Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Инженерная мысль непрерывно развивается: ее стимулируют постоянно возникающие проблемы, требующие для своего решения разработки новых технологий. В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера не задумываемся о том, какой аккумулятор у них внутри и чем вообще различаются эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами тех или иных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Тем, кто спешит и желает сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор является оптимальным для сотового телефона, я отвечу коротко — Li-ion. Дальнейшая информация предназначена для любознательных.

Для начала небольшой экскурс в историю.

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd , а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.

Основные преимущества.

• Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
• Низкий саморазряд.
• Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia). Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
• Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.

Недостатки.

Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Она обновляется приблизительно каждые шесть месяцев, и понять, как «ведут себя» новые аккумуляторы после длительного хранения, трудно.

Словом, всем был бы Li-ion аккумулятор хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.

Исследователи продолжают разработку Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году. Они будут стабильными, допускать 1000 полных циклов заряда-разряда и иметь более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы

Тем временем некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, часть производителей специально устанавливает нагревающие элементы, поддерживающие благоприятную для аккумулятора температуру.

Вы спросите: как же так? На рынке вовсю продают Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они представляют наибольший интерес.

Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.

Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных.

А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.

Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье . В добавление приведу лишь график (Рис.1) из , иллюстрирующий стадии заряда, и небольшие пояснения к нему.

Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается.

Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В

Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 °C. При температуре от 0 до 5 °C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна температура от 15 до 25 °C.

Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому потребителю совершенно ни к чему знать, какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.

А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.

Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время работы).

Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.

Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.

При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторов температура -20 °C является пределом, при котором они прекращают функционировать, NiCd продолжают работать до -40 °C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.

В заключение хочу отметить, что задать вопросы и обсудить проблемы, связанные с Li-ion, Li-polymer, а также другими типами аккумуляторов, можно на форуме в подфоруме по аксессуарам.

При написании статьи использованы материалы [ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.

В современных мобильных телефонах, фотоаппаратах и других устройствах чаще всего используются литий-ионные батареи, сменившие щелочные и никель-кадмиевые, которые они превосходят по многим параметрам. Впервые аккумуляторы с анодом из лития появились в 70-е годы предыдущего столетия и сразу стали очень востребованы благодаря высокому напряжению и энергоемкости.

История появления

Разработки были недолгими, но на практическом уровне возникали трудности, которые разрешили только в 90-е годы прошлого века. Из-за высокой активности лития внутри элемента протекали химические процессы, которые приводили к возгоранию.

В начале 90-х произошел ряд несчастных случаев - пользователи телефонов, разговаривая, получали сильные ожоги в результате самопроизвольного воспламенения элементов, а затем и самих устройств связи. В связи с этим батареи полностью сняли с производства и вернули из продажи выпущенные ранее.

В современных литиево-ионных аккумуляторах чистый металл не используется, только его ионизированные соединения, так как они более стабильны. К сожалению, ученым пришлось пойти на существенное снижение возможностей аккумулятора, однако удалось добиться главного - люди больше не страдали от ожогов.

Кристаллическая решетка различных соединений углерода оказалась подходящей для интеркаляции ионов лития на отрицательном электроде. При зарядке они переходят с анода на катод, а при разряде наоборот.

Принцип действия и разновидности

В каждом литий-ионном аккумуляторе основу минусового электрода составляют углеродсодержащие вещества, структура которых может быть упорядоченной или частично упорядоченной. В зависимости от материала меняется процесс интеркаляции Li в C. Плюсовой электрод в основном выполняется из латированного оксида никеля или кобальта.

Суммируя все реакции, их можно представить в следующих уравнениях:

1. LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe - для катода.
2. С + xLi+ + xe → CLix - для анода.

Уравнения представлены для случая разряда, при заряде они протекают в обратную сторону. Ученые проводят работы по исследованию новых материалов, состоящих из смешанных фосфатов и оксидов. Эти материалы планируется использовать для катода.

Выделяют два вида Li-Ion аккумуляторов:

1. цилиндрический;
2. призматический.

Главное отличие - расположение пластин (в призматическом - друг на друге). От этого зависит размер литионного аккумулятора. Как правило, призматические плотнее и компактнее.

Кроме того, внутри существует система безопасности - механизм, который при возрастании температуры увеличивает сопротивление, а при повышенном давлении разрывает цепь анод-катод. Благодаря электронной плате становится невозможным замыкание, так как она контролирует процессы внутри АКБ.

Противоположные по полярности электроды разделяются сепаратором. Корпус должен быть герметичным, вытекание электролита или попадание внутрь воды и кислорода разрушат и батарею и само электронное устройство-носитель.

У различных производителей литионный аккумулятор может выглядеть абсолютно по-разному, нет единой формы изделия. Отношение активных масс анода к катоду должно быть примерно 1:1, иначе возможно образование металла лития, которое приведет к возгоранию.

