Все, что вы хотели знать о Li-Ion аккумуляторах, но боялись спросить (часть 1).
Сейчас на рынке представлено огромное разнообразие Li-Ion аккумуляторов различных марок, как с защитой, так и без. Взрывной рост их популярности пришелся на 2008-2010гг., когда на рынке появились большое количество мощных светодиодных фонарей в зарубежных интернет-магазинах.
Но, стоит признать, что, до сих пор, для большинства пользователей, этот тип элементов питания является достаточно новым и незнакомым. Чтобы не запутаться во всем этом многообразии мы хотим вам дать несколько советов, чтобы помочь определиться, какой именно литиевый аккумулятор вам необходим (защищенный-незащищенный) и как не купить откровенно некачественный товар.
Что нужно знать при использовании Li-Ion аккумуляторов.
В силу технологии Li-Ion аккумуляторы имеют ряд ограничений, которые необходимо соблюдать в процессе эксплуатации.
Это:
• максимальное напряжение (напряжение перезаряда) не должно превышать 4,25-4,35В
• минимальное напряжение (напряжение переразряда) не должно быть ниже 2,2-2,5В
• ток разряда не должен превышать 2ух-кратное значение емкости (2С): т.е. для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток разряда не должен быть выше 4400мА, а обладателя емкости в 3100мАч можно смело разряжать током до 6200мА. Есть особые типы высокомощных Li-Ion аккумуляторов, которые предназначены для работы с большими разрядными токами, превышающими величину их емкости в 5-10 раз.
Аккумуляторная батарея шуруповерта DeWALT, состоящая из аккумуляторов SANYO UR18650WX
• ток заряда не должен быть выше половины значения емкости аккумулятора (0,5С).
По аналогии с током разряда для аккумулятора с емкостью 2200мАч максимальный ток заряда не должен быть выше 1100мА, а аккумулятор с емкостью 3100мАч можно зарядить током в 1550мА.
• Li-Ion аккумулятор НЕ ЗАРЯЖАЕТСЯ при минусовой температуре, но достаточно спокойно относится к работе на морозе с небольшой потерей емкости. Т.е. зарядили аккумулятор дома, пошли, — поработали на улице, потом, опять, принесли заряжать аккумулятор домой. Это утверждение вы можете проверить в действии на вашем смартфоне или фотоаппарате/видеокамере, — там стоит такой же литиевый аккумулятор, только в другом типоразмере.
• Незащищенные аккумуляторы нельзя паять. Если вы хотите собрать из отдельных аккумуляторов большую батарею,
то следует учитывать, что Li-Ion аккумуляторы очень не любят перегрева, а при попытке припаять провод к контакту аккумулятора вы, скорее всего, его перегреете.
Вот так делать не надо
Поэтому собирают аккумуляторные батареи с помощью контактной сварки и специальной ленты.
Качественная сварка Li-Ion аккумуляторной батареи
Опять же, для обслуживания такой батареи вам понадобится контроллер,
Li-Ion аккумуляторная батарея с контроллером заряда-разряда
который будет следить за процессами заряда-разряда аккумуляторов.
Но, перейдем от теории к практике и попробуем дать ответы на самые распространенные вопросы, которые возникают у покупателей при выборе Li-Ion аккумулятора.
1. Защищенный или нет.
Как мы уже говорили, Li-Ion аккумуляторы должны работать в диапазоне напряжений 4,2-2,5В. Для того, чтобы в процессе работы напряжение на АКБ не выходило за пределы этого диапазона на минусовой контакт незащищенного Li-Ion АКБ (их еще называют "ячейка") ставят небольшую электронную плату защиты (зачастую, она именуется просто «защита»).
Именно эта плата обеспечивает работу ячейки в допустимом диапазоне напряжений, предохраняет от перегрузки по току и от короткого замыкания.
Плата защиты приваривается стальной лентой к контактам аккумулятора
и весь этот «бутерброд», упаковывается в термо-пленку с обозначение бренда и емкости (как реальной так и совершенно бредовой, в некоторых случаях).
на синем аккумуляторе (слева) заявленная емкость не соответствует действительности
Из-за платы защищенные аккумуляторы на пару миллиметров длиннее своих незащищенных сородичей и на 0,5 мм толще.
