

Некоторые плюсы и минусы, а также особенности литий-ионных аккумуляторов стоит разобрать отдельно. В первую очередь те, которые оказывают существенное влияние на эксплуатацию и срок жизни АКБ.

Опасность взрыва и возгорания

Считается, что это одна из ключевых проблем. Именно поэтому их запрещено провозить в багаже на самолетах. Тем не менее, в данный момент опасность преувеличена (хотя, в случае с авиацией, лучше перестраховаться и здесь запрет имеет смысл).

Часто взрывались литий-ионные аккумуляторы первого поколения, где анод был из лития. После циклов зарядки и разрядки на нем образовывались дендриты, которые приводили к замыканию, которое и вызывало возгорание или взрыв.

Материал анода заменили на графит и от этого недостатка избавились.

Сегодня такое происходит редко, но в СМИ можно часто увидеть новости, о взрыве смартфонов и т.д.

Причин может быть много, но чаще всего это механические повреждения, АКБ низкого качества, короткие замыкания внутри аккумулятора (полностью от этой проблемы не избавились).

В настоящее время самым опасным компонентом является электролит, который способен разлагаться на воспламеняющиеся материалы при повышении температуры.

В принципе, если используется качественный литий-ионный аккумулятор, соблюдаются все правила эксплуатации, то вероятность взрыва или возгорания крайне низка. Это примерно как пострадать от удара молнии: никто не застрахован, но происходит это очень редко.

Отдельно расскажем про тушение. В ходе горения происходят не совсем традиционные химические реакции, поэтому литий-ионный аккумулятор может гореть даже без кислорода. Кроме того, при контакте с водой литий может образовывать водород. Если небольшой аккумулятор можно затушить водой, то в случае с крупными (например, в электромобилях) это будет неэффективным способом тушения.

Типы литиевых аккумуляторов

Эффект памяти

К преимуществам литий-ионных аккумуляторов традиционно относят отсутствие эффекта памяти, особенно в сравнении с никель-кадмиевыми АКБ. Тем не менее, последние исследования показали, что это ошибка, однако эффект является настолько незначительным, что его можно не учитывать.

Читайте также:  Альтернативные источники энергии для частного дома

Все дело в ионах лития, которые теряют свои свойства при неполной зарядке. Часть из них остается на катоде, они переходят в пограничное состояние. То есть, они фактически подошли к барьеру освобождения, но не преодолели его.

Поэтому при зарядке, когда свободные ионы пытаются вернуться на свое место, они встречаются с теми, которые находятся в пограничном состоянии и тем самым процесс становится более сложным, а структура электрода изменяется.

Существуют определенные предложения, как избавиться от этого эффекта, но, повторим, он носит незначительный характер.

Зарядка литий-ионного аккумулятора и разряд

Выше мы писали, что в данных АКБ используется контроллер, который автоматически регулирует зарядку. Это является критически важным, ведь при повышении напряжения аккумулятор может деградировать. Обычная зарядка происходит следующим образом:

  • На первом этапе используется небольшой ток напряжением до 2,9 В (при сильном разряде);
  • Номинальный ток, напряжение до 4,2 В;
  • На финальном этапе напряжение также 4,2 В, но ток минимальный.

В принципе, рядовому пользователю знать этого не нужно, контролеры и зарядные устройства поддерживают данные режимы автоматически. Данная схема является стандартной и в современных устройствах обеспечивается в автоматическом режиме.

Относительно глубокого разряда есть вполне четкое мнение: его допускать нельзя. В идеале, батарею не нужно доводить до разряда ниже 20%, это существенно продлит срок ее службы. Простой пример: если литий-ионный аккумулятор регулярно разряжается на 100%, то его количество циклов разряда и заряда будет около 500, а если лишь на 10%, то 4500 и выше. То есть, разница будет в 9 раз.

Здесь многое зависит от типа устройства, в котором используется АКБ. Разумеется, для смартфона или электроинструмента зарядка на уровне даже 70-80% емкости батареи выглядит невозможной, это попросту затруднит эксплуатацию. Но допускать разряд ниже 20% стоит только в крайнем случае, это действительно очень существенно продлевает срок жизни аккумулятора.

