Литий ионный аккумулятор: от устройства до выбора

Устройство аккумулятора

Практически любой современный li lon аккумулятор имеет особую конструкцию, которая отличается абсолютной непроницаемостью и герметичностью. Причём подобное требование к производству батареек продиктовано недопустимостью вытекания электролита, который находится внутри, ведь именно он обеспечивает стабильную работу устройства.

Помимо этого, в литий-ионных батарейках в роли отрицательного электрода выступает алюминий, в то время как в качестве положительного электрода работает медь. При этом аноды и катоды могут быть изготовлены практически в любой форме, хотя на практике чаще всего они встречаются в форме цилиндра или продолговатого прямоугольника, обёрнутого в фольгу. Аккумулятор имеет простое устройство:

• Конструкция таких аккумуляторов может изготавливаться в двух основных вариантах: цилиндрическом и призматическом. В цилиндрическом исполнении сепараторный пакет и электроды устройства сворачиваются в рулон, а затем помещаются в специальный корпус, который может делаться из стали или алюминия. Корпус соединяется с отрицательным электродом, а через изолятор выводится положительный полюс батарейки прямо на крышку устройства. Что касается призматического варианта аккумулятора, то он производится путём складывания друг на друга плоских прямоугольных пластинок.
• На медной фольге находится анодный материал, а на алюминиевой — катодный материал. Они разделяются при помощи пористого сепаратора, пропитанного электролитом.
• Электроды, помещённые в аккумуляторный пакет, устанавливаются в прочный и герметичный корпус, в то время как катоды и аноды плотно присоединяются к специальным клеммам, предназначенным для снятия тока и обеспечения надёжного контакта с частями электроцепи (токосъёмник).
• Сразу же под крышкой аппарата размещаются дополнительные устройства. Например, одно — для регулирования увеличения сопротивления, а второе — для разрыва электросвязи между катодом и клеммой. Помимо этого, в аккумулятор может быть встроен специальный предохранитель, который позволяет сбрасывать сильное давление в случае нарушения условий эксплуатации прибора.
• Чтобы увеличить уровень безопасности в процессе использования устройства, батарейка li ion может быть оснащена внешней электронной системой защиты. Благодаря этому элементу исключается вероятность перегрева устройства, замыкания или чрезмерной перезарядки батарейки.

Должное хранение и «рецепт» долгоживущих Li-Ion батарей

Если говорить не о продлении жизни устройства, когда максимальные десять лет уже истекли, а о надлежащем хранении приспособления, нужно помнить несколько значимых правил:

• Li-Ion АКБ нужно хранить в температурном диапазоне от +5 до +25°С, поскольку приспособления такого типа не переносят слишком низких и слишком высоких температур — это чревато остановкой работы и быстрым саморазрядом.
• Необходимо держать устройства вдали от открытого пламени.
• Батарея не подлежит разборке.
• Физические удары и сильная вибрация способны погубить важную деталь девайса, поэтому подвергать его таким испытаниям нельзя.
• Это же касается и попадания влаги.

Недостатки Li-ion 18650

Помимо преимуществ литий-ионные батареи имеют и недостатки.

Во-первых, как говорилось выше — это деградация и выход из строя при перезарядке или перегреве.

Ошибка №9
Из-за проблем с перегревом их не рекомендуется соединять между собой методом пайки.

Чаще всего это делается контактной сваркой.

При сварке образуется незначительный кратковременный нагрев, который целиком поглощается проводником (никелевая лента).

Во-вторых, литий-ионные акб не любят полной разрядки.

Ошибка №10
Чтобы аккумулятор прослужил вам долго и исправно, не храните его в разряженном состоянии менее 40%.

Именно с таким зарядом они как правило и продаются в магазинах. Идеальная температура хранения +5С.

Поэтому держать батарейки в холодильнике (не в морозилке!), не такая уж и плохая идея.

Ошибка №11
А вот заряжать их до 100% в холодном помещении нельзя.

Иначе при попадании в тепло случится непоправимое.

Широко известна проблема быстрого разряда всех Li-ion батареек 18650 при отрицательных температурах воздуха. Что делать в этом случае?

Ошибка №12
Самыми морозостойкими на сегодняшний день являются не литий-ионные, а литий-железофосфатные модели.

Они спокойно держат заряд и переносят температуру до -30С. У них очень стабильное напряжение разряда и они более безопасны.

При частом использовании средний срок службы 18650 – около 36 месяцев (три года). Но даже если вы ими не пользуетесь, они все равно деградируют!

Ошибка №13
Поэтому нет никакого смысла покупать лишние батарейки про запас на будущее.

Что влияет на срок годности батареек

• Возможная длительность использования батареек напрямую зависит от технологии производства. Солевые – применяются для простой техники с малой мощностью, имеют срок службы до 2 лет.
• Щелочные – одни из самых популярных, поскольку имеют большую мощность, и срок эксплуатации 5 лет.
• Литиевые – для приборов, работающих на высоких мощностях, служат до 12 лет.
• Серебряно-цинковые – в форме таблеток, применяют в небольших приборах, способны проработать до 15 лет.
• Воздушно-цинковые – чаще применяются в медицинском оборудовании, годны в течение 2 лет.

Бережное хранение между использованиями.

Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы

Существует несколько схем зарядки литиевых аккумуляторов. Чаще используется двухэтапная  зарядка, разработанная компанией SONY. Не применяются устройства с применением импульсного заряда и ступенчатой зарядки, как для кислотных АКБ.

Зарядка любых разновидностей ионно-литиевых или литий-полимерных аккумуляторов требует строгое соблюдение напряжения. На одном элементе заряженного литиевого аккумулятора должно быть не больше 4,2 В. Номинальным напряжением для них считается 3,7 В.

Литиевые аккумуляторы можно ли заряжать быстро, не полностью? Да. Их всегда можно дозарядить. Работа батареи на 40-80 % емкости удлинняет АКБ срок годности.

Двухступенчатая схема зарядки батареи литиевых аккумуляторов

Принцип схемы CC/CV – постоянная сила зарядного тока/ постоянное напряжение. Как зарядить по этой схеме литиевый аккумулятор?

На схеме до 1 этапа зарядки изображен предэтап, для восстановления глубоко севшего литиевого аккумулятора, с напряжением на клеммах не менее 2,0 В. Первый этап должен восстановить 70-80 % емкости. Ток зарядки выбирают 0,2-0,5 С. Ускоренно заряжать можно, током 0,5-1,0 С. (С – емкость литиевых аккумуляторов, цифровое значение). Каким должно быть напряжение зарядки на первом этапе? Стабильным, 5 В. Когда достигнуто напряжение на клеммах аккумулятора 4,2 – это сигнал перехода на второй этап.

Теперь ЗУ поддерживает стабильное напряжение на клеммах, а зарядный ток по мере поднятия емкости снижается. При уменьшении его значения до 0,05-0,01 С зарядка закончится, устройство отключится, не допуская перезарядки. Общее время восстановления емкости для литиевого аккумулятора не превышает 3 часов.

Если литий-ионная батарея разряжена глубже 3,0 В, потребуется провести «толчок». Это заключается в зарядке малым током до тех пор, пока на клеммах не будет 3,1 В. Потом используется обычная схема.

Как контролируют параметры зарядки

Так как литиевые аккумуляторы работают в узком диапазоне изменения напряжения на клеммах, их нельзя перезаряжать выше 4,2 В и допускать разрядку ниже 3 В. Контроллер заряда установлен в ЗУ. Но каждый аккумулятор или батарея имеют собственные прерыватели, РСВ плату или РСМ модули защиты. В аккумуляторах установлена именно защита от того или иного фактора. В случае нарушения параметра, она должна отключить банку, разорвать цепь.

Контроллер – устройство, которое должно реализовать функции управления – переводить режимы CC/CV, контролировать количество энергии в банках, отключать зарядку. При этом сборка работает, нагревается.

Самодельные схемы зарядки, применяемые для литиевых аккумуляторов

• LM317 – схема простого зарядного устройства с индикатором заряда. От USB порта не запитывается.
• MAX1555, MAX1551- специально для Li Аккумуляторов, устанавливаются в адаптер питания от телефона в USB. Есть функция предварительного заряда.
• LP2951- стабилизатор ограничивает ток, формирует стабильное напряжение 4,08-4,26В.
• MCP73831- одна из простейших схем, подходит для зарядки ионных и полимерных устройств.

Если батарея состоит из нескольких банок, разряжаются они не всегда равномерно. При зарядке необходим балансир, распределяющий заряд и обеспечивающий равномерный заряд всех банок в батарее. Балансир может быть отдельным или встроенным в схему подключения АКБ. Устройство защиты батареи называется BMS. Зная как заряжать приборы, разбираясь в схемах, можно своими руками собрать схему защитного устройства для литиевого аккумулятора.

Как определить, что литий-ионный аккумулятор испорчен и что делать в таком случае

Существуют симптомы, свидетельствующие о полном износе АКБ:

• Корпус оказался заметно вздутым.
• На контактах появились признаки коррозии.
• Заряд во время работы устройства резко падает на большие значения.
• Аккумулятор разрядился до нуля и больше не заряжается.

Проблемы появляются сразу после полного разряда: аккумулятор больше не заряжается, восстановление батареи невозможно.  Такая ситуация возникает, когда оборудование (телефон, электроинструмент, электротранспорт) долго находилось без дела при разряженном аккумуляторе или на морозе. Чтобы этого не допустить необходимо применять дополнительные устройства: схемы защиты от переразряда, индикаторы пониженного заряда и специальные зарядные устройства, ограничивающие заряд.

Если нет возможности заменить испорченный элемент, существуют способы его временно реанимировать. Однако все они не гарантируют 100%-ного положительного результата и используются в крайнем случае.

Способы восстановления аккумуляторов:

«Раскачка». Необходимо полностью зарядить устройство, затем с помощью максимальной нагрузки разрядить его до минимума. Повторить процедуру 3-4 раза.

С помощью холода. Можно попробовать оживить батарею после полного разряжения, поместив ее на полчаса в морозилку, предварительно упаковав в полиэтиленовый пакет. Затем сразу вставить в оборудование, подключить на минуту зарядное устройство и дождаться нагревания до комнатной температуры.

Удалить газ

Если вследствие образования газов, произошло вздутие корпуса, для их удаления осторожно вскрывают верхнюю часть блока. Колпачок прокалывают, батарею прижимают прессом, добиваясь выхода газов

Затем отверстие заклеивают эпоксидкой
С помощью специального прибора, например Turnigy Accucell по прилагаемой инструкции.

Производство литий ионных аккумуляторов на примере завода батарей

На российских промышленных заводах каждый день производят 3 миллиона этих устройств. Краткий процесс изготовления батарей состоит из четырех шагов:

1. Изготовление электродов.
2. Их соединение в батарею, комплектовка защитной пленкой.
3. Упаковка в наружную оболочку, пропитка электролитом.
4. Контроль качества, тестирование, заряд.

Устройство аккумулятора

Порядок изготовления:

Медная фольга выступает в роли анода, предварительно на нее наносится тонкий слой графита. Алюминиевая фольга с прослойкой лития служит в роли катода. Основные составляющие батарейки: корпус, в котором они размещаются, катод, анод, бумажный разделитель, помещенный между катодом и анодом, чтобы они не соприкасались. Катод – первое, что помещают в батарею, он состоит из диоксида марганца и графита. Рабочие загружают мешки этих материалов массой 1800 тонн на платформы.