А, так как, качественная Li-Ion ячейка имеет длину 65мм, то защищенный Li-Ion АКБ вырастает в длине до 68-70мм. Такие аккумуляторы могут обозначаться типоразмером 18700 (где первые две цифры это диаметр в мм., а вторые две- длина). Это надо учитывать при выборе аккумулятора, — сможет ли такой аккумулятор влезть, к примеру, в ваш фонарь или зарядное устройство.
PS. На некоторых зарядных устройствах для Li-Ion аккумуляторах производители заранее указывают, что их продукт может заряжать аккумуляторы типоразмера вплоть до 18700.
зарядные устройства XTAR позволяют заряжать Li-Ion аккумуляторы вплоть до типоразмера 18700
Защищенные аккумуляторы можно применять в любых устройствах, которые расчитаны на работу с Li-Ion источниками питания и не имеют встроенного контроллера заряда-разряда. В настоящее время основными потребителями защищенных АКБ являются светодиодные фонари, так как именно такие аккумуляторы способны обеспечить питанием мощные светодиоды в течении продолжительного времени.
Так же, защищенные аккумуляторы находят все большее распространение в разнообразной маломощной бытовой электронике, которая работает от одного-двух АКБ.
При необходимости собрать более серьезный источник питания прибегают к изготовлению аккумуляторных батарей. Тут уже в ход идут только незащищенные аккумуляторы.
батарея из Li-ion аккумуляторов SANYO
Такие батареи стоят в большинстве современных ноутбуках, в электроинструменте, фото-видео технике, электровелосипедах и т.д. Управляет такими батареями специальный контроллер, который следит за напряжением на каждом отдельном аккумуляторе в батарее и необходимости в индивидуальных платах защиты нет.
контроллер батареи из Li-ion аккумуляторов
Подитог: если у вас светодиодный фонарь, с вероятностью 99% вам необходим защищенный аккумулятор. Если вы хотите отремонтировать батарею в ноутбуке или в шуруповерте или просто вам нужна БАТАРЕЯ из LI-Ion аккумуляторов, то вам необходимы именно незащищенные АКБ.
Часть 2
Как устроены литиевые аккумуляторы?
Об аккумуляторах литий-ионного класса сегодня слышали, пожалуй, все. Они представляют собой универсальный тип батарей, которые нашли свое применение в портативной электронике, специнструменте, электротранспорте.
Чтобы понять, как устроен Li-ion аккумулятор, предлагается последовательно изучить его структуру:
- в основе системы находятся электроды (катод которых из оксида лития на алюминиевой фольге, анод – из пористого углерода на медной фольге);
- между электродами расположен сепаратор с пористой структурой, хорошо прописанный электролитом – проводником;
- набор электродов забран в специальный герметичный корпус, причем, катоды и аноды этих элементов подключены к токосъемникам;
- дополнительно в конструкцию может включаться клапан-предохранитель, главная задача которого – сброс внутреннего давления в экстренных ситуациях.
В зависимости от формы корпуса изделия, выделяют цилиндрический и призматический виды литий-ионных аккумуляторов. Принцип устройства призматических моделей заключается в составлении друг на друга прямоугольных пластин, в то время как цилиндрические конструкции представлены рулонообразным пакетом электродов с сепаратором, которые закрыты в герметический корпус из металла (сталь, алюминий).
Разработчики аккумуляторных батарей сегодня часто экспериментируют с составом катода, стараясь добиться совершенствования параметров элемента питания без ущерба для его функциональности и долговечности.
Суть работы батареи на литии состоит в обеспечении оптимальных условий для перемещения ионов металла внутри системы (а точнее – между разнозаряженными электродами).
Вот как работает литий-ионный аккумулятор в стандартной ситуации:
- когда на электроды подается напряжение определенной величины, это стимулирует ионы Li переходить из литиевого катода в угольный анод. Этот процесс сопровождается окислительной реакцией.
- когда же в систему подается нагрузка, это заставляет ионы металла передвигаться в обратном направлении.
Однако, ввиду того, что при разряжении батареи, отрицательный электрод возвращается в норму не до конца, а параллельно с этим еще и накапливаются продукты окисления, то АКБ медленно, но уверенно лишается части своей емкости. В момент, когда фиксируется потеря 30 % объема батареи, говорят о завершении ее жизненного цикла.