Типы литиевых аккумуляторов

Старение

Данный тип аккумуляторов подвержен процессу старения, это достаточно серьезный недостаток.

С этой точки зрения нет никакого смысла покупать батареи «про запас» и хранить их длительное время, но при этом не использовать.

Поэтому если вы покупаете литий-ионный аккумулятор отдельно, стоит обратить пристальное внимание на дату его изготовления. Подавляющее большинство не могут служить более пяти лет (усредненное значение).

Кроме того, условия хранения также оказывают существенное воздействие на время хранения. Оптимальные условия: 40% заряд, температура от 0 до +10 градусов по Цельсию. А под сроком хранения до 5 лет подразумевается снижение емкость до уровня 80% от номинальной.

Оригинальные и не оригинальные

Литий-ионные аккумуляторы производят многие компании и каждый видел картину, когда АКБ от производителя устройства стоит значительно дороже, чем аналог. При этом емкость может быть одинаковой. Стоит ли экономить? Вопрос сложный, который зависит от того, в каком именно устройстве используется аккумулятор.

Разберем на примере смартфонов. Выше мы писали, что при заряде используется контроллер, но в случае со смартфонами, он находится не в АКБ, а в самом телефоне. То есть, все функции, которые должны обеспечивать эффективную работу, делегированы в само устройство. Это сделано сознательно, подобный подход как раз и создает не оригинальным АКБ изначально худшие условия.

Но есть устройства (например, электроинструмент, часть ноутбуков), где данная проблема не является актуальной и там никакой разницы вы не заметите.

Поэтому мнение о том, что «дешевые китайские литий-ионные аккумуляторы плохие» — отчасти миф.

Да, встречается продукция низкого качества, но зачастую снижение характеристик обусловлено факторами, на которые производитель АКБ повлиять никак не может.

Температура использования

Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура эксплуатации находится в диапазоне от – 20 до +50 градусов. Перегрев и переохлаждение не допускаются. Зарядка при низкой температуре также недопустима. Также, при падении температуры, снижается емкость. При отрицательной температуре батарея может потерять до 50% емкости, то есть, разрядится в два раза быстрее.

Существуют аккумуляторы с внутренним подогревом (если подразумевается эксплуатация при очень низких температурах), также некоторые устройства сами могут служить в роли обогревателя при работе, что несколько расширяет диапазон значений. Самая лучшая температура для работы литий-ионных аккумуляторов +20 градусов. Изменения как в плюс, так и в минус, негативно сказываются на емкости и ресурсе.

Типы литиевых аккумуляторов

Характеристики

Характеристики могут зависеть от типа аккумулятора, химического состава его компонентов и варьироваться в определенных пределах.

  • Энергоемкость: от 110 до 280 Втч/кг;
  • Количество циклов заряда и разряда при емкости 80%: 600-700;
  • Значение внутреннего сопротивления: от 4 до 15 мОм/Ач;
  • Напряжение одного элемента: от 2,5 В до 4,2 В;
  • Саморазряд: зависит от температуры и степени заряда. При 100% заряде и оптимальной температуре – около 1,5% в месяц;
  • Скорость быстрой зарядки: около 60 минут.

Это диапазоны основных значений. Могут быть определенные отличия у аккумуляторов различных форм-факторов, например, напряжение 1,5 В (АА и ААА), но здесь речь идет о стабилизированном выходном напряжении, которое не зависит от напряжения в самих ячейках.

Восстановление аккумулятора

Ситуаций, когда литий-ионный аккумулятор может потребовать восстановление может быть две:

  1. Аккумулятор работает, однако разряжается очень быстро;
  2. Он полностью разряжен, но зарядка не работает.

В первом случае речь идет про естественную потерю емкости, и поделать с этим ничего нельзя. Даже в теории не существует способа вернуть номинальную емкость у литиевого аккумулятора. Во втором случае кое-что сделать можно, в интернете можно найти очень подробные инструкции по восстановлению в данном случае.

