Ещё в начале прошлого века, карманный источник электричества казался чем-то невозможным, но, технический прогресс всё изменил. Сегодня нельзя представить себе жизнь без «пальчиковых» батареек или АКБ в мобильном телефоне. На рынке представлено множество разных элементов питания, и у каждого типа есть свои сферы использования и задачи. Одним из лидеров в этом секторе, является аккумулятор литий-ионный.

История появления литий-ионных АКБ

Первые аккумуляторы Li-ion были созданы ещё в 1970-х годах. Это были революционные элементы, энергоёмкость которых была значительно выше, чем у других типов устройств. Первые образцы получили славу взрывоопасных устройств, так как при большом количестве циклов перезарядки, внутри АКБ происходили реакции с выделением газа и тепла.

Массовый выпуск литиевых устройств случился лишь в 1991 году. Основным производителем Li-ion АКБ стала компания Sony. На рынок вышли усовершенствованные аккумуляторы, в которых анод был заменён на графитовый стержень. Благодаря этому проблема «взрывов» была практически решена, а современные устройства также оснащают контроллером, который предотвращает перезаряд и минимизирует риск возгорания.

Что представляет собой Li-ion аккумулятор

Литиевые устройства – это один из самых популярных и современных типов АКБ. Эти источники питания устанавливают в разных гаджетах и особо ценят за высокую ёмкость и компактные размеры.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Li-ion батарея представляет собой многослойное устройство, и её работа основывается на взаимодействии и электрохимическом потенциале этих слоёв. Чистый литий – это метал с очень высокой химической активностью, который вступает в реакции даже с водой и воздухом.
Оксид лития, полная противоположность своего «чистого собрата» и является вполне стабильным. Принцип работы устройства, заключается в отдаче металлами своих электронов, которые в последствии станут положительными ионами (катионами).

Способность отдавать электроны значительно отличается у разных элементов, и именно литий является лидером в этом деле.

Во время заряда литий-ионных АКБ, электроны освобождаются и начинают движение в сторону катода (положительного заряда), а положительные ионы движутся к аноду. Во время использования заряженной батареи всё происходит в обратном направлении. Такое движение частиц и приводит к появлению электрического тока.

Литий-ионные аккумуляторы.

Устройство литий-ионного аккумулятора

АКБ такого типа устроены следующим образом:

  1. Катод или отрицательный электрод. Представляет собой фольгу из алюминия, которая покрыта слоем оксида лития.
  2. Анод или положительный электрод. Фольга из меди, покрытая слоем графита.
  3. Сепаратор. Пористый разделитель и электролит.
  4. Герметичный корпус. Это обязательное условие, так как разгерметизация батарейки может спровоцировать поломку, возгорание и даже взрыв.
  5. Плюсовой и минусовой токовыводы.

Также некоторые устройства могут быть оборудованы дополнительными регуляторами и предохранителями. Такие компоненты помогают увеличить сопротивление при нагреве, сбросить внутреннее давление или прервать контакт катода и плюсового токовывода в аварийных ситуациях.

Размеры литиевых аккумуляторов могут быть самыми разными, а вот по форме можно выделить два основных типа:

  • цилиндрические;
  • призматические.

В цилиндрических батарейках тонкие слои анода, катода и разделителя сворачивают. Призматические АКБ предполагают плотное прижатие слоёв друг к другу.

Литий-ионные батареи.

Плюсы и минусы литиевых АКБ

Популярность литиевых элементов питания говорит сама за себя – у таких устройств имеется немало достоинств:

  • отличная энергоёмкость;
  • «эффект памяти» сведён к минимуму;
  • длительный срок службы;
  • не требуют дополнительного обслуживания;
  • возможность работа при разных температурах;
  • саморазряд практически отсутствует;
  • компактные размеры и возможность придания любой формы АКБ.

Батареи на основе лития всё же не идеальны и у них есть ряд недостатков:

  • высокая цена, по сравнению с другими типами АКБ;
  • ограниченное количество циклов перезаряда;
  • всегда присутствует минимальный риск взрыва или возгорания;
  • механические повреждения опасны и могут привести к поломке батареи;
  • качественная работа возможна только при соблюдении правил зарядки и использования.

Несколько литий-ионных батарей.

Основные виды литий-ионных аккумуляторов

Существует несколько видов литиевых АКБ. Они отличаются по химическому составу, ёмкости и сферам применения.

