Принцип работы литий ионного аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторы и все, что нужно о них знать

Инженеры-разработчики электронного оборудования пристальное внимание уделяют аккумуляторам, которые бы обеспечивали долгое автономное питание.

Литий-ионный аккумулятор – разновидность электрического элемента питания, широко применяемого в бытовой электронике, цифровой технике.

Литиевые батареи (аккумуляторы) устанавливаются в ноутбуках, смартфонах, камерах, фотоаппаратах, электромобилях.

Описание элементов питания

В состав литий-ионного аккумулятора входят электроды, поделенные пропитанными электролитным раствором пористыми сепараторами. Пакет с ними помещается в полностью герметичный корпус, аноды с катодами подключаются к токосъемным клеммам. На корпусе предусмотрен клапан для защиты от повышенного давления – он сбрасывает чрезмерное напряжение при авариях, проблемах с условиями эксплуатации.

Каждый li ion аккумулятор имеет значимые преимущества перед другими элементами питания.

Основные:

• высокая энергоемкость;
• низкие саморазряды (снижение емкости);
• внушительный набор циклов зарядов и разрядов.

К недостаткам АКБ данного типа первого поколения можно было отнести подверженность взрывам. В итоге проблема была решена, а именно полностью устранена за счет замены анодного взрывного материала на графитный.

Проблемы естественного старения, деградации при некорректном применении актуальны и сегодня. Литий-ионные батареи утрачивают нормальную эффективность, могут полностью выходить из строя в случае полной разрядки.

Также они чувствительны к температурным режимам эксплуатации. Наиболее благоприятными условиями среды является диапазон 0–10 °C, остаток заряда должен быть не меньше 40 %.

Спустя пару лет интенсивного использования уйдет не менее 20 % емкости батареи, теряется она даже тогда, когда АКБ просто лежит и не используется.

История и перспективы

Первый элемент питания увидел свет в 1912 году, а в бытовых приборах стал использоваться ближе к 70-м. Литий-ионные аккумуляторы не сразу получили успех хотя бы потому, что было немало проблем с безопасностью их применения.

Исследователи новинкой заинтересовались и стали более активно заниматься разработкой литиевых неметаллических элементов питания.

Плотность энергии элементов вдвое превышает показатели NiCd стандартных батарей. В будущем за счет применения передовых активных материалов она должна быть дополнительно увеличена с достижением трехкратного превосходства над привычными NiCd.

Сегодня видов Li-ion аккумуляторов существует довольно много, каждый имеет свои преимущества и недостатки.

Плюсы и минусы

Литий-ионные батареи имеют такие преимущества:

• значительная емкость при стандартных габаритах (если говорить о никелевых элементах);
• низкие саморазряды;
• большое напряжение отдельно взятого (единичного) элемента.

Для сотовых зачастую используются именно такие АКБ. Для достижения заданных параметров мощности важно, чтобы элемент давал значительный ток. Возможно это только при условии отсутствующего внутреннего сопротивления батареи.

Литий-ионный аккумулятор для сотового

Стоимость обслуживания невысокая, поскольку эффекта памяти нет, а периодические циклы зарядов-разрядов не требуются – емкость в процессе эксплуатации практически не меняется.

Минусы у li-ion аккумуляторов тоже есть:

1. Потребность в применении встроенной защитной схемы (это повышает цену) – для ограничения максимальных параметров напряжения на каждом участки АКБ в ходе зарядки.
2. Подверженность старению, даже при полном покое – батарея лежит на полке, а ее ресурс снижается. При активной эксплуатации процесс протекает в ускоренном режиме, спустя несколько лет элемент обычно полностью утрачивает эксплуатационную пригодность.
3. Достаточно высокая цена, если сравнивать с NiCd-батареями.

В плане удельных технических параметров Li-ion батареи занимают лидирующее место среди электрохимических решений. Они имеют значительную удельную энергию, хорошее разрядное напряжение и сравнительно небольшой саморазряд.