Чаще всего это происходит из-за глубокой разрядки, длительного не использования аккумулятора (когда он разряжен) или после воздействия очень низких температур.

Проблема здесь в зарядных устройствах, которым кажется, что на аккумуляторе недопустимо низкое напряжение и поэтому они препятствуют подачи тока. Это сделано не просто так, цель – безопасность.

Просто тут зарядное устройство ошибочно «думает», что внутри произошло замыкание или другие неполадки, а при таких ситуациях заряжать его попросту опасно. То есть, это вопрос безопасности.

При данной неполадке восстановление аккумулятора заключается в обмане зарядного устройства. Например, можно взять другую зарядку, которая не такая «умная». Однако, в этом случае нужно ограничивать максимальный ток. Здесь мы не будем писать длинные и подробные инструкции, их вы легко найдете сами, мы лишь отметили, что восстановление литий-ионного аккумулятора возможно.

Частые вопросы

В заключительной части мы разберем самые частые вопросы про литиевые аккумуляторы и дадим на них подробные ответы.

Есть ли альтернатива у литий-ионных аккумуляторов?

В настоящее время – нет. Можно сказать, что данная технология – апогей развития химических аккумуляторов. Теоретически (да и практические) альтернативы есть, но у них либо слишком высокая цена, либо низкий ток, либо внушительные размеры. Очевидно, что пока не произойдет прорыва в технологиях, вменяемой альтернативы не будет.

Можно ли заменить другие типы аккумуляторов на литиевые?

Да, это возможно и не требует специальных знаний и большого опыта. Чаще всего замену делают в электроинструментах, где меняют никель-кадмиевые на литий-ионные. Последние стоят дороже, зато их характеристики лучше. Чаще всего делают переделку шуруповертов и других подобных электроинструментов с питанием от АКБ.

Как утилизировать?

Литиевые аккумуляторы чаще всего просто выкидывают, особенно если говорить о совсем небольших, отдавать которые на переработку никому даже в голову не приходит. Кроме того, в России очень мало предприятий, которые занимаются данным типом аккумуляторов. Конечно, выкидывать их не правильно, но, к сожалению, зачастую другого выбора просто нет.

Кадмиевые аккумуляторы лучше литиевых? Или наоборот?

Данный вопрос не совсем корректный. Без уточнения характеристик, которые имеют значение, ответить на него невозможно. Где-то будет лучше один тип, где-то совсем другой. У всех есть свои плюсы и минусы, поэтому нельзя сказать, какой из них лучше.

Правда ли то, что китайские литий-ионные аккумуляторы плохие?

Откроем секрет: большинство литиевых АКБ производят в Китае. В данном случае вопрос не в месте производства, а в контроле качества. Те, которые стоят значительно дешевле аналогов, очевидно, будут иметь худшие характеристики, поэтому от экономии толку не будет. Есть определенная цена, которая обусловлена производственными затратами, ее снижение автоматически снижает характеристики.

Размеры литиевых аккумуляторов

Типы литиевых аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы широко используются в светодиодных фонариках, шуруповертах и остальных беспроводных устройствах. Как составные части аккумуляторных батарей они применяются для оснащения электровелосипедов, гироскутеров, электросамокатов, гольфкаров, ноутбуков, устройств Power Bank и другой автономно работающей техники.

Литиевые аккумуляторы изготавливаются в виде цилиндра, призмы и таблетки. Ячейки-цилиндры содержат электроды с сепаратором, свернутые рулонным способом и находящиеся в оболочке из металлической фольги.

Их отрицательный электрод соединяется с корпусом, а «+» – выходит через изолятор на крышку.

Призматические элементы питания обычно состоят из совокупности прямоугольных пластин, реже – из электродной основы, свернутой эллиптической спиралью.

Наибольшее распространение получили цилиндрические аккумуляторы типоразмера 18650. Визуально они напоминают обычные батарейки типа АА, но превосходят их по емкости и выходному напряжению.

