Допустими температурни граници за зареждане и разреждане на литиево-йонни батерии

Функции за тестване

Тестовете за броя на циклите бяха проведени с разряден ток от 1C; за всяка батерия бяха извършени цикли на разреждане/зареждане до достигане на 80% от капацитета. Този брой беше избран въз основа на времето на теста и за възможно сравнение на резултатите по-късно. Броят на пълните еквивалентни цикли е до 7500 в някои тестове.
Бяха проведени тестове за живот при различни нива на зареждане и температури, измервания на напрежението бяха правени на всеки 40-50 дни, за да се наблюдава разреждането, продължителността на теста беше 400-500 дни.

Основната трудност при експериментите е несъответствието между декларирания капацитет и реалния. Всички батерии са с капацитет по-висок от декларирания, от 0,1% до 5%, което допринася допълнителен елементнепредсказуемост.

Най-често се използват батерии NCA и NMC, но са тествани и литиево-кобалтови и литиево-фосфатни батерии.

Няколко термина:
DoD - Depth of Discharge - дълбочина на разреждане.
SoC - State of Charge - ниво на зареждане.

Използване на батерии

Броят на циклите

На този моментима теория, според която зависимостта на броя цикли, които батерията може да издържи от степента на разреждане на батерията в един цикъл, има следната форма (синьото показва цикли на разреждане, черното показва еквивалентни пълни цикли):

Тази крива се нарича крива на Wöhler. Основната идея идва от механиката за зависимостта на броя на разтяганията на пружината от степента на разтягане. Първоначалната стойност от 3000 цикъла при 100% разреждане на батерията е среднопретеглена стойност при 0,1C разреждане. Някои батерии показват по-добри резултати, други по-лоши. При ток 1C броят на пълните цикли при 100% разряд пада от 3000 на 1000-1500 в зависимост от производителя.

Като цяло тази връзка, представена на графиките, беше потвърдена от резултатите от експериментите, т.к Препоръчително е да зареждате батерията, когато е възможно.

Изчисляване на суперпозиция на цикли

При използване на батерии е възможно да работите с два цикъла едновременно (например регенеративно спиране в автомобил):


Това води до следния комбиниран цикъл:


Възниква въпросът как това се отразява на работата на батерията, значително ли намалява живота на батерията?

Според резултатите от експериментите, комбинираният цикъл показва резултати, подобни на добавянето на пълни еквивалентни цикъла на два независими цикъла. Тези. Относителният капацитет на батерията в комбинирания цикъл пада според сумата на разрядите в малкия и големия цикъл (линеаризираната графика е представена по-долу).


Ефектът от големите цикли на разреждане е по-значим, което означава, че е по-добре батерията да се зарежда при всяка възможност.

Ефект на паметта

Ефект на литиева памет йонни батериине е отбелязано според експерименталните резултати. При различни режими общият му капацитет все още не се променя впоследствие. В същото време има редица произведения, които потвърждават присъствието този ефектв литиево-фосфатни и литиево-титаниеви батерии.

Съхранение на батерията

Температури на съхранение

Тук не бяха направени необичайни открития. Температури 20-25°C са оптимални (в нормален живот) за съхранение на батерията, ако не се използва. Когато батерията се съхранява при температура от 50°C, разграждането на капацитета става почти 6 пъти по-бързо.
Естествено по-ниските температури са по-добри за съхранение, но в ежедневието това означава специално охлаждане. Тъй като температурата на въздуха в апартамента обикновено е 20-25 ° C, съхранението най-вероятно ще бъде при тази температура.

Ниво на зареждане

Както показват тестовете, колкото по-нисък е зарядът, толкова по-бавно е саморазреждането на батерията. Капацитетът на батерията беше измерен, какъв би бил при него по-нататъшна употребаслед дългосрочно съхранение. Най-добри резултати са показани от батерии, които са били съхранявани със зареждане, близко до нула.
В общи линии добри резултатипоказа батерии, които са били съхранявани с не повече от 60% ниво на заряд в началото на съхранението. Числата се различават от тези по-долу за 100% зареждане най-лошата страна(т.е. батерията ще стане неизползваема по-рано от посоченото на фигурата):

Фигура е взета от статия 5 практически съвети за използване на литиево-йонни батерии
В същото време цифрите за малко зареждане са по-оптимистични (94% след една година при 40°C за съхранение при 40% SOC).
Тъй като 10% зареждане е непрактично, тъй като времето за работа на това ниво е много кратко, Оптимално е батериите да се съхраняват при SOC 60%, което ще ви позволи да го използвате по всяко време и няма да повлияе критично на експлоатационния му живот.

Основни проблеми на експерименталните резултати

Никой не е провеждал тестове, които да се считат за 100% надеждни. Извадката, като правило, не надвишава няколко хиляди батерии от милиони произведени. Повечето изследователи не са в състояние да предоставят надеждни сравнителни анализи поради недостатъчно вземане на проби. Освен това резултатите от тези експерименти често са поверителна информация. Така че тези препоръки не се отнасят непременно за вашата батерия, но могат да се считат за оптимални.

Резултати от експериментите

Оптимална честота на зареждане - при всяка възможност.
Оптималните условия за съхранение са 20-25°C с 60% заряд на батерията.

