Виды литиевых аккумуляторов


Какие бывают типы литий ионных аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы на современном рынке прочно заняли несколько различных ниш. В основном они используются во всевозможной потребительской электронике, портативном инструменте и мобильных устройствах, бытовой технике и т. п. Существуют даже литиевые аккумуляторы 12 вольт для авто.

Хотя широкого распространения в автомобилестроении они пока не получили. Использование литиевых аккумуляторов в различных отраслях народного хозяйства привело к тому, что на рынке появилось много разновидностей этих аккумуляторных батарей. Основные типы литиевых АКБ мы рассмотрим в сегодняшней статье.

Какие есть типы литиевых аккумуляторов?

Мы здесь не будем писать о принципе работы Li аккумуляторных батарей и истории их возникновения. Подробно о литиевых аккумуляторах можно прочитать в статье по указанной ссылке.

Также можете прочитать материалы отдельно про литий-полимерный и литий-ионный аккумулятор.

А в этом материале хотелось бы рассмотреть именно различные типы Li аккумуляторов в зависимости от их характеристик и назначения.

Итак, что касается мощности и ёмкости литиевых батарей. Деление здесь достаточно условное. Для того чтобы выпускать аккумуляторы различной ёмкости, с разными токами разряда, производители изменяют ряд параметров. Например, они регулируют толщину слоя электродной массы на фольге (в случае рулонной конструкции). В большинстве случаев этот электродный слой наносится медную (минусовой электрод) и алюминиевую (плюсовой) фольгу. Благодаря такому увеличению электродного слоя растут удельные параметры аккумулятора.

Аккумуляторные батареи с разными значениями ёмкости и разрядного тока получаются при изменении следующих параметров:

  • Толщина фольги;
  • Толщина сепаратора;
  • Материал плюсового и минусового электрода;
  • Размер частиц активной массы;
  • Толщина электрода.

При этом модели аккумуляторов, рассчитанных на более высокую мощность, оснащаются токовыводами больших размеров и массы. Это делается для предотвращения перегрева. Также для наращивания тока разряда используются всевозможные вещества, добавляемые в электролит или в электродную массу.

У аккумуляторов с большой ёмкостью токовыводы, как правило, небольшие. Они рассчитываются на разрядный ток до 2С (обычно ток заряда-разряда аккумулятора указывается от его ёмкости) и зарядный ─ до 0,5С. Для литиевых АКБ большой ёмкости эти значения до 20С и до 40С, соответственно.

Модели литиевых аккумуляторов с высокой мощностью предназначены для питания стартёров, с высокой ёмкостью – для питания различной портативной аппаратуры.

Что касается разработки литиевых батарей, то производители всевозможной электроники заказывают их в специальных фирмах. Те разрабатывают их с учётом предложенных условий, а затем размещают их в серийное производство.

При разработке современных литиевых аккумуляторов учитываются следующие параметры:

  • Ёмкость;
  • Штатный и максимальный ток разряда;
  • Размеры;
  • Условия расположения внутри устройства;
  • Рабочая температура;
  • Ресурс (количество циклов заряд-разряд) и прочие.

Различные конструкции литиевых аккумуляторных батарей

По конструктивным особенностям литиевые аккумуляторы можно разделить по двум признакам:

  • Конструкция корпуса;
  • Конструкция электродов.

Рассмотрим их подробнее.

Конструкция электродов

Рулонного типа

На изображении ниже можно посмотреть Li─Ion аккумулятор с конструкцией рулонного типа. Элементы рулонной конструкции изготавливаются двух типов:

  • Рулон электродов скручивается вокруг виртуальной пластины. В одном корпусе могут размещаться несколько рулонов, подключённых параллельно;
  • Цилиндрические. Различной высоты и диаметра.

Из набора электродов

Литиевые аккумуляторы со сборкой из отдельных электродов применяются при производстве призматических АКБ.

Тепло здесь также отводится с торца электрода. Производители стараются улучшить теплоотвод посредством регулировки состава и дисперсности активной массы.

Конструкция корпуса

Цилиндрические

Стоит уделить внимание цилиндрическим литиевым аккумуляторам. Они широко распространены в различной бытовой технике и электронике. Особенно популярны аккумуляторные элементы 18650.