Тип аккумулятора Особенности Сфера применения
Литий-кобальтовый Состоит из оксида кобальта и графита, имеет высокую удельную энергоёмкость, плохо переносит перепады температуры, нагрузка и срок службы ограничены Ноутбуки, смартфоны, цифровые камеры
Литий-марганцевый В качестве катода используется литий-марганцевый шпинель, хорошо переносят зарядку высоким током, безопаснее и долговечнее кобальтовых Устройства силовой электроники, медицинское оборудование, электрические инструменты
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный Благодаря сочетанию сразу нескольких элементов, батарея получила лучшие свойства каждого из них Системы безопасности, аварийное освещение, другие промышленные и частные сферы
Литий-железо-фосфатный Безопасный, термически стабильный, «неприхотлив» в использовании, ёмкость сравнительно небольшая Стационарные специализированные устройства
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный Имеют отличную энергоёмкость, долговечны, высокая стоимость Медицинское оборудование и промышленное использование
Литий-титановый Термическая устойчивость и безопасность на высоком уровне, низкая удельная энергоёмкость, длительный срок эксплуатации, дороговизна Уличное освещение, автомобильные агрегаты

Маркировка

Все основные параметры литиевых батарей можно найти на корпусе, нужно лишь знать, как расшифровать маркировку. Маркировка состоит из набора букв и цифр, и у каждого символа своё обозначение. Буквы дают информацию о составе и возможности перезарядки аккумулятора.

Первая бука «I» говорит о технологии Li-ion, а третья буква «R» сообщает о возможности перезарядки элемента питания. Вторая буква несёт самую важную информацию – наличие в составе разных металлов:

  • C – кобальт;
  • M – марганец;
  • N – никель и марганец;
  • R – железо и фосфат.

Цифры в маркировке говорят о габаритах аккумулятора:

  • первые две цифры – диаметр или ширина;
  • третья и четвёртая цифры – длина;
  • цифра «0» на конце сообщает о цилиндрической форме батареи.

Аккумуляторные батареи для телефонов.

Характеристика литий-ионных батарей

Основными характеристиками для любого элемента питания, являются:

  • напряжение;
  • ёмкость;
  • диапазон рабочих температур;
  • саморазряд;
  • срок эксплуатации.

Рабочее напряжение

Главный фактор, влияющий на диапазон рабочего напряжения – это материал, из которого сделаны электроды. В литиевых устройствах минимум этого показателя составляет 2,2-2,5 В, а максимум 4,25-4,35 В.

Ёмкость

Ёмкость элемента питания – это максимальное количество ионов металла, которые способны добраться до отрицательного и положительного электродов. В процессе эксплуатации, анод и катод постепенно теряют способность удерживать прежнее число ионов, и ёмкость батареи уменьшается.
Максимальная ёмкость Li-ion аккумулятора напрямую зависит от типоразмера и может составлять десятки или тысячи мАч. Самые популярные батареи типа 18650, могут иметь ёмкость 1000-3600 мАч, а АКБ 14500, имеющие габариты «пальчиковой» батарейки (АА) – 900 мАч.

Литий-ионные аккумуляторы.

Рабочая температура

Диапазон рабочих температур у литиевых батареек шире, чем у многих других типов устройств, и колеблется от -20°С до +50°С. Максимальную производительность АКБ способен выдавать лишь при комфортной температуре – около +20°С.

При температуре ниже +4°С энергоёмкость работающего АКБ начинает снижаться, а при отрицательных значениях может утратить до 50% и разряжаться прямо на глазах. Для хранения аккумуляторов лучше подойдёт температура – от 0 до +10°С.

Под саморазрядом имеется ввиду уменьшение ёмкости АКБ при бездействии (во время хранения). Для литиевых устройств, этот показатель составляет всего 6-10 % за год.
При условии полного разряда, максимальное количество циклов составляет 500-1000, но, если соблюдать все правила по зарядке и эксплуатации, можно продлить «жизнь» аккумулятора в несколько раз.

Сферы применения литий-ионных аккумуляторов

Аккумуляторы Li-ion очень популярны благодаря множеству достоинств и применяют в разных устройствах.

Как стартерные батареи

Автомобильные АКБ такого типа отлично справляются со своей задачей, а главный их плюс – это небольшой вес, так как в технология не предполагает использование решёток из свинца.

Самым ярким примером литиевых АКБ в автомобилях, является электрокар Tesla.

Основной недостаток таких устройств – это их стоимость, а также проблемы в работе при минусовой температуре. По этой причине литиевые АКБ не используются в странах с холодным климатом.

Как тяговое устройство

Li-ion технологию применяют для моторных лодок. Если в судне установлен двигатель небольшой мощности, то питания АКБ хватит на 5-6 часов работы. Устройства на основе лития также используют в погрузчиках и подъёмниках, для работы на складах.

Бытовая техника

Литий-ионные устройства являются самой популярной заменой обычных «пальчиковых» батареек, как щелочных, так и солевых. Для замены элементов питания на 1,5 В, используют один АКБ напряжением 3,6 В. Литиевые батареи незаменимы для мобильных телефонов, ноутбуков и другой мелкой бытовой техники.

Аккумуляторы используются в бытовой технике.

Как правильно эксплуатировать Li-ion аккумуляторы

Литиевые устройства обладают завидной ёмкостью и могут прослужить верой        и правдой не один год. Чтобы сохранить работоспособность батареи как можно дольше, необходимо придерживаться некоторых правил использования.