Източници

1. Курс „Системи за съхранение на батерии“, RWTH Аахен, проф. д-р rer. нац. Дирк Уве Зауер

Работа, зареждане, предимства и недостатъци на литиевите батерии

Много хора днес използват електронни устройства в ежедневието си. Мобилни телефони, таблети, лаптопи... Всеки знае какво е това. Но малцина знаят, че ключовият елемент на тези устройства е литиева батерия. Почти всяко мобилно устройство е оборудвано с този тип батерия. Днес ще говорим за литиеви батерии. Тези батерии и технологията на тяхното производство непрекъснато се развиват. Значителна актуализациятехнология се случва веднъж на 1-2 години. Ще обмислим общ принципработата на литиеви батерии, а на разновидностите ще бъдат посветени отделни материали. По-долу ще обсъдим историята, работата, съхранението, предимствата и недостатъците на литиевите батерии.

Изследванията в тази насока са проведени в началото на 20 век. „Първите лястовици“ в семейството на литиевите батерии се появяват в началото на седемдесетте години на миналия век. Анодът на тези батерии е направен от литий. Те бързо станаха търсени поради високата си специфична енергия. Благодарение на наличието на литий, много активен редуциращ агент, разработчиците успяха значително да увеличат номиналното напрежение и специфичната енергия на елемента. Разработването, последващото тестване и фината настройка на технологията отне около две десетилетия.

През това време бяха решени главно проблемите с безопасността на използването на литиеви батерии, избора на материали и т.н. Вторичните литиеви клетки с апротонни електролити и разновидността с твърд катод са сходни по електрохимичните процеси, протичащи в тях. По-специално, анодно разтваряне на литий се получава при отрицателния електрод. Литият се въвежда в кристалната решетка на положителния електрод. Когато клетката на батерията е заредена, процесите върху електродите протичат в обратна посока.

Материалите за положителния електрод бяха разработени доста бързо. Основното изискване към тях беше да протичат обратими процеси.

Говорим за анодна екстракция и катодно въвеждане. Тези процеси се наричат ​​още анодна деинтеркалация и катодна интеркалация. Изследователите са тествали различни материали като катод.

Изискването беше да няма промени по време на колоездене. По-специално бяха проучени следните материали:

• TiS2 (титанов дисулфид);
• Nb(Se)n (ниобиев селенид);
• ванадиеви сулфиди и диселениди;
• медни и железни сулфиди.

Всички изброени материали имат слоеста структура. Проведени са изследвания и с материали с по-сложен състав. За тази цел са използвани добавки от определени метали в малки количества. Това бяха елементи с катиони с по-голям радиус от Li.

Високи специфични катодни характеристики бяха получени с помощта на метални оксиди. Бяха тествани различни оксиди за обратимо действие, което зависи от степента на изкривяване на кристалната решетка на оксидния материал, когато там се въвеждат литиеви катиони. Електронната проводимост на катода също беше взета под внимание. Целта беше да се гарантира, че обемът на катода се променя с не повече от 20 процента.Според изследванията най-добри резултати показват оксидите на ванадий и молибден.

Анодът беше основната трудност при създаването на литиеви батерии. По-точно по време на процеса на зареждане, когато се получава катодно отлагане на Li. Това създава повърхност с много висока активност. Литият се отлага върху повърхността на катода под формата на дендрити и в резултат на това се образува пасивен филм.

Оказва се, че този филм обгръща литиевите частици и предотвратява контакта им с основата. Този процес се нарича капсулиране и води до факта, че след като батерията се зареди, определена част от лития се изключва от електрохимичните процеси.

В резултат на това, след определен брой цикли, електродите се износиха и температурната стабилност на процесите в литиевата батерия беше нарушена.

В някакъв момент елементът се нагрява до точката на топене на Li и реакцията навлиза в неконтролирана фаза. И така, в началото на 90-те години много литиеви батерии бяха върнати в предприятията на компаниите, участващи в тяхното производство. Това бяха едни от първите батерии, използвани в мобилни телефони. В момента на разговор (токът достига максимална стойност) по телефона, от тези батерии изригнаха пламъци. Има много случаи, когато лицето на потребителя е изгорено. Образуването на дендрити по време на отлагане на литий, в допълнение към риска от пожар и експлозия, може да доведе до късо съединение.

Ето защо изследователите са отделили много време и усилия за разработване на метод за обработка на катодна повърхност. Разработени са методи за въвеждане на добавки в електролита, които предотвратяват образуването на дендрити. Учените са постигнали напредък в тази посока, но проблемът все още не е напълно решен. Те се опитаха да решат тези проблеми с помощта на метален литий, използвайки друг метод.

Така отрицателният електрод започна да се прави от литиеви сплави, а не от чист Li. Най-успешна беше сплавта от литий и алуминий. Когато настъпи процесът на разреждане, литият се гравира от електрода от такава сплав и обратно по време на зареждането. Тоест по време на цикъла заряд-разряд концентрацията на Li в сплавта се променя. Разбира се, имаше известна загуба на литиева активност в сплавта в сравнение с металния Li.

Потенциалът на електрода от сплав намалява с около 0,2─0,4 волта. Работното напрежение на литиевата батерия е намаляло и в същото време е намаляло взаимодействието между електролита и сплавта. Това се превърна в положителен фактор, тъй като саморазреждането намаля. Но сплавта от литий и алуминий не се използва широко. Проблемът тук беше, че специфичният обем на тази сплав се промени значително по време на колоездене. Когато настъпи дълбок разряд, електродът стана крехък и се разпадна. Поради намаляване на специфичните характеристики на сплавта, изследванията в тази насока бяха прекратени. Изследвани са и други сплави.

Изследванията показват, че литиевата сплав с тежки метали е най-добрият избор. Пример е сплавта на Ууд. Те се представиха добре по отношение на поддържането на специфичен обем, но специфичните характеристики бяха недостатъчни за използване в литиеви батерии.

В резултат на това, тъй като литиевият метал е нестабилен, изследванията започнаха да вървят в различна посока. Беше решено да се изключи чистият литий от компонентите на батерията и да се използват неговите йони. Така се появиха литиево-йонните (Li-Ion) батерии.

Енергийната плътност на литиево-йонните батерии е по-малка от тази на литиевите батерии. Но тяхната безопасност и лекота на използване са много по-високи. Можете да прочетете повече за него на посочения линк.

Експлоатация и експлоатационен живот

Експлоатация

Правилата за работа ще бъдат обсъдени на примера на обикновени литиеви батерии, които се използват в мобилни устройства(телефони, таблети, лаптопи). В повечето случаи такива батерии са защитени от „глупак“ от вградения контролер. Но за потребителя е полезно да знае основни неща за дизайна, параметрите и работата на литиевите батерии.

Първо, не забравяйте, че литиевата батерия трябва да има напрежение от 2,7 до 4,2 волта. Долната стойност тук показва минималното ниво на зареждане, горната показва максималното. При съвременните Li батерии електродите са от графит и при тях долната граница на напрежението е 3 волта (2,7 е стойността за коксовите електроди). Електрическа енергия, който батерията отделя при падане на напрежението от горната граница до долната граница, се нарича нейният капацитет.

За да удължат живота на литиевите батерии, производителите леко стесняват обхвата на напрежението. Често това е 3,3─4,1 волта. Както показва практиката, максимален срокЖивотът на литиевата батерия се постига при ниво на зареждане от 45 процента. Ако батерията е прекомерно заредена или разредена, нейният експлоатационен живот ще се съкрати. Обикновено се препоръчва да зареждате литиева батерия с 15-20% заряд. И трябва да спрете зареждането веднага след достигане на 100% капацитет.

Но, както вече споменахме, контролерът предпазва батерията от презареждане и дълбоко разреждане. Тази контролна платка с микросхема се намира на почти всички литиеви батерии. В различни потребителска електроника(таблет, смартфон, лаптоп) работата на интегрирания в батерията контролер се допълва и от микросхема, която е запоена на платката на самото устройство.

Всичко на всичко, правилна работалитиевите батерии се предоставят от техния контролер. От потребителя основно се изисква да не се включва в този процес и да не се занимава с любителски дейности.

Живот

Срокът на експлоатация на литиевите батерии е около 500 цикъла на зареждане и разреждане. Тази стойност е вярна за повечето съвременни литиево-йонни и литиево-полимерни батерии. Срокът на експлоатация може да варира с времето. Зависи от интензивността на използване на мобилното устройство. При постоянна употреба и натоварване с ресурсоемки приложения (видео, игри), батерията може да изчерпи своя лимит в рамките на една година. Но средно експлоатационният живот на литиевите батерии е 3-4 години.

Процес на зареждане

Заслужава да се отбележи веднага, че за нормална работа на батерията трябва да използвате стандартното зарядно устройство, което се доставя с притурката. В повечето случаи това е източник на постоянен ток от 5 волта. Стандартните зарядни устройства за телефон или таблет обикновено доставят ток от около 0,5─1 * C (C е номиналният капацитет на батерията).
Стандартният режим на зареждане на литиева батерия е следният. Този режим се използва в контролери Sony и осигурява максимално зареждане. Фигурата по-долу показва този процес графично.

Процесът се състои от три етапа:

• Продължителността на първия етап е около час. В този случай токът на зареждане се поддържа на постоянно ниво, докато напрежението на батерията достигне 4,2 волта. В крайна сметка степента на заряд е 70%;
• вторият етап също отнема около час. По това време контролерът поддържа постоянно напрежение от 4,2 волта и токът на зареждане намалява. Когато токът падне до приблизително 0,2*C, започва последният етап. В крайна сметка степента на заряд е 90%;
• в третия етап токът намалява непрекъснато при напрежение 4,2 волта. По принцип този етап повтаря втория етап, но има строго времево ограничение от 1 час. След това контролерът изключва батерията от зарядното устройство. В крайна сметка състоянието на заряд е 100%.

Контролерите, които са в състояние да осигурят такава сцена, са доста скъпи. Това се отразява в цената на батерията. За да намалят разходите, много производители инсталират контролери с опростена система за зареждане в батериите. Често това е само първият етап. Зареждането се прекъсва, когато напрежението достигне 4,2 волта. Но в този случай литиевата батерия е заредена само до 70% от капацитета си. Ако зареждането на литиевата батерия на вашето устройство отнема 3 часа или по-малко, то най-вероятно има опростен контролер.