Срок службы хоть и не вечный, но приемлемый. Особых требований к условиям эксплуатации нет – температурные показатели среды составляют от -40 до +80 °C.

Особенности конструкции

Рассмотрим особенности строения литиевого аккумулятора. Он может быть мощным, емким или промежуточным. Данную классификацию можно считать условной, но применяется она повсеместно.

Суть деления состоит в том, что с учетом особенностей протекания электрохимических реакций элемент питания может иметь определенные производственные особенности.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Пример – токопроводящая основа электрода может быть толще либо тоньше электродной массы.

При этом, чем меньше толщина фольги из меди, тем ниже окажется ее токопроводящая способность без дополнительного нагрева. Есть и обратная зависимость. То есть выходит, что батарея с тонкой токопроводящей основой, толстым слоем электродов будет иметь максимальные параметры энергии, которая запасается, при сниженной мощности, и наоборот.

Чтобы дополнительно уменьшить сопротивление, используйте активные материалы с мелкими частичками. Варьируя толщины электродов, фольгированного покрытия, сепаратора, а также материала положительных и отрицательных электродов, размеры частичек, производители могут изготавливать аккумуляторы с любыми нужными токами, емкостью в заданных типоразмерах конечных изделий.

Батареи увеличенной мощности при этом должны иметь массивные выводы для силы тока – это защитит АКБ от чрезмерного нагрева.

У аккумуляторов повышенной емкости токосъемники или борны обычно мелкие – в сравнении с объемами самого корпуса. Борны изначально рассчитываются на низкие разрядные токи.

Задачи с применением таких АКБ могут решаться разные, сферы применения тоже широкие – от стартерных пусков до запитывания аппаратуры слаботочной категории.

Порядок зарядки

Li-ion аккумуляторы заряжаются в несколько шагов. Рассмотрим их.

Подготовка

Нужна, если напряжение на АКБ ниже некоторых запрограммированных параметров. И длительное хранение в бездействии, и активная эксплуатация приводят к саморазрядам.

Малые зарядные токи создают условия для постепенного выхода электродов повышенной активности на оптимальные в плане показателей напряжения уровни.

Подготовительный режим продлевает сроки службы элемента питания. Его рекомендуют применять для зарядки при низких температурах среды.

Первичный малотоковый заряд также гарантирует максимальную безопасность для АКБ. Если внутри батареи случилось микрозамыкание, напряжение в течение некоторого времени будет только увеличиваться.

Сразу большой ток не пускают, чтобы не было чрезмерного разогрева и разгерметизации. Это опасно для всей системы, несмотря на наличие датчика температур, – он срабатывает не так оперативно, как резко прыгают температурные значения.

Функция малотокового заряда обычно возлагается не на зарядку, а на батарею СОФ. В схемах СОФов предусматривается резервный транзистор MOSFET, который управляет зарядом, ограничивает подключенный к АКБ ток.

Первый этап

Тут зарядка идет с номинальными значениями силы тока, зависящими от заданной емкости батареи. Потребители часто экономят время, делая ускоренную зарядку.

Соответствующие значения, предельно допустимые параметры вы найдете в технической документации. Учитывайте, что чем больше зарядный ток, тем меньше батарея «наберет» емкость и тем пристальнее придется отслеживать разогрев для предотвращения перегревов.

Зарядка Li-ion элементов питания

При значительном токе заряда увеличивается время второго этапа (о нем мы расскажем далее), ток начинает падать до заданных значений.

У каждого элемента питания существует определенное сопротивление: если текущий показатель упадет ниже допустимого, конечное зарядное напряжение будет достигнуто быстрее.

По мере достижения конечного напряжения заряд перейдет на следующий этап – падение силы тока. Аккумулятор начнет «набирать» и терять емкость.

При номинальных показателях тока увеличивается длительность заряда. Продление продолжительности процедуры обеспечивает оптимальную балансировку АКБ.

Чем больше будет значение времени балансировки, тем лучших значений достигнут показатели емкости элементов питания. В результате батарея начнет отдавать близкую к номинальной при разрядке емкость.

Второй этап

Осуществляется при стабильных значениях напряжения, постоянно падающем токе. Процесс будет считаться завершенным в случае установления зарядного тока на отметках в 0.1-0.05 Сн.

Период зарядки падающими токами определяется с учетом времени работы, числа циклов по полной зарядке и разрядке. По завершении процесса номинальный ток упадет, достигнув равновесных значений.

Производство литий-ионных аккумуляторов может сразу осуществляться с учетом указанных параметров. Бренды выпускают на рынок полностью готовые к применению решения по схемотехнике, реализуют прописанные алгоритмы зарядки, помещая микросхемы в единый корпус. Самой часто используемой микросхемой является MC34063 на 12–24 В.

Финальный стэнд-бай этап

Применяется в тех случаях, когда АКБ должен быть в зарядном и находиться в состоянии полной эксплуатационной готовности.

Кратковременные подзаряды нужны для компенсации незначительных и неизбежных саморазрядов. Зарядка сработает тогда, когда показатель напряжения в сети резко упадет до отметки в 4,05 В на батарею, выключение произойдет при 4,20 В.

Зарядки, предназначенные для эксплуатации в режиме постоянной готовности либо ожидания, позволяют напряжению падать вплоть до 4,0 В из расчета на одну батарею, а уровень заряда повышать строго до 4,05, а не 4,20.

Соблюдение всех указанных выше этапов способствует продлению срока службы АКБ.

Тенденции развития в будущем

Литий-ионные технологии хоть и появились не вчера, но объективно находятся в точке старта в плане реализации имеющегося потенциала, сфер промышленного внедрения, доступных на данный день.

Li-ion элементы устанавливают в автомобилях, на водных суднах, в самолетах. Корпорация Boeing постоянно дорабатывала производственные технологии по изготовлению, выпуску аккумуляторов таким образом, чтобы предотвратить прорывы отдельных элементов в случае повышения рабочих температур, изменила конструкцию и снизила параметры выделения тепла.

Отдельно проводилось совершенствование зарядной системы. В конечном счете мастера компании выпустили новую доработанную конструкцию отсека для батареи, которая бы защитила самолет на случай отказа.

Прорывом элементы питания стали в электромобилях. Лидером по вопросам разработки в данном сегменте является марка Tesla Motors. Она, чтобы обеспечить автомобили источниками питания, неоднократно заявляла о планах строительства завода по производству литиевых и ионных батарей полного цикла.

Норвежцы пошли дальше и создали проект электропарома с применением рассматриваемой категории элементов питания. Судна Siemens (Германия) и Fjellstrand (Норвегия) решено было оснастить парой электрических двигателей, работа которых идет от литий-ионных АКБ. Производительность и мощность новинки – 360 пассажиров, 120 машин.

Еще один интересный пример – электрический вертолет от хиросимской корпорации Hirobo. Модель рассчитана на одного пассажира, максимально в час может развивать 100 км. Двигатель бесшумен в работе, заряда батареи хватает в среднем на 30 минут полета без перерывов – да, немного, но уже лучше, чем ничего.

Развитие Li-ion АКБ в будущем направлено на повышение мощности, расширение емкости при малых размерах. Использование кремниевых нанопроводников вместо графита в анодах должно повысить емкость минимум втрое и сделать даже стандартную зарядку очень быстрой – до 15 минут.

Заключение

Li-ion аккумуляторы считают оптимальными в плане электрохимических показателей источниками питания для устройств разных категорий. За счет сравнительно небольшой массы и значительной удельной емкости именно их устанавливают в мобильных устройствах.

Благодаря активному развитию научной и технической мысли, Li-ion аккумуляторы были избавлены от их главных недостатков – стабильность работы стала лучше, разрядные токи нормализовались. Именно за счет этого элементы питания вытеснили АКБ Ni-MH и Ni-Cd типов.

В будущем планируется повышение эффективности аккумуляторов минимум в 2 раза. Ведутся активные инженерные работы, направленные на совершенствование технических параметров устройств.

Так появились Li-polymer элементы, еще более надежные и емкие, чем Li-ion. В 2014-м французские ученые разработали Na-ion элементы – наиболее эффективные из всех. Пока что они дорабатываются и тестируются.

Литий-ионные аккумуляторы. Устройство и виды.Работа и применение

Сегодня именнолитий-ионные аккумуляторынаиболее часто применяются в различных областях. Особенно широко они используются в мобильной электронике (КПК, мобильные телефоны, ноутбуки и многое другое), электромобилях и так далее.

Это связано с их преимуществами в сравнении с ранее широко применявшимися никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и никель-металлогидридными (Ni-MH) аккумуляторами.

И если последние приблизились вплотную к своему теоретическому пределу, то технологии литий-ионные аккумуляторы находятся в начале пути.

Устройство

В литий-ионных аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) работает алюминий, а положительным электродом (анодом) выступает медь. Электроды могут быть выполнены в разной форме, однако, как правило, это фольга в форме продолговатого пакета или цилиндра.

• Анодный материал на медной фольге и катодный материал на алюминиевой фольге разделяются пористым сепаратором, который пропитан электролитом.
• Пакет электродов устанавливаются в герметичный корпус, а аноды и катоды подсоединяются к клеммам-токосъемникам
• Под крышкой аккумулятора могут быть специальные устройства. Одно устройство реагирует увеличением сопротивления на положительный температурный коэффициент. Второе устройство разрывает электрическую связь между положительной клеммой и катодом при повышении давления газов в аккумуляторе сверх допустимого предела. В некоторых случаях корпус оснащается предохранительным клапаном, который сбрасывает внутреннее давление при нарушениях условий эксплуатации или аварийных ситуациях.
• Для повышения безопасности эксплуатации в ряде аккумуляторов применяется и внешняя электронная защита. Она не допускает возможности чрезмерного разогрева, короткого замыкания и перезаряда аккумулятора.
• Конструктивно аккумуляторы производятся в призматическом и цилиндрическом вариантах. Свернутый в виде рулона пакет сепаратора и электродов в цилиндрических аккумуляторах помешен в алюминиевый или стальной корпус, с которым соединяется отрицательный электрод. Через изолятор на крышку выводится положительный полюс аккумулятора. Призматические аккумуляторы создаются складыванием прямоугольных пластин друг на друга.

Подобные литий-ионные аккумуляторы позволяют обеспечить более плотную упаковку, однако в них труднее поддерживать сжимающие усилия на электроды, чем в цилиндрических. В ряде призматических батарей используется рулонная сборка пакета электродов, скрученных в эллиптическую спираль.

Большая часть аккумуляторов производится в призматических вариантах, так как основное их назначение — обеспечение работы ноутбуков и мобильников. Конструкция Li-ion аккумуляторов отличается абсолютной герметичностью.

Данное требование продиктовано недопустимостью вытекания жидкого электролита.

Если пары воды или кислород попадут внутрь, то происходит реакция с электролитом и материалами электродов, что ведет к полному выводу аккумулятора из строя.

Принцип действия

• В литий-ионных аккумуляторах имеются два электрода в виде анода и катода, между ними находится электролит. На аноде при подключении батареи в замкнутую цепь образуется химическая реакция, которая приводит к образованию свободных электронов.
• Указанные электроны стремятся попасть на катод, где меньше их концентрация. Однако от прямого пути к катоду от анода удерживает их электролит, который находится между электродами. Остается единственный путь – через цепь, куда замыкается батарея. При этом электроны, двигаясь по указанной цепи, питают устройство энергией.
• Положительно заряженные ионы лития, которые были оставлены убежавшими электронами, в то же время через электролит направляются к катоду, дабы удовлетворить потребность в электронах на стороне катода.
• После перемещения всех электронов к катоду наступает «смерть» батарейки. Но литий-ионный аккумулятор является перезаряжаемым, то есть процесс можно обратить вспять.

При помощи зарядного устройства можно впустить энергию в цепь, тем самым будет запущена реакция протекания в обратном направлении. В результате будет получено скопление электронов на аноде.

После перезаряда аккумулятора он по большей части будет оставаться таковым до момента приведения его в действие. Однако с течением времени батарея будет утрачивать часть своего заряда даже в режиме ожидания.

• Емкость батареи подразумевает количество ионов лития, которые могут внедриться в кратеры и крошечные поры анода или катода. Со временем, после многочисленных перезарядок катод и анод деградируют. В результате число ионов, которые они могут вместить, уменьшается. При этом аккумулятор более не может удерживать прежнее количество заряда. В конце концов, он полностью утрачивает свои функции.

Литий-ионные аккумуляторы выполнены так, что их зарядку нужно постоянно контролировать. С этой целью в корпус устанавливается специальная плата, она называется контроллер заряда. Чип на плате производит управление процессом зарядки аккумулятора.

Стандартная зарядка аккумулятора выглядит следующим образом:

• Контроллер в начале процесса заряда подает ток величиной 10% от номинального. В данный момент напряжение поднимается до 2,8 В.
• Затем ток заряда повышается до номинального. В данный период напряжение при постоянном токе растет до 4,2 В.
• В завершении процесса заряда ток падает при постоянном напряжении 4,2 В до момент 100% заряда батареи.

Стадийность может отличаться в виду применения разных контроллеров, что ведет к разной скорости зарядки и соответственно суммарной стоимости аккумулятора. Литий-ионные аккумуляторы могут быть без защиты, то есть контроллер находится в зарядном устройстве, либо со встроенной защитой, то есть контроллер располагается внутри батареи.

Могут быть устройства, где плата защиты встроена непосредственно в аккумулятор.

Существуют два форм-фактора литий-ионных аккумуляторов:

1. Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы.
2. Таблеточные литий-ионные аккумуляторы.

Разные подвиды электрохимической литий-ионной системы называются по типу применяемого активного вещества. Объединяет все эти литий-ионные аккумуляторы то, что все они являются герметичными необслуживаемым аккумуляторам.

Можно привести 6 наиболее распространенных типов литий-ионных аккумуляторов:

1. Литий-кобальтовый аккумулятор. Он является популярным решением для цифровых камер, ноутбуков и мобильных телефонов в виду высокого показателя удельной энергоемкости.

   Аккумулятор состоит из катода из оксида кобальта и графитового анода.

   Недостатки литий-кобальтовых аккумуляторов: ограниченные возможности нагрузки, низкая термическая стабильность и относительно короткий срок службы.

Области применения; мобильная электроника

1. Литий-марганцевый аккумулятор. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели выделяется трехмерной каркасной структурой. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, однако отличается более умеренной удельной энергоемкостью, чем кобальт.

Области применения; электрические силовые агрегаты, медицинское оборудование, электроинструмент

1. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор. В катоде батареи сочетаются кобальт, марганец и никель.

   Никель славится высокой удельной энергоемкостью, однако низкой стабильностью. Марганец обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, однако приводит к низкой удельной энергоемкости.

   Сочетание металлов позволяет компенсировать их минусы и задействовать сильные стороны.

Области применения; для частного и промышленного использования (источники бесперебойного питания, системы безопасности, солнечные электростанции, аварийное освещение, телекоммуникации, электромобили, электровелосипеды и так далее)

1. Литий-железо-фосфатный аккумулятор. Его основные преимущества: длительный срок службы, высокие показатели силы тока, стойкость к неправильному использованию, повышенная безопасность и хорошая термическая стабильность. Однако у такого аккумулятора небольшая емкость.

Области применения;стационарные и портативные специализированные устройства, где нужны выносливость и высокие токи нагрузки

1. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор. Его основные преимущества: высокие показатели плотности энергии и энергоемкости, долговечность. Однако показатели безопасности и высокая стоимость ограничивают его применение.