Безопасность

Любой элемент питания может быть потенциально опасен, особенно при неправильной эксплуатации. Первые образцы литиевых АКБ заслужили славу «взрывных» устройств. Основной причиной возгорания и взрывов, был перезаряд батареи. Новое поколение устройств чаще всего оснащено специальным контроллером, который решает эту проблему.
Большинство Li-ion АКБ также могут похвастаться наличием защитных слоёв, которые предотвращают внутреннее замыкание, а некоторые модели имеют аналогичную защиту от внешнего. В целом качественный современный аккумулятор такого типа, является безопасным устройством, а отдельные случаи возгорания – это чаще всего вина недобросовестных производителей, которые решили сэкономить.

Вы когда-нибудь меняли аккумулятор в телефоне?
ДаНет

Требования к режимам заряда/разряда

Самое важное правило в эксплуатации литиевого АКБ – не допускать глубокого разряда. Это плохо влияет на свойства батареи, а иногда может привести к полному выходу её из строя.

Чтобы сохранить работоспособность аккумулятора как можно дольше, нужно вовремя заряжать его и использовать ЗУ с правильным напряжением. Использование зарядки, напряжение которой выше на 3-4 % от требуемой, может стать причиной перегрева и быстрой потери ёмкости. Перезаряжать батарею тоже не стоит. Даже при наличии современных контроллеров чрезмерная зарядка вредна для АКБ.

Срок службы литий-ионных аккумуляторов

Срок «жизни» таких батарей зависит от числа циклов полного разряда и правильной эксплуатации, поэтому нельзя обозначить какое-то конкретное время. Считается, что при строгом следовании рекомендациям по использованию, Li-ion аккумулятор способен прослужить до 8-10 лет.

Примеры аккумуляторных батарей.

Хранение и утилизация АКБ Li-ion

Саморазряд батарей на основе лития совсем небольшой, по сравнению с другими типами устройств, а если обеспечить правильные условия для хранения, то можно свести его к минимуму.

Идеальные условия для хранения литиевых АКБ:

  • низкий уровень влажности;
  • отсутствие вибраций и другого механического воздействия;
  • максимальная отдалённость от источников тепла или открытого огня;
  • температура в помещении 5-25 °C;
  • заряд батареи выше 40%.

Даже с учётом всех правил, аккумулятор всё равно будет медленно терять часть ёмкости.

Температура хранения, °С При 40 % заряда, потеря % за 1 год При 100 % заряда, потеря % за 1 год
0 2 6
25 4 20
40 15 35
60 25 до 40 % за три месяца

Литий-ионные аккумуляторы нельзя просто выбросить в мусор. Правильная и сознательная утилизация таких батарей, предполагает сдачу их в специальные организации по переработке. Это важно, так как большую часть материалов от неисправных АКБ, используют для изготовления новых устройств.

Эффект памяти литиевых аккумуляторов

Эффект памяти – это потеря ёмкости АКБ из-за нарушения правил зарядки. Такая проблема характерна для устройств типа Ni-Cd и Ni-MH, а вот для Li-ion она практически отсутствует. Изначально считалось что у литиевых устройств совсем отсутствует данное свойство. Исследования 2013 года всё же доказали, что «эффект памяти» есть, но он совсем незначителен и практически не влияет на работу батареи.

Чем отличаются оригинальные АКБ от «подделок»

Благодаря популярности, ассортимент литиевых аккумуляторов очень широк. Часто батареи с одинаковой ёмкостью продают по разным ценам. Дешевизна отдельных АКБ обусловлена отсутствием в устройствах контроллеров перезаряда, но, это не значит, что все они являются некачественными опасными подделками. Подобные батареи могут быть выпущены специально для использования в устройствах, со встроенными контроллерами.

Как проверить работоспособность литиевого АКБ

Чтобы проверить состояние аккумулятора, понадобится специальный тестер и нагрузочный резистор. Перед проверкой батарею обязательно нужно зарядить до 100 %. Один конец заряженного АКБ подключают к тестеру, а второй к нагрузочному резистору.
Полученную информацию о ёмкости, напряжении и токе, необходимо сравнить с заявленными характеристиками батареи. Значительное отклонение от базовых показателей говорит о том, что срок службы АКБ подходит к концу.

Литий-ионные батареи.

Как восстановить литий-ионный аккумулятор

Работоспособность батареи можно восстановить, но, прослужит она после этого совсем недолго. Для процедуры используют зарядку, способную выдать напряжение 5-12 В и резистор 330-1 кОм. Минус соединяют с аккумулятором напрямую, а плюс с помощью резистора. После подключения на батарею подают питание и контролируют уровень напряжения в течение 10-20 минут.

На отметке 3,31 В, устройство сообщит о начале процесса зарядки АКБ.

Сперва напряжение увеличивают выше рекомендуемого, а после возвращают к нормальным показателям.

Это позволяет немного отсрочить «смерть» аккумулятора. Аккумуляторы с признаками вздутия или деформации восстановить не получиться и попытки их «реанимации» даже могут быть опасны. Такие устройства необходимо сразу же отправить на переработку.