Има редица други точки, които си струва да се отбележат. Правете го периодично (веднъж на 2-3 месеца). пълно разрежданеБатерия (за да се изключи телефона). След това се зарежда напълно до 100%. След това извадете батерията за 1-2 минути, поставете и включете телефона. Нивото на зареждане ще бъде под 100%. Заредете напълно и направете това няколко пъти, докато се покаже пълен заряд, когато поставите батерията.

Запомнете това през конектора лаптоп usb, десктоп, адаптер от запалката в колата, зареждането е много по-бавно от стандартно зарядно. Това се дължи на ограничението USB интерфейспри ток 500 mA.

Също така не забравяйте, че в студено и ниско атмосферно наляганеЛитиевите батерии губят част от капацитета си. При минусови температури този тип батерия става неработеща.

Литиевата батерия е безопасно и енергоемко устройство. Основното му предимство е, че работи без зареждане за дълго време. Може да функционира под въздействието дори на най ниски температури. Поради способността си да съхранява енергия, литиевата батерия превъзхожда другите видове. Ето защо производството им се увеличава всяка година. Те могат да бъдат с две форми: цилиндрични и призматични.

Приложение

Те се използват широко в компютърна технология, мобилни телефони и друга техника. Зарядните устройства за литиеви батерии имат работно напрежение от 4 V. Най-важното предимство е работата в широк температурен диапазон, който варира от -20 °C до +60 °C. Днес има батерии, които могат да работят при температури под -30 °C. Всяка година разработчиците се опитват да увеличат както положителните, така и отрицателните температурни диапазони.

Първоначално литиевата батерия губи около 5% от капацитета си и тази цифра се увеличава всеки месец. Този показател е по-добър от този на другите представители на батерията. В зависимост от напрежението на зареждане те могат да издържат от 500 до 1000 цикъла.

Видове литиеви батерии

Има видове литиеви батерии, които се намират в различни областибитова и индустриална икономика:

• литиево-йонни - за основно или резервно захранване, транспорт, електроинструменти;
• никел-сол - автомобилен и железопътен транспорт;
• никел-кадмий - корабостроене и самолетостроене;
• желязо-никел - захранване;
• никел-водород - пространство;
• никел-цинк - камери;
• сребро-цинк - военна индустрия и др.

Основните видове са литиево-йонни батерии. Използват се в областта на електрозахранването, производството на електроинструменти, телефони и др. Батериите могат да работят при температури от -20 ºС до +40 ºС, но се правят разработки за увеличаване на тези диапазони.

При напрежение от само 4 V се генерира достатъчно количество специфична топлина.

Те са разделени на различни подвидове, които се различават по състава на катода. Той се модифицира чрез замяна на графит или добавяне на специални вещества към него.

Литиеви батерии: устройство

По правило такива устройства се произвеждат в призматична форма, но има и модели в цилиндрично тяло. Интериорсе състои от електроди или сепаратори. Тялото е изработено от стомана или алуминий. Контактите се извеждат към капака на батерията и трябва да бъдат изолирани. Призматичните батерии съдържат определен брой пластини. Нареждат се един върху друг. За да осигури допълнителна безопасност, литиевата батерия има специално устройство. Намира се вътре и служи за контрол на работния процес.

В случай на опасни ситуации устройството изключва батерията. Освен това оборудването е снабдено с външна защита. Корпусът е напълно уплътнен, така че няма изтичане на електролит, както и не попада вода вътре. Електрическият заряд се появява поради литиеви йони, които взаимодействат с кристалната решетка на други елементи.

Винтоверт с литиева батерия

Може да побере три вида батерии, които се различават по своя катоден състав:

• кобалт-литий;
• литиев ферофосфат;
• литий манган.

Отвертка с литиева батерия се различава от другите с ниското ниво на саморазреждане. Друг важно предимство- не изисква поддръжка. Ако литиева батерия се повреди, можете да я изхвърлите, тъй като не вреди на хората или околната среда. Единственият минус е ниското зареждане на литиевите батерии, както и високите изисквания за безопасност. Трудно се зарежда при минусови температури.

Основни характеристики

Работата на винтоверта, състоянието на неговата мощност и времето на възможна работа зависят от техническите характеристики. Други технически индикатори включват:

• напрежението на една батерия в устройството може да варира от 3 до 5 V;
• индикаторът за максимална енергийна интензивност достига 400 Wh/l;
• загуба на собствен заряд с 5%, а във времето с 20%;
• сложен режим на зареждане;
• Батерията се зарежда напълно за 2 часа;
• съпротивление от 5 до 15 mOhm/Ah;
• брой цикли - 1000 пъти;
• експлоатационен живот - от 3 до 5 години;
• използване различни видоветок при определен капацитет на батерията, например капацитет 65 ºС - използван D.C..

производство

Повечето производители се стремят да направят електроинструментите по-модерни и съвместими с модерните технологии.

За да направите това, е необходимо да осигурите добри батерии в дизайна. Най-популярните производствени компании са:

1. Фирма Бош. литий акумулаторна батерияпроизведени по нова ECP технология. Тя е тази, която контролира разреждането на устройството. Още един от нея полезно свойствоима защита срещу прегряване. При висока мощност специално устройство понижава температурата. Дизайнът на батерията има отвори, които служат за вентилация и охлаждат батерията. Друга технология е Charge, благодарение на която зареждането става много по-бързо. Освен това Bosh произвежда батерии за различни електрически инструменти. Много потребители напускат добра обратна връзказа тази компания.
2. Фирма Макита. Той произвежда свои собствени микросхеми, които контролират всички работни параметри и процеси в батерията, например температура, съдържание на заряд. Благодарение на това можете да изберете режим на зареждане и време за зареждане. Такива микросхеми увеличават експлоатационния живот. Батериите са произведени с доста мощен корпус, така че не са подложени на механично натоварване.
3. Фирма Hitachi. Благодарение на най-новите технологии, теглото и общите размери на батерията са намалени. Ето защо електрическите инструменти стават леки и мобилни.

Характеристики на работа

Когато използвате батерия, трябва да спазвате следните правила:

1. Няма нужда да използвате литиева батерия за отделни незащитени елементи и да купувате евтини китайски части. Такова устройство няма да бъде безопасно, тъй като няма да има система, която да предпазва от късо съединение и повишени температури. Тоест, ако батерията прегрее значително, тя може да избухне и експлоатационният й живот ще бъде много по-кратък.
2. Не нагрявайте батерията. Тъй като температурата вътре в устройството се повишава, налягането се увеличава. Тези действия ще доведат до експлозия. Поради това не е необходимо да отваряте горния капак на батерията и да я поставяте на места, изложени на слънчева светлина. Такива действия ще съкратят експлоатационния живот.
3. Не поставяйте допълнителни източници на електричество близо до контактите в горната част на капака, тъй като може да възникне късо съединение. Вградените системи за защита не винаги ще помогнат по този въпрос.
4. Батерията трябва да се зарежда в съответствие с всички правила. При зареждане трябва да използвате такива, които разпределят тока равномерно.
5. Процедурата за зареждане на батерията се извършва при положителна температура.
6. Ако има нужда да свържете няколко литиеви батерии, тогава трябва да използвате модели от един и същ производител и подобни по технически характеристики.
7. Пазя литиеви батериитрябва да бъде на сухо място, което не е изложено на слънчеви лъчис температура над 5 ºС. Когато оборудването е изложено на високи температури, зарядът ще намалее. Преди съхранение в зимен периодгодина батерията е заредена до 50% от капацитета си. Трябва да се внимава батерията да не е напълно разредена. Ако това се случи, заредете го незабавно. Ако има механични повреди по тялото, както и следи от ръжда, устройството не може да се използва.
8. Ако по време на работа батерията претърпи значително прегряване или дим, трябва незабавно да спрете да я използвате. След това преместете повреденото устройство на безопасно място. Ако дадено вещество се отдели от тялото, трябва да се предотврати контактът му с кожата или други органи.
9. Не изхвърляйте и не изгаряйте литиевите батерии. Изхвърлянето им става, когато механични повредикорпус, експлозии или проникване на вода или пара.

За пожара

Ако възникне пожар в литиева батерия, той не може да бъде потушен с вода и пожарогасител - въглеродният диоксид и водата могат да реагират с литий. За да го гасите, трябва да използвате пясък, сол, а също и с плътна кърпа.

Процес на зареждане

Литиева батерия, зарядното устройство от което е свързано към постоянен ток, се зарежда при напрежение от 5 V и повече.

Има недостатък - не са устойчиви на презареждане. Повишаването на температурата вътре в корпуса води до повреда.

Инструкциите за експлоатация показват специално ниво. Когато се достигне, трябва да се зареди. Ако увеличите напрежението на зареждане, свойствата на литиевата батерия значително ще намалеят.

Както беше посочено по-рано, животът на батерията е 3 години. За да поддържате този период, трябва да спазвате условията за работа, зареждане и съхранение. Освен това те трябва да са постоянно функциониращи и да не се съхраняват.

Надценка

Дизайнът на батерията включва система за презареждане, така че не е нужно да изключвате зарядното устройство и да не се страхувате, че съставът вътре ще заври, както се случва с автомобилните батерии.

Ако оборудването ще се съхранява повече от един месец, то трябва да бъде напълно разредено. Това значително ще удължи експлоатационния живот.

Цена

Цената на литиево-йонна батерия зависи от капацитета и техническите характеристики.

Средно варира от 100 до 500 рубли. Въпреки тази цена много потребители напускат положителни отзиви. Между положителни страниИмат широк диапазон от работни температури, висока мощност и възможност за работа над 1000 цикъла (около 3 години интензивна употреба). Устройствата се използват широко в различни области, така че всеки може да оцени предимствата им.

И така, разбрахме какво представляват литиевите батерии.

Когато говорят за литиеви батерии или акумулатори, най-често дори не осъзнават, че през последните няколко години са се появили почти дузина от тях, всяка от които е литиева с различни добавки на други химически елементи, като в крайна сметка се различават значително един от друг.

Нека да разгледаме техните видове и да започнем с класиката:

Литиево-йонните батерии са класически акумулаторни батерии, при които литиевите йони се движат от отрицателния електрод към положителния електрод по време на разреждане и обратно при зареждане. Литиево-йонните батерии се използват широко в потребителската електроника. Те са един от най-популярните видове акумулаторни батерии за преносима електроника, с една от най-добрите енергийни плътности, без ефект на паметта и бавна загуба на заряд, когато не се използват (нисък саморазряд).