В то время как батарейка АА имеет напряжение на выходе 1,5 В, у аккумулятора типоразмера 18650 этот параметр составляет 3,6–3,7 В. Емкость таких ячеек в среднем колеблется от 1600 до 3600 мАч, в зависимости от используемой химии и технологии производства.

Далее мы подробнее расскажем о классификации и существующих форматах литий-ионных аккумуляторов.

Читайте также:  Аккумулятор для планшета

Маркировка Li-ion аккумуляторов

Типы литиевых аккумуляторов

  • ICR – кобальтовые ячейки;
  • IMR – модели с содержанием марганца;
  • INR – ячейки с никелем и марганцем;
  • NCR – аккумы с никеле-кобальтовым составом и оксидом алюминия в качестве изолятора.

Например, обозначение INR18650 на аккумуляторе означает, что мы имеем дело с цилиндрическим аккумулятором с никеле-марганцевой химией, имеющим Ø 18 мм и высоту 65 мм. У аккумуляторов, оснащенных платой защиты, фактическая длина составляет 66,5 мм.

Таблеточные литиевые аккумуляторы маркируются обозначением CRAABB, где AA отражает диаметр (в мм), а BB – значение высоты (в десятых долях миллиметра). Например, маркировка CR123 свидетельствует о том, что данный элемент питания имеет диаметр 12 мм и высоту 3 мм.

У «плоских» накопителей энергии обозначение 3R12 геометрически идентично 3-м форматам R12 (устаревшие, уже не изготавливаются). Литиевые аккумы призматической формы производятся всевозможных размеров, в соответствии со своим назначением и запросами заказчиков.

Таблица размеров Li-ion аккумуляторов

Ниже приведены распространенные форматы литий-ионных аккумуляторов:

Маркировка Ориентировочное значение емкости, мАч Особенности, похожие форматы (по геометрии, но не электротехническим параметрам)
10180 90 Геометрически равен 2/5 AAA.
10220 ≈130 Половина AAA – диаметр идентичен, а длина вдвое короче.
10280 ≈180
10430, 10440 ≈250 Подобен ААА.
14250 ≈250 1/2 AA– диаметр идентичен, а длина вдвое короче.
14270 ≈250 Диаметр соответствует АА, а длина идентична CR2.
14430 ≈500 По диаметру – как АА, но короче.
14500 ≈700 По виду – аналог батареек АА.
14670 ≈700
15266, 15270 750–850 Визуально – аналог CR2.
16340 750–1200 Соответствует CR123.
17500 ≈1100 150S/300S
17670 ≈1800 CR123x2 или 168S/600S.
18350, 18490 ≈1400
18500 ≈1400 CR123x2 или 150А/300Р.
18650 1600–3600 CR123x2 или 168А/600Р.
18700 1600–3700
21700, 22650 3000–4000
25500, 26500 2500–5000 Напоминают С.
26650, 26980 2300–6000
32600, 32650 3000–6500 По размерам близок к типоразмеру D.
33600 3500–6500 D
42120 ≈5000

Размеры элементов питания могут немного отличаться из-за особенностей их производства. Например, толщина наружного покрытия на аккумуляторах зачастую толще, чем на батарейках, а высота платы защиты иногда достигает 3 мм.

Важно учесть, что совпадение геометрических параметров накопителей энергии еще не значит, что и электрические характеристики у них эквивалентны. Так, при замене 2-х элементов типа CR123 вместо аккумулятора типа 18650 нужно удостовериться, что возросшее напряжение не причинит вред устройству.

От чего зависит емкость аккумулятора?

Типы литиевых аккумуляторов

  • толщина слоя нанесенной на фольгу электродной массы (при рулонной конструкции) – чем толще этот слой, тем выше удельные параметры накопителя энергии;
  • толщина фольги;
  • величина частиц электродной массы;
  • вещества, включенные в электродную массу для наращивания разрядного тока;
  • материал «+» и «-» электродов;
  • их толщина.

Выводы

Несмотря на большой перечень типоразмеров, неоспоримыми рекордсменами по популярности среди цилиндрических Li-ion аккумуляторов остаются ячейки формата 18650. Призматические модели бывают всевозможных размеров.