Цилиндрические литиевые аккумуляторы

В качестве плюсов цилиндрического корпуса специалисты называют отсутствие изменения объёма при длительной эксплуатации. Это происходит за счёт того, что АКБ немного меняет объём в процессе заряда-разряда. Конструкция электродов в таком корпусе всегда рулонного типа. К недостаткам относят плохое теплоотведение.

Цилиндрические литиевые аккумуляторы могут иметь следующие токовыводы:

  • Винтовые борны;
  • Обычные контактные площадки.

Там, где более высокие требования к съёму тока, используются винтовые борны. Это АКБ с большим разрядным током и большой ёмкостью (более 20 Ач).

Многочисленные испытания показывают, что цилиндрические литиевые аккумуляторы с винтовыми борнами выдерживают токи не более 10─15С. И это значения кратковременной нагрузки, при которой элемент быстро перегревается.

При длительной работе они выдерживают разрядные токи 2─3С. В основном литиевые батарейки используют в портативном электроинструменте.

Аккумуляторные элементы с контактными площадками обычно используются для объединения в батареи. Для этого их сваривают лентой при помощи контактной сварки. Иногда производители уже выпускают элементы с лепестками под самостоятельную пайку. Причём вид лепестков может быть различным в зависимости от типа пайки.

Призматические

Призматические литиевые АКБ выпускаются:

  • С винтовыми борнами;
  • С контактными площадками под приваривание лепестков.

Призматические модели часто используются в азиатских странах для обеспечения питанием электрических велосипедов.

Вне зависимости от формы корпуса, его материал должен быть инертным по отношению к электродам, электролиту, активной массе. Такое же требование выдвигается к соединительным элементам, крепежу, прокладкам и т. п.

Оболочка из ламинированной фольги

Такой вид корпуса получил распространение благодаря появлению литий─полимерных аккумуляторов.

В их случае для переноса заряда также используются ионы лития и в целом здесь идут аналогичные электрохимические процессы.

Но здесь электролит полимерный с добавлением гелевого вещества, содержащего ионы лития. Можете подробнее прочитать о том, в чём отличие литий─полимерного аккумулятора от ионного.

Литий─полимерный аккумулятор в ламинированной фольге

По весу такие аккумуляторные элементы легче цилиндрических и призматических. Поэтому корпус для них не используют, а помещают в пакет из ламинированной фольги, и герметично запаивают. Это тем более удобно, поскольку Li─Pol аккумуляторы имеют самые разные размеры и форму.

Среди минусов таких корпусов специалисты называют небольшую механическую прочность и меньший диапазон рабочих температур, чем у корпусных АКБ. К тому же, чаще возникают проблемы со вздутием аккумуляторного элемента.

По исполнению аккумуляторы в ламинированной фольге бывают:

  • С токовыводами на одной стороне;
  • На противоположных. Такая конструкция используется в случае высоких разрядных токов. Она позволяет равномерно распределять ток в активной массе электродов.

Защита

Контроллер литиевого аккумулятора

Ещё один вариант защиты устанавливается на многих корпусных литиевых элементах. Это предохранительные клапаны для сброса избыточного давления в корпусе элемента. Тем самым предотвращается разрушение корпуса.

Исполнение такой защиты может быть разным. К примеру, ряд производителей используют фольгу с насечками, рассчитанную на определённое значение давления. В других случаях может быть установлена пружина, которая при достижении критического значения открывается и сбрасывает давление.

В цилиндрических корпусах такая защита ставится под токовыводом. Если статья была для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию нашего сайта.

Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Источник:

Разновидности и особенности

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток разновидностей, каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Li-ion батареи

Литий-ионные аккумуляторы — это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке.

Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике.

Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

LTO батареи

Литий-титанат (титанат лития) — это относительно новый класс литий-ионных АКБ — (подробнее читайте тут). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов.

Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах.

В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности.

К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

  • Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
  • Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
  • Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
  • Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
  • Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
  • Срок годности: >10 лет
  • Саморазряд: 2-5 %/месяц
  • Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
  • Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
  • Температура: от -40 до +55°C
  • Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Li-Polymer батареи

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов.

Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре.

Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

  • Номинальное напряжение: 3,7 В
  • Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
  • Ток заряда, скорость: 0.2-10С
  • Предельное напряжение разряда: 2.5 В
  • Скорость разряда: до 50С
  • Выносливость в циклах: 400 циклов

LiFePO4 батареи

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени.

Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик.

Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Li-SO2 батареи

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) — эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

  • Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
  • Чрезвычайно низкий саморазряд
  • Работоспособность в экстремальных условиях
  • Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) — такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Читайте также:  В чём особенность алкалиновых батарей?

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.

Особенности:

  • Высокая плотность энергии
  • Очень стабильное напряжение разрядки
  • Более чем 10-ти летний срок хранения
  • Рабочая температура: -40 до +60°С

Li-SOCL2 батареи

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

  • Высокая плотность энергии
  • Долгий срок годности при хранении
  • Широкий температурный диапазон
  • Хорошая герметизация
  • Стабильное разрядное напряжение

Источник:

Формат аккумулятора

Для обозначения используется 5-значное число, в котором:

  • первые 2 цифры указывают на значение диаметра источника энергии (в мм);
  • последующие 2 цифры отображают его длину (в мм);
  • последняя цифра отражает форму элемента питания (0 – цилиндрическая форма).

Например, маркировка самого распространенного типоразмера 18650 указывает на то, что перед нами накопитель энергии цилиндрической формы, диаметром 18 мм и длиной 65 мм. Хотя литиевые элементы питания представлены обширной номенклатурной линейкой, аккумуляторы Li-ion формата 18650 остаются самыми распространенными и востребованными.

Обычно Li-ion аккумуляторы производятся в форме цилиндра или призмы. В цилиндрических моделях содержится завернутый в рулон комплект электродов и сепаратора. Они находятся в корпусе из стали или алюминия.

С корпусом соединяется электрод» –», а через изолятор на крышку выводится полюс» +». Накопители в форме призмы содержат уложенные одна на другую прямоугольные пластины.

Иногда в призматических источниках энергии используется рулонная сборка комплекта электродов, завернутого в виде эллиптической спирали.

Таблица типоразмеров аккумуляторов Li-ion

Приведем самые распространенные размеры Li-ion аккумуляторов в таблице:

Тип Обозначение Типоразмеры Схожие типоразмеры
Цилиндрические XXYY0, гдеXX – указание диаметра в мм,YY – значение длины в мм,0 – отражает исполнение в виде цилиндра 10180 2/5 AAA
10220 1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины)
10280
10430 ААА
10440 ААА
14250 1/2 AA
14270 Ø АА, длина CR2
14430 Ø 7 мм (как у АА), но длина меньше
14500 АА
14670
15266, 15270 CR2
16340 CR123
17500 150S/300S
17670 2xCR123 (или 168S/600S)
18350
18490
18500 2xCR123 (или 150A/300P)
18650 2xCR123 (или 168A/600P)
18700
22650
25500
26500 С
26650
32650
33600 D
42120

Параметры определяются примерно и могут варьироваться в зависимости от нюансов изготовления источников питания. В частности:

  • толщина наружного покрытия на перезаряжаемых элементах питания бывает толще, чем на простых батарейках;
  • толщина защитной платы способна достигать 3 мм.

Также следует учесть, что соответствие типоразмеров указывает на эквивалентность геометрических, но не электрических характеристик, т.е. выходное напряжение таких источников питания не идентично! К примеру, при установке пары элементов CR123 взамен ячейки 18650 важно убедиться, что повышенное напряжение не навредит приборам.

Размеры литиевых аккумуляторов в форме «таблеток» обозначаются формулой CRXXYY, где ХХ – это диаметр (в мм), а YY – высота (в десятых долях мм). К примеру, обозначение CR2032 указывает на то, что перед нами 3V источник питания с размерами 20х3,2 мм.

У «плоских» элементов питания формат 3R12 соответствует 3-м типоразмерам R12 (больше не производятся). Модель 6F22 9V соответствует 6-ти источникам питания F22 или последовательно соединенным элементам АААА.

Форматы литиевых аккумуляторов

Обычно литиевые аккумуляторы производятся с привычными контактами:» +» в виде выступа на торце и» –» в виде рельефной или плоской площадки. Также в них могут быть предусмотрены контакты под пайку.

В зависимости от химического состава различают источники питания: Li-ion, Li-Po, Li-Mn, LFP, Li-FeS, LTO.

В зависимости от входящих в состав химических элементов цилиндрические источники питания маркируются так:

  • ICR – содержащие кобальт;
  • IMR – имеющие в составе марганец;
  • INR – содержащие никель и марганец;
  • NCR – имеющие в составе никель и кобальт, а в роли изолятора – оксид алюминия.

В частности, обозначение ICR18650 характерно для цилиндрических элементов питания на основе кобальта с диаметром 18 мм и длиной 65 мм. По внешнему виду они напоминают батарейки АА, но превышают их по величине.

Такие аккумуляторы востребованы в фонарях и других приборах, нуждающихся в высокой емкости, а также используются для сборки аккумуляторных батарей с различными параметрами.

Наиболее распространены элементы с номинальным напряжением 3,7 В.

Источник:

Литиевые батарейки: характеристики, правила зарядки

Литиевые батарейки — самые ходовые и популярные источники питания. Трудно сказать, где их сейчас нет. С одной стороны, это замечательно: Li Ionаккумуляторы имеют высокие показатели емкости и могут служить гораздо дольше других АКБ, но у них тоже имеются свои специфические особенности, которые стоит учитывать как при эксплуатации, так и в процессе зарядки.

Основные показатели и отличия от щелочных АКБ

В общих чертах, главные характеристики Li-Ion элементов питания — это постоянство показателей напряжения, высокий уровень емкости и большой энергетический ресурс, обусловленный спецификой их химического состава. Все литиевые батарейки состоят из катода и анода, их друг от друга отделяют диафрагма и сепаратор. Диафрагма имеет специальную органическую пропитку (ниже представлено фото).

Кроме того, емкость Li Ion батареек не имеет зависимости от нагрузочного тока, и именно это обеспечивает их максимально долгий срок службы — гораздо дольше, чем у щелочных, имеющих те же самые характеристики емкости. Элементы питания отличаются длительными сроками хранения и эксплуатации (в лучшем случае, до 12 лет), устойчивостью к высокой и низкой температуре и возможностью их изготовления в разных формах.

Более дешевыми и не менее популярными среди потребителей являются «предшественники» Li Ion АКБ — обычные щелочные батарейки, получившие название алкалиновых (на основании маркировки импортных моделей).

Они и по сей день применяются в игрушках для детей, некоторых моделях плееров, бытовых фонариках.

Однако они хуже справляются с более высокими нагрузками, и в фотоаппарате или ноутбуке алкалиновые элементы уже будут неэффективными по причине того, что разражаться они будут очень быстро.

Именно литиевые батарейки способны работать при постоянных и высоких нагрузках: любимые человечеством предметы техники на современном этапе используются почти в непрерывном режиме.

Существует множество примеров того, как литий-ионные аккумуляторы хранились долгое время без интенсивного использования, и качество их работы для пользователей не становилось хуже.

Например, старый мобильный телефон с Li Ion АКБ, пролежавший в ящике пару лет, вполне может еще поработать, если батарейку хорошо зарядить. Безусловно, со временем показатели емкости у этих элементов заметно уменьшаются.

Но поскольку они имеют очень мощный энергетический ресурс, немудрено, что их характеристики уже давно обогнали популярные щелочные аналоги.

Виды литиевых АКБ

Кроме основного элемента (лития), в этих аккумуляторах могут присутствовать и другие химические вещества.

«Начинка» литий-ионного элемента может содержать:

  • диоксид марганца;
  • оксид меди;
  • серный диоксид;
  • йод;
  • дисульфид железа;
  • полифторуглеродные соединения;
  • тионилхлорид.

Для широкого использования эти электрохимические различия не играют решающей роли. Важно то, что любое из этих соединений способно обеспечить оптимальную работу электрохимического источника питания.

Также литий-ионные АКБ могут иметь разный внешний вид, в зависимости от исполнения и целей их применения. Например, аккумуляторы 18650 имеют привычную корпусную форму в виде металлических «банок». Они широко применяются в шуруповертах и ноутбуках.

Есть элементы прямоугольной формы, которые могут быть совсем плоскими (они устанавливаются в современные виды смартфонов и айфонов), а есть и гель-полимерные аккумуляторы, выполненные в форме блестящих пакетов с повышенным уровнем герметизации (их можно увидеть в планшетах и айпадах).

Номинальное напряжение любой литий-ионной батарейки, независимо от ее химического состава, составляет 3,7 вольт.

Немного о литии

Сам литий представляет собой металл, имеющий очень высокую мягкость и пластичность. Именно это в конечном итоге позволило изготавливать тонкие и легкие элементы, столь удобные в эксплуатации и высокие по мощности.

Производить АКБ на основе лития начали еще в 70-х годах ХХ века.

Известно, что первые опыты такого производства часто были сопряжены с опасностью — многие батарейки взрывались, часто по причине перегрева или иных казусов, связанных с неправильной эксплуатацией.

Со временем специалисты научились изготавливать батарейки, имеющие улучшенные характеристики. Однако обращаться с такими аккумуляторами и по сей день следует очень осторожно.

В сети существует большое количество фото и видео, на которых любители острых ощущений запечатлевали моменты взрыва сотовых телефонов или планшетов. Повторять подобные опыты, конечно же, не рекомендуется.

«Безопасный литий» в облике надежных и емких аккумуляторов получили путем комбинирования лития с твердоорганическими электролитами. К тому же, идея полного отказа от электролита на водной основе позволила получить наиболее емкие и мощные модели.

Например, две литиевые батарейки на 3V успешно заменяют четыре или пять алкалиновых, что делает значительно проще эксплуатацию многих приборов в быту. Конечно, высокая химическая активность лития по-прежнему остается потенциальной «гремучей смесью». Особенно в случае беспечного отношения к таким АКБ.

Но, в целом, элементы вполне безопасны и по-прежнему очень надежны.

Роль защитной платы

Большую роль в предотвращении перегрева и воспламенения батарейки играет встроенная внутрь каждого элемента защитная плата. Она предотвращает короткие замыкания, переразряд и перезаряд, но главное — возможный перегрев. Безусловно, все литиевые элементы от надежных и проверенных производителей оснащены такой платой, на которой находятся клеммы элемента.

На фото: защитная плата литий-ионного аккумулятора.

Любая плата имеет шестиуровневый контроллер заряда-разряда, который всегда отключит АКБ от нагрузки в том случае, если она полностью разрядилась или, наоборот, если уровень ее заряда достигает показателя в 4,25 вольт.

Самые лучшие АКБ

Иногда спрашивают о том, какие Li Ion АКБ являются самыми современными. В последнее время широко рекламируются элементы Ultimate lithium от Energizer именно как лучшие литиевые батарейки последнего поколения.

Они были разработаны для бытовых приборов с высоким уровнем потребления энергии (мощные фонари, фотокамеры, большие говорящие игрушки для детей).

Рекламщики утверждают, что Ultimate lithium — это даже не аккумуляторы, а «элементы, которые никогда не нужно будет перезаряжать» — вследствие того, что их мощности хватает больше, чем на 12 лет.

Конечно, такое утверждение — всего лишь рекламный ход, и заряжаются эти АКБ обычным образом. Однако показатели их работы, действительно, очень высоки:

  • способность выдерживать большие температурные перепады;
  • работают при самых низких температурах —  -40-60°С;
  • самые легкие среди других литиевых аналогов;
  • высокая емкость — 3000 А;
  • утверждается, что срок их службы может достигать 15 лет.

Правильная зарядка

Самый верный способ, который максимально продлит и улучшит их работу, — это двухэтапная зарядка литиевых батареек. Только таким образом АКБ заряжается полноценно, и ее емкость используется в полной мере, без снижения потенциала в течение долгого периода времени.