Разновидности литиевых аккумуляторов
В современном мире существует огромное число модификаций литиевых аккумуляторных батарей. На данный момент наибольшее распространение в производстве получили только некоторые из них:
- литий-железо-фосфатные, славящиеся износоустойчивостью, высокой термостабильностью, эксплуатационной безопасностью и длительным периодом работы;
- литий-кобальтовые, выделяющиеся на фоне аналогов показательной удельной энергоемкостью, но малой термостабильностью и непродолжительным жизненным циклом;
- литий-марганцевые, чье главное преимущество заключается в умеренной удельной энергоемкости, хотя и при низком сопротивлении;
- литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные с хорошей плотностью и энергоемкостью, многообещающей продолжительностью функционирования;
- литий-титанатные, обеспечивающие быструю зарядку, хорошую производительность, способность не терять свою емкость при критических температурах;
- литий-никель-марганец-кобальт-оксидные дают низкое внутреннее сопротивление, высокую удельную емкость.
Применяются аккумуляторы при создании разной продукции: Li-Co – в ноутбуках, смартфонах, видео- и фотокамерах, Li-Mn – в медтехнике и специнструментах, LiNiMnCoO2 – в электромобилях, электровелосипедах, телекоммуникациях, электростанциях, системах безопасности; LiFePO4 – в оборудовании, рассчитанном на большой ток нагрузки, LiTi – в уличном освещении, источниках бесперебойного питания, электротранспорте; LiNiCoAlO2 – в силовых агрегатах, медразработках.
Усовершенствованной версией литиевых батарей считаются полимерные АКБ, использующие гелеобразный, сухой или выполненный из полимерной матрицы, электролит. В таких устройствах электролит помещается на полимерную пленку, обеспечивающую хороший обмен ионами. Подобная конструкция обуславливает микроразмеры ячеек, безопасность их эксплуатации и простоту изготовления, что позволяет многим экспертам утверждать: за полимерными АКБ – будущее!
Как заряжаются Li-ion аккумуляторы
Разные аккумуляторы могут заряжаться неодинаковое количество времени. На этот параметр влияет не только их емкость, но и типы контроллеров, применяемых для восстановления заряда. Производители размещают контроллеры либо в зарядном блоке (тогда говорят об АКБ без защиты), либо внутри батареи (с защитой). В отдельных разработках контроллер даже встраивают внутрь аккумулятора.
Классический алгоритм восстановления заряда батареи Li ion выглядит следующим образом:
- на первом этапе контроллер передает ток, величина которого составляет 10 % от номинального, за счет этого напряжение поднимается до 2,8 вольт;
- далее ток заряда вырастает до номинального, что обуславливает рост напряжения до 4,2 вольта;
- в конце процесса зарядки ток постепенно снижается при фиксированном напряжении 4,2 вольта.
Стоит иметь в виду, что оптимальным током зарядки для решения Li ion будет тот, который составляет 50 % от номинальной емкости батареи. Например, для аккумуляторной батареи с емкостью 2000 миллиампер-часов идеальным током будет ток, равный 1 Амперу.
Работая с элементами питания литиевого типа, рекомендуется придерживаться нескольких рекомендаций по зарядке:
Литий-ионные батареи: устройство, принцип работы, виды и применение
Принцип работы любого электрического аккумулятора заключается в накоплении электрической энергии в процессе химической реакции, происходящей при протекании через аккумулятор зарядного электрического тока, и генерации электрической энергии при протекании разрядного тока в процессе обратной химической реакции.
Обратимость химической реакции в аккумуляторе позволяет многократно разряжать и заряжать аккумулятор. В этом и заключается преимущество аккумуляторов перед одноразовыми источниками тока, обычными батарейками, в которых возможен лишь разрядный ток.
В качестве среды для переноса заряда с одного электрода аккумулятора на другой, используется электролит – специальный раствор, благодаря химической реакции которого с материалом на электродах становятся возможными как прямая, так и обратная химические реакции в аккумуляторе, что и делает возможным как заряд аккумулятора, так и его разряд.
Сегодня одним из наиболее перспективных типов аккумуляторов является литий-ионный аккумулятор. В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) выступает алюминий, а в качестве положительного электрода (анода) – медь. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.