Кроме геометрических параметров, при выборе подходящих источников питания нужно учитывать их емкость, номинальное напряжение, ток разрядки, внутреннее сопротивление, диапазон рабочих температур, тип химии, наличие защитной платы, ориентировочный ресурс (минимальное число циклов заряд-разряд).

Читайте в нашей предыдущей статье том, чем отличается Li-ion от Li-Pol аккумулятора, и какой вариант лучше выбрать.

Что нужно знать о литиевых аккумуляторах?

Впервые опыты по разработке литиевых батарей были в 1912 году, однако первое использование в бытовых приборах произошло спустя 6 десятилетий, в начале семидесятых годов.

Дальнейшие попытки создать литиевые аккумуляторы (батареи, которые можно перезаряжать) оказались безуспешным из-за образовавшихся проблем в обеспечении их безопасной эксплуатации. Такие аккумуляторы могли бы обеспечить высокое напряжение и отличную емкость.

Но многочисленными исследовательскими работами в 80-х годах выяснилось, что циклование (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к неконтролируемой бурной реакции, с воспламенением выделяющихся газов.

Для получения безопасных аккумуляторов исследователи отказались от лития, из-за его характерной неустойчивости, и обернули свой взгляд на неметаллические литиевые аккумуляторы на основе ионов лития. Так и появились Li-ion аккумуляторы.

Параметры литиевых аккумуляторов

У выпускаемых, на сегодняшний день, аккумуляторов высокая удельная энергоёмкость (100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л) и рабочее напряжение (3,5-3,7 В). Ток разряда современных Li–Ion аккумуляторов составляет от 2С до 20С.

Они работают в интервале температур окружающей среды от -20 до +60 Цельсия. Есть модели работоспособные при -40 Цельсия. Но сразу стоит сказать, что при отрицательных температурах работают специальные серии АКБ.

Обыкновенные литий–ионные батареи для мобильных устройств при отрицательных температурах становятся неработоспособными. Саморазряд данного типа аккумуляторов примерно от 4% до 6% в первом месяце.

Но потом он становится существенно меньше, и за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Это значительно меньше, чем у никель–кадмиевых и никель–металлогидридных батарей. Срок службы примерно 500─1000 циклов.

Отличие Li-Pol от Li-Ion аккумулятора

Литий–ионные аккумуляторы, в основном попадаются в виде цилиндрических бочонков, как например 18650. А всё потому, что ионные аккумуляторы созданы на основе, так называемой «банки», в которую залит жидкий электролит.

Литий полимерные аккумуляторы построены из твердого электролита, что дает возможность произвести его почти любой формы.

На данный момент проведено множество экспериментов, подтверждающих высший уровень безопасности полимерных АКБ в сравнении с ионными аккумуляторами. Это относится к перезаряду, ускоренному разряду, вибрации, сжатию, короткому замыканию, прокалыванию литий–полимерных батарей.

Поэтому данный вид аккумуляторов имеет лучшие перспективы развития. Ниже приведены итоги исследований на безопасную эксплуатацию Li–Pol аккумуляторов.

Вид испытаний Аккумулятор с гель-полимерным электролитом Аккумулятор с жидким электролитом Прокол иглой Нет изменений Взрыв, дым, протечка электролита, повышение температуры до 250°С Нагрев до 200°С Нет изменений Взрыв, протечка электролита Короткое замыкание Нет изменений Протечка электролита, повышение температуры до 100°С Перезаряд (600%) Вздутие Взрыв, протечка электролита, повышение температуры до 250°С

Преимущества литиевых аккумуляторов

  • высокая энергетическая плотность (а значит, более высокая ёмкость), если сравнивать со щелочными аккумуляторами с использованием никеля;
  • небольшой саморазряд;
  • Достаточно большое напряжение одного аккумуляторного элемента (3,6 вольта у Li и 1,2 вольта у Ni–Cd и Ni–MH). Это делает конструкцию проще. Как правило, литиевые АКБ для телефонов и планшетов имеют в своей конструкции всего одну банку. Но для обеспечения той же мощности, требуется отдавать более высокую силу тока. Это, в свою очередь, требует небольшого внутреннего сопротивления аккумулятора;
  • Простая эксплуатация, поскольку отсутствует «эффект памяти». Поэтому периодические тренировки элементов не требуются.