Области применения; электрические силовые агрегаты, промышленность и медицинское оборудование

1. Литий-титанатный аккумулятор. Его основные преимущества: быстрая зарядка, длительный срок службы, широкий температурный диапазон, отличные показатели производительности и безопасности.

   Это наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.

Однако у нее высокая стоимость и низкая удельная энергоемкость.

На данный момент ведутся разработки по удешевлению производства и увеличению удельной энергоемкости.

В целом литий-ионные аккумуляторы имеют следующие типичные характеристики:

• Минимальное напряжение — не ниже 2,2-2,5В.
• Максимальное напряжение – не выше 4,25-4,35В.
• Время заряда: 2-4 часа.
• Саморазряд при комнатной температуре – порядка 7 % в год.
• Диапазон рабочих температур, начиная от −20 °C и заканчивая +60 °C.
• Число циклов заряд/разряд до достижения потери 20% емкости составляет 500-1000.

К преимуществам можно отнести:

• Высокая энергетическая плотность при сравнении с щелочными аккумуляторами с применением никеля.
• Достаточно высокое напряжение одного аккумуляторного элемента.
• Отсутствие «эффекта памяти», что обеспечивает простую эксплуатацию.
• Значительное число циклов заряда-разряда.
• Длительный срок эксплуатации.
• Широкий температурный диапазон, обеспечивающий неизменные рабочие характеристики.
• Относительная экологическая безопасность.

Среди недостатков можно выделить:

• Умеренный ток разряда.
• Относительно быстрое старение.
• Сравнительно высокая стоимость.
• Невозможность работы без встроенного контроллера.
• Вероятность самовозгорания при высоких нагрузках и при слишком глубоком разряде.
• Конструкция требует существенных доработок, ведь она не доведена до совершенства.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементов

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую “батарейку” назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру.

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток – это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны “убегут” из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор “на зарядку”.

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия – оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс – с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в “рулончик”.

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее.

У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается – это источники питания.

Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина.

Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов.

Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения.

BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных.

Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами.

Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана.

Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его.

Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы.

Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой).

Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Что собой представляет и как работает литий-ионный аккумулятор

Об аккумуляторах литий-ионного класса сегодня слышали, пожалуй, все. Они представляют собой универсальный тип батарей, которые нашли свое применение в портативной электронике, специнструменте, электротранспорте.

Литий ионный аккумулятор – это одна из разновидностей электрических АКБ, которая характеризуется малым саморазрядом (потери емкости – не более 5-10 % в год) на фоне высокой емкости и значительного срока службы. Свое название данные элементы питания получили благодаря тому, что в качестве катодных

материалов они используют литиевые производные (литий-феррофосфат, кобальтат лития, литий-марганцевую шпинель и т.д.), а переносчиками заряда в них выступают ионы лития со знаком плюс, которые способны проникать в кристаллическую решетку других материалов, провоцируя необходимую химическую реакцию.

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.

Литиевый аккумулятор: принцип работы

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:

• после приобретения батареи и до начала ее эксплуатации требуется зарядить ее до 100 %;
• стараться избегать зарядки и хранения аккумулятора при слишком высоких температурах;
• заряжать устройство необходимо только с помощью оригинального блока питания и кабеля (оптимально – с индикацией заряда, чтобы не возникало перезарядки), соблюдая временные рамки, установленные производителем;
• с целью сохранения ресурса АКБ нужно стараться не допускать полной ее разрядки;
• если батарея использовалась на морозе или холоде, ее нельзя сразу ставить на зарядку, правильным будет подождать, пока она немного прогреется.

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

О жизни и здоровье литий-ионных батарей

Портативная техника правит бал в нашем динамичном мире. Она незаменима, когда нужно постоянно быть в курсе событий или оперативно управлять бизнесом, да и просто помогает скоротать время в очереди, пробке, общественном транспорте.

И даже дома мы часто слушаем музыку с помощью МР3-плеера и просматриваем новости или прогноз погоды на легком мобильном гаджете, ведь с ним так удобно устроиться на диване.