Достоинства и недостатки

АКБ обладают превосходными параметрами, различающимися у разных производителей. Номинальным напряжением является 3,7−3,8 В при максимальном 4,4 В. Энергетическая плотность (один из главных показателей) составляет 110−230 Вт*ч/кг.

Внутреннее сопротивление составляет от 5 до 15 мОм/1Ач. Срок службы по количеству циклов (разряд/заряд) равен 1000−5000 единиц. Время для быстрой зарядки - 15−60 минут. Один из самых значимых плюсов - медленный процесс саморазряда (всего 10−20% за год, из которых 3−6% за первый месяц). Диапазоном рабочих температур является 0 С - +65 С, при температурах ниже нуля заряд невозможен.

Зарядка происходит в несколько этапов:

1. до определенного момента протекает максимальный ток заряда;
2. при достижении рабочих параметров ток постепенно уменьшается до 3% от максимального значения.

При хранении примерно каждые 500 часов необходима периодическая подзарядка, направленная на компенсацию саморазряда. При перезаряде может осаждаться металлический литий, который, взаимодействуя с электролитом, образует кислород. Таким образом повышается риск разгерметизации вследствие повышения внутреннего давления.

Частые перезарядки сильно снижают срок службы батареи. Кроме того, влияет окружающая среда, температура, ток и т. д.

У элемента есть недостатки, среди которых выделяют следующие:

Условия эксплуатации

Лучше всего хранить аккумулятор при следующих условиях : заряд должен быть не менее 40%, а температура - не очень низкой или высокой. Лучшим вариантом является диапазон от 0С до +10С. Обычно за 2 года теряется около 4% емкости, из-за чего не рекомендуется покупать аккумуляторы более ранних дат изготовления.

Ученые изобрели способ, позволяющий увеличить срок годности. В электролит добавляют соответствующий консервант. Однако для таких батарей следует провести «тренинг» в виде 2−3 циклов полного разряда/заряда, чтобы впоследствии они смогли работать в обычном режиме. В противном случае возможно возникновение «эффекта памяти» и последующее вздутие всей конструкции. При правильном использовании и соблюдении всех норм хранения аккумулятор может служить долгое время, при этом его емкость останется на высоком уровне.

Процессы зарядки разрядки любых аккумуляторных батарей протекают в виде химической реакции. Однако заряд литий-ионных аккумуляторов — это исключение из правил. Научные исследования показывают энергетику таких батарей как хаотичное перемещение ионов. Утверждения учёных мужей заслуживают внимания. Если по науке правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, тогда эти приборы должны служить вечно.

Подтверждённые практикой факты утраты полезной ёмкости АКБ учёные видят в ионах, блокируемых так называемыми ловушками.

Поэтому, как и в случае с другими подобными системами, литий-ионные приборы не застрахованы от дефектов в процессе их применения на практике.

Зарядные устройства для конструкций Li-ion имеют некоторое сходство с приборами, предназначенными для кислотно-свинцовых систем.

Но главные отличия таких зарядных устройств видятся в подаче завышенных напряжений на ячейки. К тому же отмечаются более жесткие допуски по токам, плюс исключение заряда прерывистым или плавающим способом при полной зарядке батареи.

Относительно мощный прибор питания, который может применяться в качестве накопителя энергии для конструкций альтернативных источников энергии

Если отличаются некоторой гибкостью, с точки зрения подключений/отключений напряжения, производители литий-ионных систем категорически отвергают такой подход.

Аккумуляторы Li-ion и правила эксплуатации этих приборов не допускают возможности безграничного превышения заряда.

Поэтому не существует для литий-ионных аккумуляторов так называемого «чудесного» зарядного устройства, способного продлить срок службы на длительное время.

Невозможно получить дополнительную емкость Li-ion за счёт импульсного заряда или прочих известных трюков. Литий-ионная энергетика — это своего рода «чистая» система, принимающая строго ограниченное количество энергии.

Зарядка кобальто-купажированных АКБ

Классические конструкции литий-ионных батарей оснащены катодами, структуру которых составляют материалы:

• кобальт,
• никель,
• марганец,
• алюминий.

Все они обычно заряжаются напряжением до 4,20В/я. Допускаемое отклонение составляет не более +/- 50 мВ/я. Но есть также отдельные виды литий-ионных аккумуляторов на основе никеля, которые допускают величину заряда напряжением до 4.10В/я.

Кобальт-купажированные литий-ионные аккумуляторные батареи оснащаются внутренними защитными цепями, но этот момент редко спасает от взрыва аккумулятора в режиме чрезмерного заряда

Также есть разработки литий-ионных АКБ, где увеличена процентная доля лития. Для них напряжение заряда может достигать значения 4,30В/я и выше.