На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех: кобальтат лития LiCoO2, литий-феррофосфат LiFePO4, или литий-марганцевая шпинель LiMn2O4, а на медную фольгу наносят графит. Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.
Полимерные электролиты, способные внедрять в свой состав соли лития, в силу своей пластичности делают возможным изготовление литий-ионных аккумуляторов с большой внутренней поверхностью и почти любой формы, а это значительно повышает как технологичность производства, так и массогабаритные характеристики.
В процессе заряда такого аккумулятора, ионы лития перемещаются через электролит, и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде, образуя соединение графитит лития LiC6. При разряде происходит обратный процесс – от анода ионы лития движутся к катоду (окислителю), а во внешней цепи к катоду движутся электроны, в результате процесс приобретает электрическую нейтральность.
Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 вольта, однако разность потенциалов при зарядке может достигать 4,23 вольта. В связи с этим фактом, заряд производится при максимально допустимом напряжении не более 4,2 вольта.
Некоторые соединения лития могут легко возгораться, если напряжение превышено, поэтому в литий-ионные батареи, традиционно, встраиваются контроллеры уровня заряда, не допускающие превышения критического напряжения. Еще одним способом обеспечения безопасности является встроенный клапан для сбрасывания избыточного давления внутри пакета.
Литий-ионные элементы всегда закрыты воздухонепроницаемой оболочкой, так как воздействие воды и кислорода в атмосфере может быстро повредить компоненты элемента.
В случае перезарядки или другого события, вызывающего повышение давления газа, устройство отключения тока изнутри отключает элемент от внешних подключений.
В призматических ячейках для этой цели часто используется диск, который выталкивается наружу из-за чрезмерного давления газа. К диску прикреплен положительно заряженный язычок, который в такой ситуации разрывает соединение. В цилиндрических звеньях сужение по окружности стенки звена позволяет ему удлиняться, что приводит к разрыву внутреннего соединения.
Ячейка иногда также включает в себя резистивный датчик температуры, сопротивление которого увеличивается с повышением температуры. Этот элемент имеет очень низкое (почти незначительное) сопротивление при комнатной температуре, а выше определенной температуры его сопротивление быстро увеличивается. Такие защиты могут быть встроены в ячейку, чтобы снизить риск термической нестабильности из-за внешних причин.
Литий-ионные батареи уже заняли свое достойное место на рынке портативной бытовой техники. Это элементы питания сотовых телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, планшетов, плееров, и т.д.
Моя статья на Яндекс Дзен:
Литий-феррофосфат LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. Кобальтат лития LiCoO2, в свою очередь, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения, ведь если из него извлечь литий полностью, то структура станет нестабильной, кобальт перейдет в степень окисления +4 и сможет окислить кислород, а выделяющийся атомарный кислород станет окислять электролит, и произойдет взрыв. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.
Литий-феррофосфат LiFePO4 был предложен в качестве катодного материала аккумуляторов для более мощных устройств в 1997 году Джоном Гуденафом.
Литий-феррофосфат есть в земной коре, и не создаст никаких экологических проблем в будущем. Из него не может выделяться кислород, так как он весь очень прочно связан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона. Однако, для возможности применения этого материала, его нужно было раздробить на мелкие частички, иначе он остался бы изолятором в силу очень малой проводимости. Частички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направления движения ионов лития, затем покрыли нанометровым слоем углерода.
Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.
С точки зрения современной науки, разработка и выпуск даже портативного наноаккумулятора не заставит себя долго ждать, и слово лишь за широким технологическим внедрением разработок. Что касается перспектив электромобилей, то сейчас уже можно считать, что именно они станут основным видом транспорта в городах ближайшего будущего.
Применение литий-ионных аккумуляторов:
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки
Изобразили, как работает аккумулятор Li-ion: 16 месяцев создавали это видео на Patreon
В литий-ионных аккумуляторах не осталось тайн для учёных. Человечество хорошо знает, как работает аккумулятор смартфона и электромобиля.
Но правильно и наглядно продемонстрировать глубинные электрохимические процессы Li-ion для обычных людей непросто.
Узнайте, как работает Li-ion аккумулятор (литий-ионная аккумуляторная батарея) — в конце видео на 16 минут. На его создание авторам [The Limiting Factor с Patreon] потребовалось 16 месяцев.
