Все о литий-ионных аккумуляторах Статья
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.
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.
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.
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.
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.
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:
- Аккумулятор работает, однако разряжается очень быстро;
- 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.