Что же, увеличение напряжения увеличивает емкость, но выход напряжения за пределы спецификации чреват разрушением структуры АКБ.

Поэтому в массе своей литий-ионные аккумуляторы оснащаются защитными цепями, цель которых держать установленную норму.

Полный или частичный заряд

Однако практика показывает: большинство мощных литий-ионных АКБ могут принимать более высокий уровень напряжения при условии его кратковременной подачи.

При таком варианте эффективность зарядки составляет около 99%, а ячейка остается холодной в процессе всего времени заряда. Правда, некоторые литий-ионные батареи всё таки нагреваются на 4-5C при достижении полного заряда.

Возможно, это связано с защитой или объясняется высоким внутренним сопротивлением. Для таких АКБ следует останавливать заряд при росте температуры более 10ºC на умеренной норме заряда.

Литий-ионные батареи в зарядном устройстве на зарядке. Индикатор показывает полную зарядку аккумуляторов. Дальнейший процесс грозит повредить батареи

Полная зарядка кобальто-купажированных систем наступает с пороговым значением напряжения. При этом ток падает на величину до 3 -5% от номинала.

Аккумулятор будет показывать полный заряд и при достижении какого-то уровня ёмкости, остающегося неизменным в течение продолжительного времени. Причиной этому может стать повышенный саморазряд батареи.

Увеличение тока заряда и заряд насыщения

Следует отметить: увеличение тока заряда не ускоряет достижение состояния полного заряда. Литий- достигнет пика напряжения быстрее, но заряд до полного насыщения ёмкости требует больше времени. Тем не менее, зарядка аккумулятора большим током быстро увеличивает ёмкость батареи примерно до 70 %.

Литий-ионные аккумуляторы не поддерживают обязательной полной зарядки, как в случае с кислотно-свинцовыми приборами. Мало того, именно такой вариант зарядки нежелателен для Li-ion. Фактически, лучше зарядить АКБ не полностью, потому что высокое напряжение «напрягает» аккумулятор.

Выбор порога более низкого напряжения или полного съёма заряда насыщения способствуют продлению срока службы литий-ионной батареи. Правда, такой подход сопровождается уменьшением времени отдачи энергии АКБ.

Здесь следует отметить: зарядные устройства бытового назначения, как правило, работают на максимальной мощности и не поддерживают регулировки зарядного тока (напряжения).

Производители бытовых зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов считают продолжительный срок службы менее важным фактором, чем затраты на усложнение схемных решений.

Зарядные устройства литий-ионных батарей

Некоторые дешевые зарядные устройства бытового назначения часто работают по упрощенной методике. Заряжают литий-ионный аккумулятор в течение одного часа и менее, без перехода на заряд насыщения.

Индикатор готовности на таких устройствах загорается, когда батарея достигает порога напряжения на первом этапе. Состояние заряда при этом составляет около 85%, что нередко удовлетворяет многих пользователей.

Это зарядное устройство отечественного производства предлагается для работы с разными аккумуляторами, в том числе с литий-ионными АКБ. Аппарат имеет систему регуляции напряжения и тока, что уже хорошо

Зарядные устройства профессионального назначения (дорогостоящие) отличаются тем, что устанавливают порог зарядного напряжения ниже, тем самым продлевая срок службы литий-ионной батареи.

В таблице показаны расчетные мощности при заряде такими устройствами на разных пороговых значениях напряжения, с зарядом насыщения и без такового:

Напряжение заряда, В/на ячейку	Ёмкость при отсечке высокого напряжения, %	Время заряда, мин	Ёмкость при полном насыщении, %
3.80	60	120	65
3.90	70	135	75
4.00	75	150	80
4.10	80	165	90
4.20	85	180	100

Как только литий-ионный аккумулятор начинает заряжаться, отмечается быстрый рост напряжения. Такое поведение сравнимо с подъёмом груза резиновой лентой, когда имеет место эффект отставания.

Емкость, в конечном итоге, будет набрана, когда аккумулятор полностью зарядится. Такая характеристика заряда типична для всех АКБ.

Чем выше ток заряда, тем ярче эффект резиновой ленты. Низкая температура или наличие ячейки с высоким внутренним сопротивлением лишь усиливают эффект.

Структура литий-ионной аккумуляторной батареи в самом простейшем виде: 1- минусовая шина из меди; 2 — плюсовая шина из алюминия; 3 — анод из оксида кобальта; 4- катод из графита; 5 — электролит

Оценка состояния заряда путем считывания напряжения заряженной батареи нецелесообразна. Измерение напряжения разомкнутой цепи (холостой ход) после того, как батарея покоилась несколько часов, является лучшим оценочным индикатором.

Как и для других батарей, температура влияет на холостой ход точно так же, как влияет на активный материал литий-ионной АКБ. , ноутбуков и других устройств оценивается путем подсчета кулонов.

Литий-ионный АКБ: порог насыщения

Литий-ионный аккумулятор не способен поглощать избыточный заряд. Поэтому при полном насыщении аккумулятора ток заряда сразу необходимо снять.

Постоянный текущий заряд может привести к металлизации элементов лития, что нарушает принцип обеспечения безопасности эксплуатации таких АКБ.

Чтобы свести к минимуму образование дефектов, следует как можно быстрее отключать литий-ионный аккумулятор при достижении пика заряда.

Этот аккумулятор уже не возьмёт заряда ровно столько, сколько ему положено. По причине неправильной зарядки он утратил свои главные свойства накопителя энергии

Как только заряд прекращается, напряжение литий-ионного аккумулятора начинает падать. Проявляется эффект уменьшения физического напряжения.

Некоторое время напряжение холостого хода будет распределяться между неравномерно заряженными ячейками с напряжением 3,70 В и 3,90 В.

Здесь также обращает на себя внимание процесс, когда литий-ионная батарея, получившая полностью насыщенный заряд, начинает заряжать соседнюю (если таковая включена в схему), не получившую заряд насыщения.

Когда литий-ионные батареи требуется постоянно держать в зарядном устройстве с целью обеспечения их готовности, следует делать ставку на зарядные устройства, имеющие функцию кратковременного компенсационного заряда.

Зарядное устройство с функцией кратковременного компенсационного заряда включается, если напряжение разомкнутой цепи падает до 4.05 В/я и выключается при достижении напряжения 4.20 В/я.

Зарядные устройства, предназначенные для оперативной готовности или для работы в режиме ожидания, часто позволяют снизить напряжение батареи до 4,00В/я и заряжают литий-ионные АКБ только до уровня 4,05В/я, не давая достичь полного уровня 4.20В/я.

Подобная методика снижает напряжение физическое, неотъемлемо связанное с напряжением техническим, и способствует продлению срока службы батареи.

Заряд безкобальтовых аккумуляторов

Аккумуляторы в традиционном исполнении имеют номинальное напряжение ячейки равное 3,60 вольта. Однако для приборов, не содержащих кобальта, номинал другой.

Так, литий-фосфатные аккумуляторы обладают номиналом 3,20 вольта (зарядное напряжение 3,65В). А новые литий-титанатные аккумуляторы (производство Россия) имеют номинальное напряжение ячейки 2,40В (зарядное 2,85).

Литий-фосфатные аккумуляторные батареи относятся к накопителям энергии, которые не содержат в своей структуре кобальт. Этот факт несколько меняет условия зарядки таких аккумуляторов

Для таких батарей традиционные зарядные устройства не подходят, так как перегружают АКБ с угрозой взрыва. И наоборот, система зарядки для безкобальтовых батарей не обеспечит достаточным зарядом на 3,60В традиционный литий-ионный аккумулятор.

Превышенный заряда литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор безопасно работает в пределах заданных рабочих напряжений. Однако работа батареи становится нестабильной, если она заряжается выше рабочих норм.

Длительная зарядка литий-ионной батареи напряжением выше 4,30В, предназначенной под рабочий номинал 4.20В, чревата металлизацией анода литием.

Материал катода, в свою очередь, приобретает свойства окислителя, утрачивает стабильность состояния, выделяет углекислый газ.

Давление аккумуляторной ячейки нарастает и если заряд продолжается, устройство внутренней защиты сработает при давлении от 1000 кПа до 3180 кПа.

Если же рост давления продолжается и после этого, открывается защитная мембрана при уровне давления 3,450 кПа. В таком состоянии ячейка литий-ионного аккумулятора находится на грани взрыва и в конечном итоге именно так и происходит.

Структура: 1 — верхняя крышка; 2 — верхний изолятор; 3 — стальная банка; 4 — нижний изолятор; 5 — вкладка анода; 6 — катод; 7 — сепаратор; 8 — анод; 9 — вкладка катода; 10 — отдушина; 11 — PTC; 12 — прокладка

Срабатывание защиты внутри литий-ионного аккумулятора связано с повышением температуры внутреннего содержимого. Полностью заряженная аккумуляторная батарея имеет более высокую внутреннюю температуру, чем частично заряженная.

Поэтому литий-ионные батареи видятся более безопасными при условии низкоуровневой зарядки. Вот почему власти некоторых стран требуют использовать в самолётах Li-ion АКБ, насыщенные энергией не выше 30% от их полной ёмкости.

Порог внутренней температуры батарей при полной загрузке составляет:

• 130-150°C (для литий-кобальтовых);
• 170-180°C (для никель-марганец-кобальтовых);
• 230-250°C (для литий-марганцевых).

Следует отметить: литий-фосфатные аккумуляторы обладают лучшей температурной устойчивостью, чем литий-марганцевые АКБ. Литий-ионные батареи не единственные из числа тех, что представляют опасность в условиях энергетической перегрузки.

К примеру, свинцово-никелевые аккумуляторы также предрасположены к расплавлению с последующим возгоранием, если насыщение энергией выполняется с нарушениями паспортного режима.

Поэтому применение зарядных устройств, идеально подходящих к батарее, имеет первостепенное значение для всех литий-ионных аккумуляторов.

Некоторые выводы от анализа

Зарядка литий-ионных батарей отличается упрощённой методикой по сравнению с никелевыми системами. Схема зарядки прямолинейная, с ограничениями напряжения и тока.

Такая схема значительно проще, чем схема, анализирующая сложные сигнатуры напряжения, изменяющиеся по мере эксплуатации батареи.

Процесс насыщения энергией литий-ионных батарей допускает прерывания, эти аккумуляторы не нуждается в полном насыщении, как в случае с кислотно-свинцовыми АКБ.

Схема контроллера для маломощных литий-ионных аккумуляторов. Простое решение и минимум деталей. Но схема не обеспечивает условия цикла, при которых сохраняется длительный срок службы

Свойства литий-ионных аккумуляторов обещают преимущества в работе возобновляемых источников энергии (солнечных панелей и ветряных турбин). Как правило, или ветрогенератор редко обеспечивают полный заряд аккумулятора.

Для литий-иона отсутствие требований стабильной подзарядки упрощает схему контроллера заряда. Литий-ионный аккумулятор не требует контроллера, выравнивающего напряжение и ток, как того требуют свинцово-кислотные АКБ.

Все бытовые и большинство промышленных литий-ионных зарядных устройств полностью заряжают аккумулятор. Однако существующие устройства зарядки литий-ионных батарей в массе своей не обеспечивают регуляцию напряжения в конце цикла.

Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.

Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.

За это время решались в основном вопросы с безопасность использования литиевых аккумуляторов, подбором материалов и т. п. Вторичные литиевые элементы с апротонными электролитами и разновидность с твёрдым катодом похожи по электрохимическим процессам, протекающих в них. В частности, на минусовом электроде идёт анодное растворение лития. В кристаллическую решётку плюсового электрода идёт внедрение лития. Когда аккумуляторный элемент заряжается, то процессы на электродах идут в обратном направлении.

Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.

Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.

Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:

• TiS2 (дисульфид титана);
• Nb(Se)n (селенид ниобия);
• сульфиды и диселениды ванадия;
• сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.

Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.

С анодом возникли главные сложности при создании литиевых аккумуляторов. Точнее в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение Li. При этом образуется поверхность с очень высокой активностью. Литий осаждается на поверхности катода в виде дендритов и в результате образуется пассивная плёнка.

Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.

В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.

Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.

Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.

Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

Как показали исследования, лучше всего подходят сплав Li с тяжёлыми металлами. Примером может служить сплав Вуда. Они хорошо показали себя в плане сохранения удельного объёма, но удельные характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.

В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про по указанной ссылке.

Эксплуатация и срок службы

Эксплуатация

Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.

Для начала следует запомнить, что литиевый аккумулятор должен иметь напряжением от 2,7 до 4,2 вольта. Нижнее значение здесь говорит о минимальном уровне заряда, верхнее – о максимальном. В современных Li батареях электроды выполняются из графита и в их случае нижняя граница напряжения составляет 3 вольта (2,7 – это значение для электродов из кокса). Электрическая энергия, которую отдаёт аккумулятор при падении напряжения от верхней границы к нижней, называется его ёмкостью.

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.

Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.

В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.

Процесс зарядки

Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.

Процесс состоит из трёх этапов:

• продолжительность первого этапа около одного часа. При этом ток зарядки держится на постоянном уровне до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет значения 4,2 вольта. По окончании степень заряженности равна 70%;
• второй этап также идёт около часа. В это время контроллер поддерживает постоянное напряжение 4,2 вольта, а ток зарядки при этом снижается. Когда сила тока падает примерно до 0,2*C, запускается заключительный этап. По окончании степень заряженности равна 90%;
• на третьем этапе ток постоянно снижается при напряжении 4,2 вольта. В принципе, эта стадия повторяет второй этап, но имеет строгое ограничение по времени в 1 час. После этого контроллер отключает батарею от зарядного устройства. По окончании степень заряженности равна 100%.

Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.

Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.

Помните, что через разъём USB ноутбука, десктопа, переходника от прикуривателя в машине зарядка идёт значительно медленнее, чем от штатного ЗУ. Это объясняется ограничением интерфейса USB по току в 500 мА.

Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 30.03.2016 23:38

Разные подвиды литий-ионной электрохимической системы именуются по типу своего активного вещества, и могут обозначаться как полностью словами, так и в укороченном виде - химическими формулами. Объединяется литиевые аккумуляторы то, что все они относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам . Такие формулы не очень удобны для прочтения или запоминания ввиду своей сложности, поэтому и они упрощаются - к буквенной аббревиатуре.

Например, кобальтит лития, один из самых распространенных материалов для литий-ионных аккумуляторов, имеет химическую формулу LiCoO2 и аббревиатуру LCO. Из соображений простоты также может использоваться короткая словесная форма - “литий-кобальт”. Кобальт является основным активным веществом и именно по нему характеризуется тип батареи. Другие типы литий-ионной электрохимической системы также аналогично сводятся к краткой форме. В данном разделе перечислены шесть наиболее распространенных типов Li-ion.

1. Литий-кобальтовый аккумулятор (LiCoO2)

Высокий показатель удельной энергоемкости делает литий-кобальтовый аккумулятор популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер. Аккумулятор состоит из графитового анода и катода из оксида кобальта. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются к нему от анода. При зарядке направление меняется на противополжное. Недостатком литий-кобальтовых аккумуляторов является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). На рисунке 1 показана структура такого аккумулятора.

Рисунок 1: Структура литий-кобальтового аккумулятора. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, при зарядке - от катода к аноду.

Литий-кобальтовый аккумулятор не может заряжаться или разряжаться при силе тока выше его С-рейтинга . Это означает, что ячейка типоразмера 18650 емкостью 2400 мАч может заряжаться или разряжаться силой тока не превышающей 2400 мА. Принудительный быстрый заряд или подключение нагрузки, требующей больше чем 2400 мА, приведет к чрезмерному стрессу и перегреву. Для быстрой зарядки производители рекомендуют С-рейтинг 0,8С или около 2000 мА. При использовании системы защиты аккумулятора она автоматически ограничивает заряд и разряд до безопасного уровня - около 1С.

Рисунок 2: Оценка усредненного литий-кобальтового аккумулятора. Литий-кобальтовая электрохимическая система выделяется высокой удельной энергоемкостью, но предлагает средние показатели удельной мощности, безопасности и срока службы.

Таблица характеристик

Кобальтит лития: LiCoO2 катод (~60% кобальта), графитовый анод Сокращенное обозначение: LCO или Li-кобальт Разработан в 1991 году
Напряжение	3,60 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3,0-4,2 В
Удельная энергоемкость	150-200 Вт*ч/кг; специализированные модели обеспечивают до 240 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	0,7-1С, напряжение зарядки 4,20 В (большинство моделей); процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи
С-рейтинг разряда	1С; при напряжении ниже 2,50 В срабатывает отсекатель; разряд силой тока выше 1С сокращает срок службы батареи
	500-1000, зависит от глубины разрядов, нагрузки, температур
Тепловой пробой	Обычно при 150°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения	Мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты
Комментарий	Очень высокая удельная энергоемкость, ограниченная удельная мощность. Высокая стоимость кобальта. Служит в областях, где требуется большая емкость. Имеет стабильный спрос на рынке.

Таблица 3: Характеристики литий-кобальтового аккумулятора.

2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4)

Устройство литий-ионного аккумулятора с марганцевой шпинелью было впервые опубликовано в журнале “Materials Research Bulletin” в 1983 году. В 1996 году компания Moli Energy коммерциализировала литий-ионную ячейку с литий-марганцевой шпинелью в качестве материала катода. Трехмерная структура шпинели улучшает поток ионов на электроде, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления и улучшению обработки тока. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термическая стабильность, но срок жизни и количество циклов ограничены.

Низкое внутреннее сопротивление такой ячейки обеспечивает быструю зарядку и высокое возможное значение силы тока разряда. В типоразмере 18650 литий-марганцевый аккумулятор может разряжаться силой тока в 20-30 А с умеренным теплообразованием. Кроме того, он способен выдерживать импульсы до 50 А в течение одной-двух секунд. Непрерывная же нагрузка в 50 А приведет к нагреву аккумулятора, который не должен превышать 80°С во избежание деградации. Литий-марганцевые аккумуляторы используются для мощных инструментов, медицинского оборудования, а также в гибридном и электротранспорте.

На рисунке 4 представлена графическая иллюстрация трехмерного кристаллического каркаса материала катода. Этим материалом является шпинель, у которой начальная ромбовидная решеточная структура трансформируется в трехмерную.

Рисунок 4: Структура литий-марганцевого аккумулятора. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели имеет трехмерную каркасную структуру, которая появляется после начального формирования. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, но имеет более умеренную удельную энергоемкость чем кобальт.

Емкость литий-марганцевого аккумулятора примерно на треть меньше емкости литий-кобальтового. Гибкость конструкции позволяет оптимизировать батарею под разные задачи и создавать модели с улучшенными показателями долговечности, удельной мощности или удельной энергоемкости. Например, версия в типоразмере 18650 с улучшенными показателями мощности имеет емкость только 1100 мАч, в то время как оптимизированная под емкость - 1500 мАч.

На рисунке 5 показан гексагональный график типичного литий-марганцевого аккумулятора. Характеристики могут казаться не особо впечатлительными, но последние разработки имеют улучшенные показатели удельной мощности, безопасности и продолжительности жизни.

Рисунок 5: Характеристики обычной литий-марганцевого аккумулятора. Несмотря на умеренную общую производительность, новые модели демонстрируют улучшенную удельную мощность, безопасность и продолжительность жизни.

Большинство литий-марганцевых аккумуляторов комбинируются с литий-никель-марганец-кобальтовыми (NMC) для повышения удельной энергоемкости и продления срока службы. Этот союз позволяет использовать сильные стороны обеих систем и называется LMO (NMC). Именно эти комбинированные аккумуляторы используются в большинстве электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. LMO – часть такого аккумулятора, которая составляет около 30 %, обеспечивает высокие ускорительные возможности электродвигателя, а NMC часть отвечает за размер автономного пробега.

Исследования в литий-ионной системе в значительной степени тяготеют к объединению литий-марганцевых ячеек с никель-марганец-кобальтовыми. Эти три активных металла могут легко комбинироваться для получения необходимого результата, будь то повышение удельной мощности, нагрузочных характеристик или долговечности аккумулятора. Этот широкий диапазон возможностей необходим для удовлетворения единым технологическим подходом и рынка потребительских аккумуляторов, где на первом месте стоит емкость; и промышленности, где необходимы аккумуляторные системы с хорошими нагрузочными характеристиками, с длительным сроком службы и с надежной безопасной эксплуатацией.

Таблица характеристик

Литий-марганцевая шпинель: LiMn2O4 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: LNO или Li-марганцевый (шпинельная структура) Разработан в 1996 году
Напряжение	3,70 В (3,80 В) номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3.0-4.2 В
Удельная энергоемкость	100-150 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	Стандарт 0,7-1С; 3С максимум; зарядка до 4,20 В (большинство батарей)
С-рейтинг разряда	Стандарт 1С; существуют модели с 10С; импульсный режим работы (до 5 секунд) - 50С; при 2,50 В срабатывает отсекатель
Количество циклов заряда/разряда	300-700 (зависит от глубины разрядов и температуры)
Тепловой пробой	Обычно при 250°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения	Электроинструмент, медицинское оборудование, электрические силовые агрегаты
Комментарий	Высокая мощность, но умеренная емкость; безопаснее литий-кобальтовых; обычно используется вместе с NMC

Таблица 6: Характеристики литий-марганцевого аккумулятора.

3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMnCoO2 или NMC)

Одним из наиболее успешных вариантов исполнения литий-ионной электрохимической системы является сочетание никеля, марганца и кобальта (NMC) в катоде. По аналогии с литий-марганцевыми, эти системы могут быть оптимизированы под емкость или мощность. Например, NMC аккумулятор в типоразмере ячейки 18650 для умеренной нагрузки имеет емкость 2800 мАч и может обеспечивать силу тока в 4-5 А; а версия в том же типоразмере, но оптимизированная под мощностные показатели имеет емкость только 2000 мАч, но максимальная сила тока разряда у нее - 20 А. Показатель емкости можно увеличить и до 4000 мАч, если добавить кремний в состав анода. Но с другой стороны, это значительно уменьшит нагрузочные характеристики и долговечность такого аккумулятора. Столь неоднозначные свойства кремния появляются из-за его расширения и уменьшения при зарядке и разрядке, что приводит к механической неустойчивости конструкции аккумулятора.

Секрет технологии NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогией может служить обыкновенная поваренная соль, где по отдельности ее компоненты, натрий и хлор, весьма токсичны, но их соединение образует полезное пищевое вещество. Никель известен своей высокой удельной энергоемкостью, но низкой стабильностью; марганец же имеет преимущество в виде шпинельной структуры, которая обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но и приводит к недостатку - низкой удельной энергоемкости. Сочетание же этих металлов позволяет компенсировать недостатки друг друга и в полной мере использовать сильные стороны.

NMC аккумуляторы используются для мощных инструментов, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Состав катода, как правило, сочетает никель, марганец и кобальт в равных частях, то есть каждый металл занимает треть от общего объема. Такое распределение также известно как 1-1-1. Сочетание в таком соотношении выгодно своей стоимостью, так как содержание дорогого кобальта по сравнению с другими версиями батареи относительно невелико. Еще одна успешная комбинация NMC содержит 5 частей никеля, 3 части кобальта и 2 части марганца. Эксперименты по поиску удачных комбинаций этих активных веществ продолжаются и сейчас. На рисунке 7 продемонстрированы характеристики NMC аккумулятора.