• Гидравлический механизм вытряхивает из мешков все песчинки катода до последнего в емкости. Затем материал проходит через трубы и попадает в зону смешивания. Компьютерная программа управляет клапанами, чтобы засыпать нужное количество порошка будущего катода. Графит при перемешивании в аппарате создает много пыли, так как он весит легче воздуха. Образовавшаяся катодная смесь (графит диоксид марганца) идет по конвейеру в зону катодного пресса. Здесь формировочная машина вдавливает порошок в круглые, пустые паллеты.
• Корпусы из никелированной стали, сделанные на другом заводе, поступают с другой стороны. Они движутся в ряд по конвейерам, пока не встретятся с катодными паллетами. Механическое устройство заталкивает по три паллета в каждый корпус. После установки катодов эти трубочки попадают на магнитный конвейер и перемещаются на линию Д. Затем нужно бумажный цилиндр поместить внутрь катода, в противном случае при использовании готовой батарейки возникнет замыкание. Бумага будет разделять анод и катод. На дно батареи тоже стелется кусочек бумаги, визуально получается бумажный стакан. Бумага служит физическим барьером между положительно и отрицательно заряженными ионами, чтобы они не контактировали друг с другом при включении в какой-либо прибор.
• Перед заполнением анода предварительно в бумажный стакан нужно внести несколько капель гидроксида лития или калия. Он является электролитом, то есть проводит в аккумуляторе электричество. Подождать 15 минут, чтобы хорошенько вещество впиталось в бумагу. После заполнения анодом батарейки идут на изготовление токоснимателя. Токосниматель представляет собой гвоздь, приваренный к стальной шляпке батарейки. Когда батарея присоединяется к проводнику (устройство представляет собой «гвоздь»), литий ионный аккумулятор накапливает в аноде электроны и отправляет их через это же устройство обратно в положительную часть батарейки. Электроны, протекающие через ножку гвоздя, позволяют батарее бесперебойно работать.

Токосниматель находится на дне батарейки

• Латунная проволока с жестяным покрытием отправляется в осадочную машину. Лезвие, находящееся внутри нее, нарезает проволоку на кусочки по 3 см. Затем холодноосадочный автомат делает в конце каждого кусочка шляпку. Готовые гвозди высыпаются на другом конце трубы. А затем попадают на конвейер, он же сбрасывает их в роторный вибратор. Гвозди отправляются на конвейер по сборке токоснимателей. Здесь они двигаются в ряд, чтобы воссоединиться с головками. Автоматический сварщик приваривает головки гвоздей. И магнитный конвейер засасывает готовые детали. Отправляет их на линию сборки Д.
• Тестирование. Каждый аккумулятор проходит через роторный прибор, который проверяет напряжение и силу тока. Батарейки, которые не прошли проверку, сдуваются потоком воздуха. Механический распределитель помещается в коробку, идет дальше на выдержку. Им надо немного постоять, чтобы вещества осели. Точное время выдержки регламентируется заводом-изготовителем. Стальной пресс печатает шляпки для положительного конца батареи, которые затем приварят к батарейке. Шляпки делаются из магнитной стали весов 1800 тонн килограммов. Сталь попадает в пресс.
• Этикетка. Наклейки изолируют проводящую поверхность батарейки, чтобы никакое прикосновение не могло ее сократить.
• Заводская лаборатория проверяет аккумуляторы на протекание, ускоряя старение за счет печки в другой части завода. Все батареи проходят три вида условий контроля: высокая температура, влажность и проверка температурным циклом, при которой температура с высокой меняется на низкую до минус 29 градусов. Проверка выполняется ежедневно.

Материалы Li-ionаккумуляторов

В основе таких источников энергии – 2 электрода, подключенные к токосъемникам. Это анод из пористого углерода на медной фольге и катод из оксида лития на алюминиевой фольге. Между ними находится пористый сепаратор из полипропилена, содержащий в себе электролит. Все составляющие содержатся в герметичном корпусе.

В зависимости от состава используемого катода, Li-ionаккумуляторы подразделяются на группы:

1. Литий-марганцевые – с материалом катода LiMn2O4. Отличаются высокой мощностью, используются для автономного питания электроинструментов, медтехники, силовых агрегатов.
2. Литий-кобальтовые – с катодом из оксида LiCoO2. Имеют высокую энергоемкость, умеренную термическую стабильность и допустимые токи до 1С. Используются в цифровой технике.
3. Литий-железо-фосфатные – LiFePO4. Их преимущества – стабильная работа в широком диапазоне температур, максимально безопасная эксплуатация, токи разрядки до 25С и ресурс более 2000 циклов. Используются для автономного питания складской техники, электротранспорта, промышленного оборудования.
4. Литий-титанатные – Li4Ti5O12. Безопасны в эксплуатации, имеют ресурс более 3000 циклов, широкий температурный диапазон и допустимые токи разряда до 10С. Ставятся на электротранспорт, ИБП, уличные светильники.
5. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные – LiNixMnyCozO2. Обладают солидным циклическим ресурсом, высокой емкостью и мощностью. Часто ставятся на электротранспорт.
6. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные – LiNiCoAlO2. Их плюс – высокая емкость.