Все это было бы невозможно без автономных источников питания, которые, пусть и ненадолго, избавляют от необходимости находиться вблизи розетки.

Наиболее распространены в современной электронике литий-ионные аккумуляторные батареи. Они вполне надежны и безопасны, имеют хорошее соотношение габаритов, емкости и цены. Однако есть множество факторов, способных значительно сократить срок их службы и даже привести к необратимым повреждениям.

Краткая история

Первый серийный литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 г. На тот момент уже существовали батареи с положительным электродом из лития, но их широкому распространению мешала чрезмерная химическая активность данного материала.

Нередки были случаи их возгораний и взрывов вследствие внутренних коротких замыканий.

Инженеры Sony заменили металлический литий его ионной формой (кобальтатом лития, LiCoO2) и снабдили каждый аккумулятор электронной схемой управления и защиты BMS (Battery Management System), которая контролировала режимы заряда/разряда и обеспечивала безопасность эксплуатации. Несмотря на постоянные поиски альтернативных материалов, именно литий-кобальтовые батареи до сих пор применяются в мобильных телефонах, ноутбуках, фото- и видеокамерах и прочих портативных устройствах.

При подаче на электроды зарядного напряжения ионы лития мигрируют из литийсодержащего катода в угольный анод, окисляя его, а при подключении нагрузки – в обратном направлении.

При разряде восстановление отрицательного электрода происходит не полностью, продукты окисления накапливаются, и аккумулятор постепенно теряет емкость. Ее 30%-ная потеря считается концом жизненного цикла батареи, продолжительность которого составляет от 2 до 5 лет (или 500–1000 циклов, в зависимости от условий эксплуатации).

«Вредные советы» и их разоблачение

Литий-ионные батареи не требуют какого-то особенного ухода. Основные правила их эксплуатации можно найти в инструкции к телефону/ноутбуку/камере, а все остальное берут на себя схема BMS и контроллер заряда в питаемом устройстве. Тем не менее при покупке часто можно услышать от продавца или приятеля-«гуру» следующие утверждения:

1. «…первая зарядка — 12–15 часов…» или, как вариант, «…просто оставляете устройство подключенным всю ночь…»;
2. «…нужно сделать 3–5 полных цикла, чтобы аккумулятор набрал емкость…»;
3. «…батарею желательно заряжать и разряжать полностью…»;
4. «… ну и что, что аккумулятору уже год, он же не использовался; срок его службы зависит исключительно от количества циклов «заряд–разряд»…».

Давайте посмотрим, насколько вышесказанное соответствует действительности.

Первое утверждение попросту лишено смысла – управляющая электроника не позволит зарядить батарею больше положенного.

Совет №2 тоже несостоятелен. Литий-ионные аккумуляторы после первой же зарядки работают с полной отдачей, а разряжаются поначалу быстрее просто потому, что владелец устройства настраивает и изучает его, демонстрирует друзьям и знакомым и т. п.

Через неделю-две гаджет входит в нормальный режим, что, естественно, положительно сказывается на автономности. Но одна полная зарядка перед началом использования все-таки желательна.

Это нужно не для аккумулятора, а для того, чтобы аппарат мог определить ее реальную емкость и в дальнейшем правильно отображать остаток заряда.

У рекомендации №3 «ноги растут» еще из правил эксплуатации никель-кадмиевых батарей, которые нужно было предварительно полностью разряжать, иначе необратимо терялась часть емкости. Их литий-ионные собратья не имеют подобного «эффекта памяти», мало того – им противопоказан глубокий разряд.

При частом применении это неактуально, так как система BMS не дает аккумулятору разрядиться до конца, но если он будет пребывать в разряженном состоянии месяц и более, остатки заряда «утекут», схема защиты заблокирует процесс зарядки и отключится, после чего зарядка будет уже невозможна.

Избыточный заряд тоже вреден, но в большинстве устройств это уже учтено, и они заряжают батарею не до 100%.

Встречается также совет типа «заряжайте как хотите, но хотя бы раз в неделю (месяц) проведите цикл полностью».