Недостатки литиевых аккумуляторов

  • Этот тип аккумуляторов не может работать без встроенного контроллера. Это повышает стоимость АКБ. Контроллер необходим для контроля за напряжением во время зарядки и разрядки. Также в его функции входит ограничение токов заряда и разряда плюс контроль температуры;
  • Деградация аккумулятора идёт даже при его хранении. Производители об этом не распространяются, но вам необходимо помнить при покупке, что «часики литиевой АКБ тикают» с момента её производства на конвейере;
  • Стоят дороже никель–кадмиевых и никель–металлогидридными;
  • Сохраняют свои свойства в узком температурном интервале. Жара и холод для них губительны.

Правила эксплуатации

Что требуется запомнить при эксплуатации Li–Pol аккумуляторных батарей:

  • Если есть возможность, то стоит проконтролировать напряжение аккумулятора, особо важно следить за этим в конце разрядки;
  • Рекомендуется использовать разъёмы, не допускающие короткого замыкания;
  • Корпус батарей изначально герметичен, внутрь аккумуляторной банки недопустимо проникновение воздуха, соответственно недопустимо разгерметизация АКБ;
  • Нельзя допускать нагрев выше 60 градусов, т.к. вследствие перегрева начинает идти самопроизвольная реакция, из-за которой может произойти воспламенение или даже взрыв;
  • Для хранения необходимо зарядить батарею наполовину и поместить ее в прохладное место, без попадания солнечного света.

LiFePO4

LifePO4 – это группа литиевых аккумуляторов, которые в своем составе содержат литий фосфат железа. Данные литиевые батареи, в отличии от других, считаются неопасными. Они превосходят другие материалы в плане безопасности, стабильности и производительности.

LifePO4 батареи могут превышать 2000 циклов заряд–разряд.

Это показатель качественно выполненной батареи LiFePO4, которая превышает продолжительность жизни другой группы аналогичных литиевых батарей на дополнительные 33%! От этих батарей гораздо большая отдача от вложенных денег, чем от других литиевых аккумуляторов.LiFePO4 элементы питания произошли от литий–ионных, но при этом данные АКБ имеют ряд преимуществ:

  • LiFePO4 обеспечит вам более длительный срок службы, чем другие аналоги;
  • Данные батареи обеспечивают стабильный разряд, в сравнении с остальными аккумуляторами. До самого разряда батарея держит напряжение максимально приближенное к 3.2, что отбрасывает нужду в частом регулировании напряжения цепи;
  • В связи со стабильным напряжением 3.2 В на выходе, последовательным расположением четырех батарей можно получить номинальное напряжение на выходе в 12.8 В. Исходя из этого, данные батареи могут стать альтернативой свинцово-кислотным АКБ, и их можно эксплуатировать в автомобилестроении или в работе солнечной энергетикой;
  • Использование фосфатов позволяет избежать затрат на кобальт и экологических проблем, в частности, озабоченность по поводу кобальта попадающего в окружающую среду при неправильной утилизации;
  • LiFePO4 отличается высокой мощностью и пиковым током;
  • Плотность энергии новой батареи LFP около 14% ниже, чем у новых литий–ионных батарей. Так как плотность энергии снижается гораздо медленнее, после определенного срока использования, LifePO4 ячейки будут иметь плотность энергии выше LiCoO2 и литий–ионные ячейки;
  • LiFePO4 ячейки медленнее теряют ёмкость, чем литий–ионные аккумуляторы, такие как LiCoO2, кобальт или марганец, LiMn2O4, шпинель, литий–полимерные или литий-ионные батареи.
  • Одним из важных преимуществ по сравнению с другими видами литий-ионных батарей, является термическая и химическая стабильность, что существенно повышает безопасность батареи.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *