Наиболее часто в ноутбуках, мобильных телефонах, КПК и другой технике применяют литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, у которых гораздо больше функциональных преимуществ по сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными аккумуляторами.
В нашем интернет-магазине вы можете подобрать подходящие аккумуляторные батареи для таких производителей мобильных устройств как:
История создания Li Ion аккумуляторов
Ni-Cd аккумуляторы, если сравнивать их с литий-ионными, способны обеспечивать большие токи разряда. Правда, это свойство не столь важно для питания мобильных телефонов или ноутбуков, но есть множество устройств, которые потребляют большие токи (электробритвы, электроинструменты и т.д.). Но после введения ограничений на применение кадмия, активизировались исследования по созданию аккумуляторов с большим зарядным током и без кадмия.
Еще в начале 70-х годов 20 века появились аккумуляторные батареи с литиевым анодом с большой удельной энергией и прочими достоинствами - было повышено рабочее напряжение аккумулятора, его удельная энергия и т.д. Но создание литиевых аккумуляторов было затруднено принципиальными трудностями, которые были преодолены лишь спустя 20 лет разработок.
В течение 1980-х годов проводилось множество испытаний, которые выявили проблему литий ионных (Li Ion) аккумуляторов. Дело заключалось в том, что процессы, проиcходившие при эксплуатации аккумулятора, приводили к бурной реакции. Исследователи назвали ее "вентиляция с выбросом пламени". В начале 1990-х литиевые аккумуляторные батареи заводы-производители прекратили выпускать по причине выброса пламени при максимальном потребляемом токе.
Исследователи пришли к выводу, что необходимо изготавливать аккумуляторы не с Li, а с его ионами. Так появились Li Ion аккумуляторы, которые максимально безопасны, правда, обеспечивает немного меньшую энергоплотность.
Химические процессы Li-ion аккумуляторов
Революция развития перезаряжаемых Li аккумуляторов пришла из Японии, где был разработан аккумулятор с отрицательным электродом, который является очень удобной матрицей для интеркаляции лития.
Для обеспечения большого напряжения в аккумуляторе японские ученые решили использовать оксиды кобальта в качестве активного материала положительного электрода, который имеет потенциал примерно 4В (относительно литиевого электрода). Поэтому Li-Ion аккумулятор имеет рабочее напряжение 3В и выше.
Если Li Ion аккумуляторы разряжаются, то на отрицательном электроде происходит деинтеркаляция лития из углеродного материала, а на положительном электроде - интеркаляция лития в оксид. При заряде аккумулятора процессы происходят в обратном направлении. Отсюда можно сделать вывод, что во всей системе нет металлического лития, а процессы заряда и разряда характеризуются переносом с одного электрода на другой ионов лития. Поэтому такие аккумуляторы получили название "литий-ионных", или аккумуляторов типа кресла-качалки.
Процессы на отрицательном электроде Li-ion аккумулятора
Li-ion аккумуляторы имеют отрицательный электрод, который изготавлен из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы - это весьма сложный процесс, кинетика и механизм которого напрямую зависят от природы электролита и углеродного материала.
Углеродная матрица, которая применяется в качестве анода, может иметь упорядоченную слоистую структуру, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную. Ионы Li при внедрении в углеродную матрицу раздвигают ее слои и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур.
Процессы на положительном электроде Li-ion аккумулятора
В литиевых аккумуляторных батареях выбор материала положительного электрода ограничен. Li Ion аккумуляторы имеют положительные электроды, которые изготовлены исключительно из литированных оксидов никеля или кобальта или из литий-марганцевых шпинателей.
На сегодняшний момент все чаще применяются в качестве катодных материалов материалы на основе смешанны фосфатов и оксидов, благодаря которым можно достичь наилучших характеристик аккумуляторной батареи. На данный момет идет разработка технологий покрытия поверхности катодов тонкодисперсными оксидами.
Конструкция Li-ion аккумуляторов
Конструктивно Li-ion аккумуляторы производятся в призматическом или цилиндрическом вариантах. В цилиндрических в свернутые в рулок сепаратор и электроды помещаются в алюминиевый или стальной корпус, с которым соединяется отрицательный электрод. Положительный полюс выводится на крышку.
Призматические Li Ion аккумуляторы характеризуются складыванием друг на друга прямоугольных пластин. Такой вариант литий ионных аккумуляторных батарей обеспечивает плотную упаковку в батарее, но в них тяжелее поддерживаются сжимающие усилия на электроды.
Литий-ионные (Li Ion) аккумуляторы имеют в своем составе батареи внешнюю электронную защиту, которая не допускает возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, чрезмерного разогрева или короткого замыкания.
Большая половина аккумуляторных батарей на рынке представлена в призматическом варианте (уже привычный аккумулятор в виде пластины), основное назначение которого - обеспечение работы мобильных телефонов и ноутбуков.
Литиевые и литий-ионные аккумуляторные батареи имеют абсолютно герметичную конструкцию. Такое требование определяется недопустимостью вытекания электролита, который негативно действует на устройство, а также недопустмостью попадения в литий ионные аккумуляторы пары воды и кислорода из вне.
Производство электродов и прочих деталей, сборка аккумуляторных батарей проходит в атмосфере чистого аргона в сухих комнатах и герметичных боксах.
Характеристики Li-ion аккумуляторных батарей
Современные литий ионные (Li-Ion) аккумуляторы имеют достаточно высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.
