Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.

Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.

За это время решались в основном вопросы с безопасность использования литиевых аккумуляторов, подбором материалов и т. п. Вторичные литиевые элементы с апротонными электролитами и разновидность с твёрдым катодом похожи по электрохимическим процессам, протекающих в них. В частности, на минусовом электроде идёт анодное растворение лития. В кристаллическую решётку плюсового электрода идёт внедрение лития. Когда аккумуляторный элемент заряжается, то процессы на электродах идут в обратном направлении.

Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.

Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.

Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:

• TiS2 (дисульфид титана);
• Nb(Se)n (селенид ниобия);
• сульфиды и диселениды ванадия;
• сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.

Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.

С анодом возникли главные сложности при создании литиевых аккумуляторов. Точнее в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение Li. При этом образуется поверхность с очень высокой активностью. Литий осаждается на поверхности катода в виде дендритов и в результате образуется пассивная плёнка.

Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.

В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.

Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.

Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.

Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

Как показали исследования, лучше всего подходят сплав Li с тяжёлыми металлами. Примером может служить сплав Вуда. Они хорошо показали себя в плане сохранения удельного объёма, но удельные характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.

В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про по указанной ссылке.

Эксплуатация и срок службы

Эксплуатация

Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.

Для начала следует запомнить, что литиевый аккумулятор должен иметь напряжением от 2,7 до 4,2 вольта. Нижнее значение здесь говорит о минимальном уровне заряда, верхнее – о максимальном. В современных Li батареях электроды выполняются из графита и в их случае нижняя граница напряжения составляет 3 вольта (2,7 – это значение для электродов из кокса). Электрическая энергия, которую отдаёт аккумулятор при падении напряжения от верхней границы к нижней, называется его ёмкостью.

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.

Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.

В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.

Процесс зарядки

Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.

Процесс состоит из трёх этапов:

• продолжительность первого этапа около одного часа. При этом ток зарядки держится на постоянном уровне до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет значения 4,2 вольта. По окончании степень заряженности равна 70%;
• второй этап также идёт около часа. В это время контроллер поддерживает постоянное напряжение 4,2 вольта, а ток зарядки при этом снижается. Когда сила тока падает примерно до 0,2*C, запускается заключительный этап. По окончании степень заряженности равна 90%;
• на третьем этапе ток постоянно снижается при напряжении 4,2 вольта. В принципе, эта стадия повторяет второй этап, но имеет строгое ограничение по времени в 1 час. После этого контроллер отключает батарею от зарядного устройства. По окончании степень заряженности равна 100%.

Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.

Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.

Помните, что через разъём USB ноутбука, десктопа, переходника от прикуривателя в машине зарядка идёт значительно медленнее, чем от штатного ЗУ. Это объясняется ограничением интерфейса USB по току в 500 мА.

Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно - повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB - гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

5. Иметь резервный аккумулятор.

Литий-ионные аккумуляторы не столь «привередливы», как их никель-металл-гидридные собратья, но все равно требуют определенного ухода. Придерживаясь пяти простых правил , можно не только продлить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторных батарей, но и повысить время работы мобильных устройств без подзарядки.

Не допускайте полного разряда. У литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти, поэтому их можно и, более того, нужно заряжать, не дожидаясь разрядки до нуля. Многие производители рассчитывают срок жизни литий-ионного аккумулятора количеством циклов полного разряда (до 0%). Для качественных аккумуляторов это 400-600 циклов . Чтобы увеличить срок службы вашего литий-ионного аккумулятора, чаще заряжаете свой телефон. Оптимально, как только показатель заряда батареи опустится ниже отметки 10-20 процентов, можете ставить телефон на зарядку. Это увеличит количество циклов разряда до 1000-1100 .
Данный процесс специалисты описывают таким показателем как Глубина Разряда (Depth Of Discharge). Если ваш телефон разряжен до 20%, то Глубина Разряда составляет 80%. В нижеприведенной таблице показана зависимость количества циклов разряда литий-ионного аккумулятора от Глубины Разряда:

Разряжайте раз в 3 месяца. Полный заряд на протяжении длительного времени также же вреден для литий-ионных аккумуляторов, как и постоянная разрядка до нуля.
Из-за крайне нестабильного процесса заряда (мы часто заряжаем телефон как придется, и где получится, от USB, от розетки, от внешнего аккумулятора и тд.) специалисты рекомендуют раз в 3 месяца полностью разряжать аккумулятор и после этот заряжать до 100% и подержать на зарядке 8-12 часов. Это помогает сбросить так называемый верхний и нижний флаги заряда аккумулятора. Более подробно об этом можно прочитать .

Храните частично заряженными . Оптимальным состоянием для длительного хранения литий-ионного аккумулятора является уровень заряда от 30 до 50 процентов при температуре 15°C. Если же оставить батарею полностью заряженной, со временем ее емкость существенно снизится. А вот аккумулятор, который долгое время пылился на полке разряженным до нуля, скорее всего, уже не жилец – пора отправлять его на утилизацию.
В нижеприведенной таблице показано сколько остается емкости в литий-ионном аккумуляторе в зависимости от температуры хранения и уровня заряда при хранении в течение 1 года.

Используйте оригинальное зарядное устройство. Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует. Некоторые гаджеты, например цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний «зарядник». Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи.

Не допускайте перегрева. Ну а злейшим врагом литий-ионных аккумуляторов является высокая температура – перегрева они напрочь не переносят. Поэтому не допускайте попадания на мобильные устройства прямых солнечных лучей, а также не оставляйте их в непосредственной близости от источников тепла, например электрообогревателей. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов: от –40°C до +50°C

Также, вы можете посмотреть