Такая схема работы оптимальна для никель-металлгидридных аккумуляторов – они тоже обладают эффектом памяти, но намного меньшим, чем Ni-Cd, и восстанавливают емкость после 1–2 полных циклов.

Для литий-ионных батарей это справедливо лишь частично, так, например, рекомендуется сделать после длительного хранения.

Из утверждения номер 4 следует логичный, казалось бы, вывод: раз время жизни батареи измеряется количеством циклов, значит, лучше использовать по максимуму. Это ошибка. Полные заряд и разряд быстрее изнашивают ее, а неполные циклы, напротив, продлевают жизнь (см. таблицу 1).

Таблица 1. Срок службы (количество циклов) в зависимости от глубины разряда

Глубина разряда	Количество циклов разряда
100%	500
50%	1500
25%	2500
10%	4700

К тому же литий-ионные аккумуляторы теряют емкость даже без использования. Уже после года «на полке» их ресурс уменьшается на 5–10%, после 2 лет – на 20–30%. Поэтому, приобретая новое портативное устройство, обращайте внимание на дату выпуска источника питания. Очевидно также, что покупка батареи «впрок», даже если ее трудно найти в продаже, бесполезна.

Холодно-жарко

Очень важно соблюдать температурный режим работы литий-ионных батарей.

На морозе ниже -20 °С они просто перестают отдавать ток, а при жаре выше +45 °С хотя и функционируют, но такие климатические условия активизируют процесс старения, значительно сокращая срок жизни аккумулятора.

А вот заряжать его можно только при положительных (по Цельсию) температурах, иначе велик риск выхода устройства из строя. Вообще, оптимальная рабочая температура литий-ионных АКБ составляет +20 °С.

Литий-ионные батареи постоянно совершенствуются, производители активно экспериментируют с материалами электродов и электролита. В 1994 г. появились аккумуляторы с литий-марганцевыми, а в 1996 – с литий-железо-фосфатными катодами. Они гораздо стабильнее и легко переносят большой разрядный ток, поэтому нашли применение в электроинструментах и электромобилях.

С 2003 г. выпускаются батареи, использующие сложный состав катода (LiNiMnCoO2) и обладающие наилучшим сочетанием характеристик среди всех перечисленных. Но по удельной емкости и цене литий-кобальтовые экземпляры пока никому превзойти не удалось, а преимущества новых типов не востребованы в мобильных телефонах и ноутбуках, потребляющих относительно небольшой ток.

Как сохранить неиспользуемую батарею

Если вы временно отложили старый телефон, но хотите сберечь его в рабочем состоянии, – знайте, что лучше всего литий-ионные аккумуляторы хранятся при температуре около +5 °С.

Чем она выше и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее стареет батарея и теряет емкость (см. таблицу 2).

Лучше всего зарядить ее до 40–50%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет, положить в холодильник (но не в морозильную камеру!) и периодически подзаряжать.

Таблица 2. Деградация характеристик литий-кобальтовых аккумуляторов в связи с температурой хранения и степенью заряда

Температура, °C	40%-ный уровень заряда	100%-ный уровень заряда
0°C	98% через 1 год	94% через 1 год
25°C	96% через 1 год	80% через 1 год
40°C	85% через 1 год	65% через 1 год
60°C	75% через 1 год	60% через 3 месяца

Из всего вышесказанного можно вывести набор простых правил, соблюдение которых поможет продлить срок службы вашего мобильного источника энергии.

При покупке

• обращайте внимание на дату выпуска батареи (если ей больше полугода – возможно, стоит поискать другой вариант);
• один раз полностью зарядите аккумулятор перед первым включением устройства.

При использовании

• по возможности избегайте полных заряда и разряда;
• не оставляйте батарею надолго целиком разряженной;
• не заряжайте при отрицательных температурах.

При хранении

• держите отдельно от телефона в прохладном месте с начальным уровнем заряда 40–50%;
• подзаряжайте раз в 2–3 месяца (после прогрева до комнатной температуры).