Буквально несколько лет назад исследователи и разработчики считали, что достижимая емкость Li Ion аккумулятора не будет выше нескольких ампер-часов. Но сегодня производители уже выпускают аккмуляторыне батареи с емкостью в несколько сотен ампер-часов.
Работоспособность современных малогабаритных аккумуляторных батарей происходит при токах разряда до 2 С, мощных аккумуляторов - до 10-20С. Интервал рабочих температур: -20/+60 °С.Сейчас уже можно легко найти аккумулятор, который будет запросто функционировать и при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.
Саморазряд Li-Ion аккумулятора составляет 4-6 % за первый месяц, далее - существенно меньше: за год литий-ионные аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Отметим, что у Li-ion аккумуляторов потери емкости в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс: 500-1000 циклов.
Заряд Li-ion аккумуляторов
Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: сначала при постоянном токе (в диапазоне 0,2-1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), потом при постоянном напряжении. Длительность первой стадии заряда длится примерно 40 минут, вторая стадия, соответственно, больше. Еще более быстрый заряд достигается при импульсном режиме.
При заряде литий ионных аккумуляторных батарей током 1С время зарядки будет составлять от 2 до 3 часов. Полного заряда батарейка достигнет после того, как напряжение станет равным напряжению отсечки, при этом ток значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда.
При более высоком токе заряда на аккумуляторной батарее быстрее нарастает напряжение и после завершения первого этапа цикла заряда этап подзарядки продолжается дольше. Однако некоторые типы зарядных устройств для заряда Li-Ion аккумуляторов требуют для зарядки 1 час и даже менее.
Небольшой саморазряд и потерю энергии Li Ion батарейки способна компенсировать короткая подзарядка постоянным током. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда литий ионной батареи подобная подзарядка может производиться через 20 дней или каждые 500 ч. Обычно ее осуществляют после снижения напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и прекращают при достижении 4,20 В/элемент.
Итак, Li-Ion аккумуляторные батареи имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития (в виде раздробленного мшистого осадка), который обладает большой реакционной способностью к электролиту, а активное выделение кислорода начинается на катоде. Может возникнуть угроза разгерметизации, теплового разгона и повышения давления. Поэтому заряд Li-Ion аккумулятора можно вести только до напряжения, которое рекомендовано производителем. Ресурс аккумулятора будет снижаться при увеличении зарядного напряжения.
Серьезное внимание уделяется производителями безопасной работе Li-ion аккумуляторных батарей. Поэтому в конструкции Li-Ion батарей коммерческого назначения есть специальные устройства защиты, которые предотвращают превышение напряжения заряда выше определенного значения. В качестве дополнительной защиты аккумулятора выступает завершение заряда в случае, когда температура батареи достигает 90 °С.Более совершенные конструкции батарей имеют механический выключатель, способный срабатывать при увеличении давления внутри корпуса.
Есть и исключения - Li-Ion аккумуляторные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это аккумуляторные батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию при перезаряде реакции металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят очень медленно, поэтому устройства защиты просто не нужны.
Безопасность Li-ion аккумуляторов
При разработке литиевых и литий ионных аккумуляторных батарей особое внимание уделялось вопросу безопасного хранения и использования. Абсолютно все аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий, в отдельных случаях и от внешних. Для достижения такой защиты используется двухслойный сепаратор из материала, аналогичного полиэтилену. Этот слой в случае замыкания подплавляется и моментально становится непроницаемым, таким образом, предотвращает последующее прорастание дендритов.
Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей
Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения среди всех типов батарей имеют самую совершенную защиту.
Схема защиты Li Ion аккумуляторные батареи использует ключ на полевом транзисторе, который открывается при достижении напряжения на элементе батареи 4,30 В и прерывает процесс заряда. Термальную защиту обеспечивает термоппредохранитель, который при нагреве до 90 °С отсоединяет цепь нагрузки. Некоторые аккумуляторы в конструкции располагают специальными выключателем, срабатывающим при достижении порогового давления в корпусе (оно равно 1034 кПа (10,5 кг/м2) и разрывает цепь нагрузки.
Определенные типы Li-Ion батарей имеют в своем химическом составе марганец и состоят из 1-2 элементов. В таких аккумуляторах не применяется схема защита, есть только один предохранитель. Такие аккумуляторные батарейки являются безопасными из-за небольшой емкости и малых габаритов. Конечно, отсутствие схемы защиты влияет на стоимость Li-Ion батареи в меньшую сторону, но возникают нюансы.
Мобильные телефоны можно подзаряжать с помощью нештатных зарядных устройств. Недорогое зарядное устройство, которое предназначено для подзарядки от бортовой сети автомобиля или от сети, отключится при достижении напряжения конца заряда (это при наличии в батарее схемы защиты). Если же таковая отсутствует, неизбежен перезаряд аккумуляторной батареи и ее выход из строя.
Заключение
В процессе поиска лучшего материала для катода Li-Ion аккумуляторы превратились в химические источники тока, которые отличаются друг от друга параметрами режимов разряда/заряда и энергоемкостью. В свою очередь, это требует более интеллектуальных схем контроля, которые стали неотъемлемой частью питаемых устройств и аккумуляторных батарей. Без таких схем возможны повреждения не только самих батарей или аккумуляторов, но и устройств.
В последнее время на рынке, кроме традиционных производителей аккумуляторных батарей (например, Sanyo, Panasonic и Sony) очень активно развиваются новые производители, особенно из Китая. В отличие от традиционных производителей, они поставляют продукцию с существенно большим выбором различных параметров в пределах одной технологии.