Тази серия обхваща цилиндрични и призматични размери на батерии. Литиево-йонната батерия има най-високата плътност на мощността от всички стари батерии. Много лекото тегло и дългият жизнен цикъл го правят идеален продукт за много решения.

Литиевият титанат (литиев титанат) е относително нов класлитиево-йонни батерии - (повече подробности). Характеризира се с много дълъг жизнен цикъл, измерван в хиляди цикли. Литиевият оловен титанат също е много безопасен и сравним в това отношение с железния фосфат. Енергийната плътност е по-ниска от другите литиево-йонни източници на енергия и номиналното му напрежение е 2,4 V.

Тази технология е много различна бързо зареждане, ниско вътрешно съпротивление, много висок жизнен цикъл и отлична издръжливост (също и безопасност). LTO е намерил своето приложение главно в електрически превозни средства и ръчен часовник. IN напоследъкзапочва да намира приложение в мобилните медицински устройства поради високата си сигурност. Една от характеристиките на технологията е, че използва нанокристали върху анода вместо въглерод, което осигурява много по-ефективна повърхност. За съжаление, тази батерия има по-ниско напрежение от другите видове литиеви батерии.

Особености:

• Специфична енергия: около 30-110Wh/kg
• Енергийна плътност: 177 W * h/l
• Специфична мощност: 3 000-5 100 W/kg
• Ефективност на разреждане: приблизително 85%; ефективност на зареждане повече от 95%
• Енергийна цена: 0,5 W/долар
• Срок на годност: >10 години
• Саморазреждане: 2-5%/месец
• Издръжливост: 6000 цикъла до 90% капацитет
• Номинално напрежение: 1,9 до 2,4 V
• Температура: -40 до +55°C
• Метод на зареждане: Използва стабилен постоянен ток, след това постоянно напрежение, докато достигне прага.

Химична формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2< >Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2(E=2,1 V)

Литиевият полимер има по-висока енергийна плътност по отношение на теглото от литиево-йонните батерии. В много тънки клетки (до 5 mm) литиевият полимер осигурява висока обемна енергийна плътност. Отлична стабилност при пренапрежение и високи температури.

Тази серия батерии може да се произвежда в диапазон от 30 до 23000 mAh, призматичен и цилиндричен тип корпус. Литиево-полимерните батерии предлагат редица предимства: по-голяма енергийна плътност по обем, гъвкавост в размерите на клетките и по-голяма граница на безопасност, с отлична стабилност на напрежението дори при високи температури. Основни приложения: преносими плейъри, Bluetooth, безжични устройства, PDA и цифрови фотоапарати, електрически велосипеди, GPS навигатори, лаптопи, електронни книги.

Особености:

• Номинално напрежение: 3.7V
• Зарядно напрежение: 4,2±0,05 V
• Заряден ток, скорост: 0.2-10C
• Ограничение на напрежението на разреждане: 2,5 V
• Скорост на разреждане: до 50C
• Издръжливост на цикъл: 400 цикъла

Литиев железен фосфат има добри характеристикисигурност, дългосроченобслужване (до 2000 цикъла) и ниски производствени разходи. LiFePO4 батериите са много подходящи за високи токове на разреждане, като военно оборудване, електрически инструменти, електрически велосипеди, мобилни компютри, UPS и системи за слънчева енергия.

Като нов аноден материал за литиево-йонни батерии, lifepo4 беше въведен за първи път през 1997 г. и непрекъснато се подобрява до днес. Той привлече вниманието на експертите благодарение на своя надеждна сигурност, издръжливост, ниско въздействие върху околната среда по време на изхвърляне и удобни характеристики на зареждане и разреждане. Много експерти твърдят, че батериите lifepo4 са съвременните най-добрият вариантЗа автономно захранванеелектроника.

Литиев серен диоксид (Li и SO2 батерия) - тези батерии имат висока енергийна плътност и добра устойчивост на разряд с висока мощност. Такива елементи се използват главно във военната наука, метеорологията и космонавтиката.

Литиево-серно-диоксидните батерии с литиево-метален анод (най-лекият от всички метали) и течен катод, съдържащ порест въглероден токоприемник, пълен със серен диоксид (SO2), произвеждат напрежение от 2,9 V и са с цилиндрична форма.

Особености:

• Високо работно напрежение, стабилен през по-голямата част от изхвърлянето
• Изключително нисък саморазряд
• Изпълнение в екстремни условия
• Широк температурен диапазон на работа (-55°C до +65°C)

Литиево-манганов диоксид (Li-MnO2 батерия) - тези батерии имат лек литиев метален анод и твърд катод от манганов диоксид, потопен в некорозивен, нетоксичен органичен електролит. Този тип батерия е в съответствие с RoHS на ЕС и се характеризира с голям капацитет, висок капацитет на разреждане и дълъг експлоатационен живот.

Li-MnO2 се използва широко в резервни захранвания, аварийни маяци, пожарни аларми, електронни системиконтрол на достъпа, цифрови фотоапарати, медицинско оборудване.