Еще один вид современных аккумуляторов на основе лития – литий-полимерные. Они востребованы при изготовлении радиотехники, детских игрушек, квадрокоптеров. Характерное отличие LiPoэлементов заключается в использовании в роли электролита полимерного материала.

Условия хранения

Правильные условия хранения аккумуляторной батареи также играют немалую роль в поддержании рабочего состояния устройства. Место, где АКБ проведет зиму, должно отвечать следующим требованиям:

Температурный режим. Оптимальные показатели от +10 до +15 градусов. Если столбик термометра опустится ниже, то батарея разрядится в несколько раз быстрее. Чрезмерное тепло способствует сульфатации пластин, что вызывает уменьшение емкости аккумулятора. Также в тепле устройство разряжается быстрее.
Невысокий уровень влажности. От сырости между клеммами образуются микромостики, что также приведет к быстрому разряду. При намокании аккумулятор может замкнуть, и он полностью выйдет из строя.
Хорошая вентиляция или регулярные проветривания послужат профилактикой многих проблем: появления плесени или грибка на поверхности коробки, заселения насекомых и т. д.
Темнота. На корпус аккумулятора не должны попадать прямые солнечные лучи. От этого пластиковый корпус быстрее стареет, начинает крошиться, становится хрупким и ломким

Любое неосторожное движение может привести к появлению трещины или скола на корпусе. В результате все устройство намного быстрее выходит из строя.
Горизонтальное положение

АКБ должна стоять строго горизонтально, ровно. Нельзя ее храниить в наклонном состоянии, вертикально или на боку. Это отрицательно сказывается на состоянии электролита и свинцовых пластин.
Вдали от источников тепла: обогревателей, радиаторов отопления и плит. Высокая температура стимулирует процесс сульфатации.
Регулярная проверка уровня заряда. Проверять, в каком состоянии батарея рекомендуется раз в 1-2 месяца. При необходимости устройство заряжают.

Итак, где же можно поставить аккумулятор? Сарай, погреб или подвал не подходят – там слишком влажно. В квартире – тепло. Оптимальным местом станет отапливаемый гараж, кладовка на лестничной площадке или тамбур, а также застекленный теплый балкон. Прежде, чем ставить аккумулятор в какое-либо место, нужно проверить, отвечает ли оно всем требованиям. Тогда батарея прослужит долго.

Правила эксплуатации литий-полимерных аккумуляторов

Li-Pol АКБ прослужит долго, если соблюдать ряд простых правил

Важно понимать, что несоблюдение рекомендаций может причинить непоправимый вред батарее

Защищайте литий-полимерный элемент питания от перегрева, переохлаждения, перепадов температур. При сильном нагреве батарея может воспламениться, при низких температурах замедляются химические реакции и АКБ перестает работать. Чтобы пользоваться телефоном зимой на улице, держите его во внутреннем кармане одежды. При совершении звонка он не успеет остыть даже в мороз.

Сохраняйте баланс энергии — поддерживайте заряд литий-полимерного аккумулятора в диапазоне 10-90%. Емкость АКБ при этом немного теряется (емкостью называют количество запасенной энергии), но зато вы получает выигрыш в виде максимально продленного срока службы батареи.

Новые модели планшетов и смартфонов оснащены контроллером, который помогает поддерживать баланс энергии в батарее. Он не допускает разрядку до нуля и прерывает зарядку до достижения 100%.

Раз в 3-6 месяцев полезно проводить калибровку – разрядите батарею до самоотключения устройства, а затем зарядите до 100%. В отличие от никелевых батарей, литий-полимерные не имеют эффекта памяти и не нуждаются в тренировке зарядом-разрядом.