Для чего нужна демонстрация, как работает литий-ионный аккумулятор?
Авторы постарались охватить все базовые особенности литий-ионной технологии.
Они дали ответы на распространённые вопросы. Кадр за кадром понятно и просто показывают, как работают аккумуляторы в электронике от смартфонов и наушников до электромобилей и накопителей энергии на электростанциях. Что у них внутри и как всё взаимодействует.
Видео отвечает на популярные вопросы по Li-ion
- • Почему штатное напряжение полного заряда составляет 4,2 В, а не более удобные 5 В?
- • Почему нужен именно двухэтапный профиль зарядки CC/CV (сначала с постоянным током и постепенным повышением напряжения, затем с постоянным напряжением и постепенным снижением тока)?
- • Почему литий-ионные аккумуляторы взрываются и вызывают пожары?
Красиво анимированное 16-минутное видео изготовлено с «неплохой» научной точностью. Такую оценку дают в комментариях под видео известные инженеры и личности электрохимической отрасли с некоторыми оговорками.
Вот, как оценили его на HackaDay:
Огромная иллюстративная сила видео исходит от впечатляющих инвестиций в анимацию, проработанного сценария и повествования — The Limiting Factor описывает усилия как «16 месяцев анимационного дизайна», и это не типичный пояснительный видеоролик эдакий «набросок на доске» © [источник].
Видео — не эскиз, а пособие
Перед нами не эскиз, быстро свёрстанный на коленке. Материал претендует на образовательное пособие. В доступной форме объясняет глубинные электрохимические процессы в литий-ионных аккумуляторах.
Ролик подробно демонстрирует все базовые особенности работы Li-ion-аккумуляторов:
- • начиная от ионного и электронно-ионного обмена между анодом и катодом во время цикла заряда и разряда;
- • заканчивая паразитными реакциями с образованием SEI-слоёв (дендритов), составами электролитов и особенностями эксплуатации.
Теперь мир литий-ионной отрасли заиграет новыми красками
С помощью видео мы с вами можем быстрее разобраться во внутреннем устройстве литий-ионных аккумуляторов.
После просмотра станут понятнее наши материалы:
- • о добавках в электролит;
- • рабочих номинальных напряжениях;
- • про защиту от дендритов;
- • о внутреннем устройстве батареи в смартфонах и так далее.
Смотрим видео: «Как на самом деле работает литий-ионный аккумулятор»
Теперь само видео на 16 минут. Включите субтитры (нажмите на иконку газеты → затем шестерёнку → включите перевод → русский язык).
Если ссылка будет недоступна, сообщите пожалуйста в комментарии.
-
— Пояснение на атомном уровне; — Обзор электродного и ионного механизма; — Что такое катод и как работает; — Электролит; — Анод; — Процесс разряда аккумулятора; — Общие выводы; — Благодарности и титры авторов.
Некоторые комментарии к видео
Тристан Бленк:
«Я изучал фармацевтику в Германии. В учебной программе задействовано намного больше электрохимии, чем ожидалось.
Все, что автор говорит, имеет смысл для экспертов. Упрощения выбраны в нужное время и в нужный момент.
Благодаря упрощениям видео получилось ещё более доступным для широкой аудитории».
Джойс Диббл
«Я преподавал химию в старшей школе 30 лет, и я определенно использовал бы это видео со своими учениками. Прекрасная работа!»
Уилл Проуз (автор канала DIY с солнечной энергией)
«Мне потребовались месяцы чтения, чтобы понять эти концепции. Теперь вы собрали это в одном видео. Какая невероятная анимация. Особенно слой SEI и примеры интеркаляции.».
От себя отметим, что орбитальная модель упрощения электронов не совсем точная.
Однако хотя модель и полезна при практической химии/инженерии для некоторых базовых химических и физических явлений (спектральные линии, например), в видео рассказчик неправильно объясняет орбитальную теорию. На это указывают и в комментариях [пример].
Лучше использовать объяснение из квантовой механики.
Так или иначе, передаём свою благодарность всем сторонникам и экспертам Patreon, которые пожертвовали своим временем, талантом и финансовой поддержкой, чтобы эта информация была доступна для нас.
Как вам такое видео по литий-ионным аккумуляторам? Напишите в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.