Особености:

• Висока енергийна плътност
• Много стабилно разрядно напрежение
• Повече от 10 години срок на годност
• Работна температура: -40 до +60°С

Литиево-тионилхлоридните (литиево-SOCl2) батерии имат лек литиево-метален анод и течен катод, съдържащ порест въглероден токоприемник, пълен с тионилхлорид (SOCl2). Батерията Li-SOCL2 е идеална за автомобилни устройства, медицинско оборудване и военни и космически устройства. Имат най-широк работен температурен диапазон от -60 до + 150°C.

Особености:

• Висока енергийна плътност
• Дълъг срок на годност
• Широк температурен диапазон
• Добро уплътнение
• Стабилно разрядно напрежение

Li-FeS2 батерии

Li-FeS2 батерии и батерии означават литиево-железен дисулфид. Информация за тях ще бъде добавена по-късно.

Ключов елементМобилността на електронните устройства е акумулаторна батерия (AB). Нарастващите изисквания за осигуряване на тяхната най-дълга автономност стимулират постоянните изследвания в тази област и водят до появата на нови технологични решения.

Появи се алтернатива на широко използваните никел-кадмиеви (Ni-Cd) и никел-металхидридни (Ni-MH) батерии - първо литиеви батерии, а след това по-модерни литиево-йонни (Li-ion) батерии.

История на появата

Първите такива батерии се появиха през 70-те години. последния век. Те веднага спечелиха популярност поради по-усъвършенстваните си характеристики. Анодът на клетките е направен от метален литий, чиито свойства позволяват да се увеличи специфичната енергия. Така се раждат литиевите батерии.

Новите батерии имаха значителен недостатък - повишен риск от експлозия и пожар. Причината беше в образуването на литиев филм върху повърхността на електродите, което доведе до нарушаване на температурната стабилност. В момента на максимално натоварване батерията може да експлодира.

Подобренията в технологията доведоха до изоставянето на чистия литий в компонентите на батерията в полза на използването на неговите положително заредени йони. Литиево-йонната батерия се оказа добро решение.

Този тип йонни батерии се характеризират с по-висока безопасност, която се получава поради леко намаляване на енергийната плътност, но постоянният технологичен прогрес направи възможно намаляването на загубата в този показател до минимум.

устройство

Въвеждане на литиево-йонни батерии в производството потребителска електроникаполучи пробив след разработването на батерия с катод от въглероден материал (графит) и анод от кобалтов оксид.

По време на процеса на разреждане на батерията литиевите йони се отстраняват от катодния материал и се включват в кобалтовия оксид на противоположния електрод; при зареждане процесът протича в обратна посока. По този начин електрическият ток се създава от литиеви йони, движещи се от един електрод към друг.

Li-Ion батериите се произвеждат в цилиндричен и призматичен дизайн. При цилиндричен дизайн две ленти от плоски електроди, разделени от материал, импрегниран с електролит, се навиват и поставят в запечатан метален корпус. Катодният материал се нанася върху алуминиево фолио, анодният материал се нанася върху медно фолио.

Призматичната конструкция на батерията се получава чрез подреждане на правоъгълни плочи една върху друга. Тази форма на батерия позволява да се направи оформлението на електронното устройство по-плътно. Произвеждат се и призматични батерии с валцовани електроди, усукани в спирала.

Експлоатация и експлоатационен живот

Дълъг, пълен и безопасна работалитиево-йонни батерии са възможни, ако спазвате правилата за работа; пренебрегването им не само ще съкрати експлоатационния живот на продукта, но може да доведе до негативни последици.

Експлоатация

Основното изискване за работа на литиево-йонните батерии е температурата - не трябва да се допуска прегряване. Високите температури могат да причинят максимална вреда, а причината за прегряване може да бъде: външен източник, както и стресови режими на зареждане и разреждане на батерията.

Например нагряването до 45°C води до 2-кратно намаляване на капацитета за задържане на заряда на батерията. Тази температура се постига лесно, когато устройството е изложено на слънце за дълго време или когато работи с енергоемки приложения.

За да запазите най-добре работата на батерията в летните жеги, трябва да използвате енергоспестяващ режим, който е наличен на повечето мобилни устройства.

Ниските температури също имат отрицателен ефект върху йонните батерии; при температури под -4°C батерията вече не може да осигури пълна мощност.

Но студът не е толкова вреден за Li-Ion батериите, колкото топлината, и най-често не води до необратими щети. Въпреки факта, че след загряване до стайна температура, експлоатационните свойства на батерията са напълно възстановени, не трябва да забравяте за намаляването на капацитета в студа.

Друга препоръка за използване на литиево-йонни батерии е да ги предпазвате от дълбоко разреждане. Много батерии от предишни поколения имаха ефект на паметта, който изискваше разреждане до нула, последвано от пълно зареждане. Литиево-йонните батерии нямат този ефект и отделни случаи на пълно разреждане не водят до негативни последици, но постоянното дълбоко разреждане е вредно. Препоръчително е да свържете зарядното устройство, когато нивото на заряд е 30%.

Живот

Неправилно Li-Ion работабатериите могат да намалят живота си с 10-12 пъти. Този период пряко зависи от броя на циклите на зареждане. Смята се, че батерията Литиево-йонен типможе да издържи от 500 до 1000 цикъла, като се вземе предвид пълното разреждане. | Повече ▼ висок процентоставащият заряд преди започване на следващото зареждане значително увеличава живота на батерията.