Рисунок 7: Оценка характеристик NMC аккумулятора. NMC имеет хорошую общую производительность и отличную удельную энергоемкость. Данная аккумуляторная батарея является предпочтительным выбором для электротранспорта и имеет самый низкий уровень самонагрева.

В последнее время именно NMC семейство литий-ионных аккумуляторов становится наиболее популярным, так как благодаря возможности комбинации активных веществ стало можно сконструировать экономичную батарею с хорошей производительностью. Никель, марганец и кобальт могут быть легко смешаны, чтобы удовлетворить широкий спектр требований для электротранспорта или систем аккумулирования энергии, специфика которых предполагает регулярную циклическую работу. Семейство NMC аккумуляторов активно развивается в своем многообразии.

Таблица характеристик

Литий-никель-марганец-кобальт-оксид: LiNiMnCoO2 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN аналогично комбинации металлов) Разработан в 2008 году
Напряжение	3,60-3,70 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3,0-4,2 В на ячейку, или выше
Удельная энергоемкость	150-220 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	0,7-1С, зарядка до 4,20 В, в некоторых моделях до 4,30 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи
С-рейтинг разряда	1С; некоторые модели поддерживают 2С; при 2,50 В срабатывает отсекатель
Количество циклов заряда/разряда
Тепловой пробой	Обычно при 210°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения	Электровелосипеды, медицинское оборудование, электроавтомобили, промышленность
Комментарий	Обеспечивают высокую емкость и мощность. Широкий спектр практического применения, доля рынка стремительно растет

Таблица 8: Характеристики литий-никель-марганец-кобальт-оксидного (NMC) аккумулятора.

4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)

В 1996 году в Университете Техаса были проведены исследования, в результате которых был открыт новый материал для катода литий-ионного аккумулятора - фосфат железа. Литий-фосфатная система обладает хорошими электрохимическими свойствами и низким внутренним сопротивлением. Основными преимуществами таких аккумуляторов являются высокие показатели силы тока и длительный срок службы, к тому же они обладают хорошей термической стабильностью, повышенной безопасностью и стойкостью к неправильному использованию.

Литий-фосфатные аккумуляторы более стойкие к перезаряду; если в случае длительного времени к ним приложено высокое напряжение, то деградационные последствия будут заметно меньше в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. Но напряжение ячейки в 3.20 В снижает показатель удельной энергоемкости до уровня, даже меньшего, чем у литий-марганцевого аккумулятора. Для большинства электрических батарей холодная температура снижает производительность, а жаркая - сокращает срок службы, литий-фосфатная система не является исключением. У нее также более высокий показатель саморазряда в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. На рисунке 9 показаны характеристики литий-фосфатного аккумулятора.

Литий-фосфатные аккумуляторы часто используются в качестве замены стартерным свинцово-кислотным. Четыре ячейки такой батареи обеспечат напряжение в 12,8 В - аналогично напряжению шести двухвольтовых ячеек свинцово-кислотного. Генератор транспортного средства подзаряжает свинцово-кислотный аккумулятор до 14,40 В (2,40 В на ячейку). Для четырех литий-фосфатных ячеек предельное напряжение будет 3,60 В, после подзарядку следует отключить, чего не происходит в обычном транспортном средстве. Литий-фосфатные аккумуляторы стойкие к перезаряду, но даже они при длительном сохранении повышенного напряжения деградируют. Низкие температуры также могут стать проблемой при использовании литий-фосфатного аккумулятора в качестве замены обычному стартерному.

Рисунок 9: Оценка характеристик литий-фосфатного аккумулятора. Литий-фосфатная электрохимическая система обеспечивает отличную безопасность и долгий срок службы, но удельная энергоемкость имеет умеренные показатели, также стоит отметить высокий саморазряд.

Таблица характеристик

Литий-феррофосфат: LiFePO4 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: LFP или Li-фосфат
Напряжение	3,20, 3,30 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 2,5-3,65 В на ячейку
Удельная энергоемкость	90-120 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки	1С стандарт, зарядка до 3,65 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа
С-рейтинг разряда	1С; в некоторых версиях до 25С; 40 А импульсные токи (до 2 секунд); при 2,50 В срабатывает отсекатель (напряжение ниже 2 В наносит вред)
Количество циклов заряда/разряда	1000-2000 (зависит от глубины разрядов и температуры)
Тепловой пробой	270°С. Безопасный даже при полном заряде
Области применения	Портативные и стационарные устройства, где необходимы высокие токи нагрузки и выносливость