В обычном режиме эксплуатации гаджета не допускайте его отключения – ставьте на подзарядку, увидев предупреждающий сигнал. Самоотключение в полностью разряженном состоянии сокращает емкость и работоспособность батареи.

Проводите подзарядку при каждом удобном случае, даже если АКБ заряжена до 60-70%. Но внимательно следите за уровнем заряда при коротких подпитках, он не должен дойти до 100%.

Идеальный диапазон заряда Li-Pol батареи составляет 30-80%. Если его постоянно поддерживать, аккумулятор будет максимально защищен от износа и прослужит предельно долго.

Не оставляйте заряженный АКБ включенным в розетку. Встроенный контроллер защищает батарею от перезарядки, но не спасает от перегрева – при контакте с током химические реакции в электролите продолжаются. Это оборачивается резким сокращением срока службы элемента питания и даже может привести к взрыву.

Если литий-полимерную батарею оставить включенной в розетку, даже исправный контроллер может не спасти от перезарядки. Аккумулятор нагревается, и вместе с ростом температуры повышается уровень заряда. Это сокращает рабочий ресурс батареи.

Используйте только оригинальное зарядное устройство, которое входит в комплект поставки гаджета. Такой блок питания откалиброван под особенности АКБ данной модели и обеспечивает оптимальный режим зарядки. Если «родное» ЗУ вышло из строя, его следует заменить зарядным устройством, сертифицированным производителем.

Перед длительным хранением гаджета зарядите батарею до 50-60%. Устройство следует отключить. При включении заряд окажется ниже – в неактивном состоянии Li-Pol аккумулятор продолжает работать и стареть.

Не заряжайте гаджет, если АКБ нагрелся при активной работе устройства. Контакт с током повысит температуру батареи, что легко может привести к взрыву или возгоранию.

Старайтесь снизить нагрузку на устройство, если эксплуатируете его во время зарядки. К примеру, можно отключить Bluetooth, GPS, соединение с интернетом, ограничить прием смс и звонков. В идеале на зарядку надо ставить выключенный гаджет.

АКБ следует беречь от механических повреждений, ударов, контактов с металлическими предметами.

Можно ли починить вздутую батарею

На эту тему в Интернете есть большое количество популярных статей и даже видео типа «Восстанавливаю вздувшиеся батареи простым способом». Далее следует описание или съемка процесса разборки АКБ, протыкание ее иголкой или шилом с целью «выпустить газы», чтобы затем вставить аккумулятор обратно в телефон.

К сожалению, незадачливые авторы подобных видео и публикаций не объясняют людям, почему аккумулятор вздулся, а смело приступают к весьма сомнительным действиям, которые могут быть небезопасными как для человека, так и для устройства, в которое помещается такая батарея.

Вздутие АКБ может произойти как вследствие нарушения химических процессов внутри нее по причине заводского брака, так и по вине владельца гаджета, если эксплуатация была неправильной.

Если, к примеру, дешевый аккумулятор вздулся по причине дефекта при его изготовлении, следует задуматься, проверенным был производитель, и в следующий раз лучше приобрести батарею по более высокой цене, но с гарантией качества.

Также батареи вздуваются при попадании влаги внутрь, что, чаще всего, происходит по неосторожности владельца телефона или планшета. Если при зарядке телефона использовать неподходящее устройство, АКБ рано или поздно вздуется по причине высокого уровня тока, из-за которого нарушается скорость химических процессов внутри нее

Если телефон рассчитан на ток в 1А, зарядку с подачей тока в 2А использовать уже нельзя. Как альтернативу можно взять устройство с меньшим, но никак не с большим показателем тока — в случае, если «родная» зарядка утеряна, либо вышла из строя.

Использование АКБ в жарких климатических условиях тоже может стать причиной ее вздутия. Нельзя оставлять полностью заряженный телефон на жаре, а если батарея по каким-либо причинам вздулась, ее следует не разбирать и протыкать, а утилизировать и заменить на новую.