Тъй като експлоатационният живот на литиево-йонните батерии до голяма степен се определя от условията на работа, не е възможно да се посочи точният експлоатационен живот на тези батерии. Средно можете да очаквате този тип батерия да издържи 7-10 години, ако се поддържа правилно.

Процес на зареждане

Когато зареждате, избягвайте свързването на батерията към зарядното устройство за прекалено дълго време. Нормалната работа на литиево-йонна батерия се осъществява при напрежение, което не надвишава 3,6 V. По време на процеса на зареждане зарядните устройства подават към входа на батерията 4,2 V. Ако времето за зареждане бъде превишено, в батерията могат да започнат нежелани електрохимични реакции, които ще водят до прегряване.всички произтичащи от това последствия.

Разработчиците са взели предвид тази характеристика - безопасността на зареждането на съвременни литиево-йонни батерии се контролира от специално вградено устройство, което спира процеса на зареждане, когато напрежението се повиши над допустимото ниво.

За литиеви батерии двустепенният метод на зареждане е правилен. На първия етап батерията трябва да се зареди, като се осигури постоянен заряден ток, вторият етап трябва да се извърши с DC напрежениеи постепенно намаляване на зарядния ток. Този алгоритъм е внедрен хардуерно в повечето домакински зарядни устройства.

Съхранение и изхвърляне

Литиево-йонната батерия може да се съхранява доста дълго време, саморазреждането е 10-20% годишно. Но в същото време има постепенно намаляване на характеристиките на продукта (разграждане).

Процесът на рециклиране на литиево-йонни клетки трябва да се извършва в специализирани предприятия, които имат съответния лиценз. Около 80% от рециклираните материали за батерии могат да се използват повторно в производството на нови батерии.

Безопасност

Литиево-йонна батерия, дори и с миниатюрен размер, носи риск от експлозивно спонтанно запалване. Тази характеристика на този тип батерии изисква спазване на мерките за безопасност на всички етапи, от разработването до производството и съхранението.

За да се увеличи безопасността на литиево-йонните батерии по време на производството, малък електронно табло– система за наблюдение и контрол, която е предназначена да елиминира претоварванията и прегряването. Електронният механизъм увеличава съпротивлението на веригата, когато температурата се повиши над предварително определена граница. Някои модели батерии имат вграден механичен превключвател, който прекъсва веригата, когато налягането в батерията се увеличи.

Също така в корпусите на батериите често се монтира предпазен клапан за освобождаване на налягането в аварийни ситуации.

Плюсове и минуси на литиевите батерии

Предимствата на този тип батерия са:

• висока енергийна плътност;
• няма ефект на паметта;
• дълъг експлоатационен живот;
• ниска скорост на саморазреждане;
• няма нужда от поддръжка;
• осигуряване на постоянни работни параметри в относително широк температурен диапазон.

Литиева батерия има някои недостатъци:

• риск от спонтанно запалване;
• по-висока цена от своите предшественици;
• необходимостта от вграден контролер;
• нежелателност на дълбоко изхвърляне.

Технологиите за производство на Li-Ion батерии непрекъснато се подобряват и много недостатъци постепенно остават в миналото.

Област на приложение

Високата енергийна плътност на литиево-йонните батерии определя основната им област на приложение - мобилни електронни устройства: лаптопи, таблети, смартфони, видеокамери, фотоапарати, навигационни системи, различни вградени сензори и редица други продукти.

Наличието на цилиндричен форм-фактор на тези батерии им позволява да се използват във фенерчета, стационарни телефонии други устройства, които преди това са консумирали енергия от батерии за еднократна употреба.

Литиево-йонният принцип на конструкцията на батерията има няколко разновидности, типовете се различават по вида на използваните материали (литиево-кобалтов, литиево-манганов, литиево-никел-манганов-кобалтов оксид и др.). Всеки от тях намира своя област на приложение.

В допълнение към мобилната електроника, група литиево-йонни батерии се използват в следните области:

• ръчни електрически инструменти;
• преносимо медицинско оборудване;
• непрекъсваеми захранвания;
• системи за сигурност;
• модули за аварийно осветление;
• Слънчеви електроцентрали;
• електрически автомобили и електрически велосипеди.

Предвид постоянното усъвършенстване на литиево-йонната технология и напредъка в създаването на батерии с голям капацитет в малки размери, можем да прогнозираме разширяване на областите на приложение на такива батерии.

Маркиране

Литиево-йонните параметри са отбелязани върху тялото на продукта и използваното кодиране може да се различава значително за различните стандартни размери. Единен стандарт за етикетиране на батерии за всички производители все още не е разработен, но все още е възможно да разберете най-важните параметри сами.

Буквите в линията за маркиране показват типа клетка и използваните материали: първата буква I означава литиево-йонна технология, следващата буква (C, M, F или N) уточнява химичен състав, третата буква R означава, че елементът е презареждаем.

Цифрите в името на стандартния размер показват размера на батерията в милиметри: първите две числа са диаметърът, а другите две са дължината. Например 18650 показва диаметър от 18 mm и дължина от 65 mm, 0 показва фактор на цилиндрична форма.

Последните букви и цифри в реда са маркировки на контейнера, специфични за всеки производител. Няма и единни стандарти за посочване на датата на производство.