Как заряжать литиевые аккумуляторы на первом этапе? Только постоянным током, который не должен превышать 0,2-0,5 С ( где С — это емкость АКБ). В крайнем случае, можно немного ускорить процесс, увеличив ток максимум до 1,0 С.

К примеру, если емкость АКБ составляет 3000 мАч, а начальный ток от 600 до 1500 миллиампер, ускоренный ток должен находиться в пределах 1,5-3 ампер. Конечно, в данном случае должно применяться ЗУ с опцией настройки напряжения.

Выражаясь простым языком, на начальном этапе зарядки устройство служит в качестве классического стабилизатора тока.

Важно помнить о том, что все литиевые АКБ оснащены защитной платой. Следовательно, показатель U «на холостом ходу» не должен превышать уровня 7 вольт. Высокое напряжение может погубить плату.

На протяжении процесса зарядки нужно осуществлять постоянный контроль напряжения. При его подъеме до 4,2 вольт следует знать о том, что батарейки восполнили свою емкость примерно на 80 процентов. Теперь нужно перейти к другому этапу зарядки.

Второй (и последний) шаг зарядки должен проводиться с помощью постоянного U, но снижающимся показателем уровня тока.

Зарядник поддерживает U в пределах 4,14-4,24 вольт и регулирует ток, который постепенно становится меньше. При снижении показателя тока до 0,05-0,01 С можно считать зарядку завершенной.

Остается добавить, что недостающий процент своей емкости, до 100%, аккумуляторы «добирают» в процессе второго этапа.

Читайте также:  Лучший Power bank на солнечных батареях

Техника безопасности

Как уже было сказано, нельзя допускать перегревания литий-ионных аккумуляторов, например, оставлять гаджеты с ними на солнце или в местах, где возможно воспламенение.

Не следует самостоятельно вскрывать такой элемент питания и пытаться их восстанавливать — техника восстановления никель-кадмиевых элементов к ним не должна применяться.

Также следует покупать аккумуляторы только у проверенных производителей, чтобы не приобрести «паленые» батарейки, в которых может отсутствовать защитная плата.

Правильная эксплуатация и зарядка обеспечат то, что батарейки будут служить исправно и не потеряют своей емкости в течение долгого времени.

Источник:

Современные типы литиевых батарей

С момента изобретения аккумуляторных батарей литиевого типа, они снискали огромную популярность в мире.

Практичные, износоустойчивые, рассчитанные на длительный период эксплуатации, эти элементы питания с успехом поддерживают работоспособность не только различной электроники, но и большинства современных индивидуальных транспортных средств с электродвигателями: от складных электровелосипедов и самокатов до гироскутеров, моноколес и сигвеев.

Постепенно их берут на вооружение и автомобилестроительные компании, создающие более габаритную технику.Способствует росту спроса на эту продукцию и тот факт, что в мире постоянно создаются новые виды Li-ion аккумуляторов, возникают более совершенные конструкции, а инженеры постоянно бьются над решением проблемы изобретения долговечной, легкой, экономно расходующей заряд и, в то же время, достаточно мощной батареи.

  • Самый популярный формат мощного литиевого аккумулятора – литий-ионные. Они поставляются на рынок с разным объемом, с разными токами разряда. Чтобы добиться изменения характеристик батареи, производители прибегают к различным манипуляциям.
  • Например, наращивают слой электродной массы на фольге, чтобы увеличить удельные показатели устройства. Также с этой целью могут корректироваться толщина электрода или сепаратора,

изменяться размеры элементов в составе активной массы, выбираться разные материалы для производства электродов.

Традиционно, те из Li-батарей, которые рассчитаны на работу со стартерами, выполняются с максимальной мощностью, в то время как элементы питания мобильных девайсов и всевозможной электроники делаются с упором на большую емкость.

Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:

  • Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.
  • Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокоймощности, достаточно безопасный, однако характеризующийся не слишком большой емкостью. Их чаще всего поставляют в качестве комплектующих электровелосипедов: как горных, так и складывающихся. Подобные решения имеют небольшой вес, демонстрируют отличную скорость зарядки, но отличаются не слишком большой долговечностью. Впрочем, совсем недавно ученые сумели совместить литий-марганцевые конструкции с литий-никель-марганец-кобльтовыми, получив, в результате, более продвинутую батарею с хорошей энергоемкостью и продленным сроком службы.
  • Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи.. В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ — хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
  • АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
  • Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.
  • Литий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур — главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания.

Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2.

Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

Форматы и размеры литиевых аккумуляторов

В зависимости от конструкции электрода выделяют рулонные системы (скрученные вокруг пластины) и цилиндрические, составленные из набора элементов (традиционная основа призматических батарей). Рулоны просто собирать, но они максимально эффективны только там, где требуются малая емкость и мощность.

Цилиндрические батарейки оснащаются винтовыми борнами или стандартными контактными площадками (в качестве токовыводов). Среди мелкогабаритных наиболее распространены форматы аккумуляторов Li-ion 18650, напоминающие обычные пальчиковые батарейки.

В зависимости от конструкции корпуса различают цилиндрические, призматические устройства, а также оснащенные фольговой оболочкой.

  • Цилиндрический корпус выгоден за счет того, что он обеспечивает минимальное изменение объема элемента питания в ходе его продолжительного использования. Электроды в таких АКБ всего представлены в виде рулонов.
  • Призматические системы могут снабжаться винтовыми борнами или контактными площадками под лепестки. Их очень часто задействуют при сборке электротранспорта, особенно – на заводах компаний азиатского региона.
  • Ламинированная фольга в качестве корпуса стала популярна после широкого распространения литий-полимерных АКБ. В них применяется особый электролит на полимерах с гелем и ионами лития. Это мягкий и гибкий материал, который мало весит и его удобно запаивать в фольгу. Токовыводы у таких аккумуляторов могут быть как на одной стороне, так и на разных.

В зависимости от конкретных задач, которые ставятся перед аккумуляторами, они могут принимать различные формы. Например, для электровелосипедов часто закупается литий ионный аккумулятор тип бутылка – его удобно монтировать на двухколесном транспортном средстве, встраивать в раму.

Размеры литий ионных батарей

Для определения формата аккумулятора литий-ион была разработана универсальная система маркировки АКБ. Каждый элемент питания, попадающий на рынок, обозначается буквенно-циферной комбинацией, в которую закладываются данные о его габаритах, составе, форме. Читать маркировку цилиндрических батарей следует таким образом:

  1. первая пара цифр говорит о диаметре изделия, указанном в миллиметрах;
  2. вторая пара цифр указывает на длину батареи;
  3. последнее значение является ссылкой на форму элемента питания (в случае с наиболее распространенными цилиндрическими устройствами их форма будет обозначена как 0).

Существует множество типоразмеров АКБ формы цилиндр: от небольших 10180 (диаметр – 10 мм, длина – 18 мм) и 10280 (диаметр – 10 мм, длина – 28 мм) до габаритных 32650 (диаметр – 32 мм, длина – 65 мм), 42120 (диаметр – 42 мм, длина – 12 мм).

Обозначение аккумуляторов класса;таблетка несколько иное. На их тип указывают буквы CR, вводимые в начале маркировки, далее следует две цифры – ссылка на диаметр в миллиметрах и еще две последующие – высота изделия (в десятых долях миллиметров).

Для нужд отрасли и упрощения подбора аккумуляторов производителями и покупателями были разработаны специальные сводные таблицы типоразмеров. Заглядывая в них можно увидеть тип, маркировку каждого аккумулятора и схожие с ним типоразмеры.

Читая данные таблицы, стоит, однако, принимать во внимание, что указанные в них параметры только примерно отражают характеристики изделий.

Например, толщина защитной платы может быть 3 миллиметра, а наружное покрытие значительно больше, чем на стандартных батарейках.

Дополнительно в маркировках производители часто указывают химические элементы, входящие в состав аккумуляторных батарей. Например, согласно общепринятому стандарту, ICR является обозначением кобальта, NCR – никеля и кобальта, IMR – марганца, INR – никеля и марганца.

Например, значение IMR22650, обнаруживаемое на батарейке, указывает на цилиндрическую перезаряжаемую батарею, выполненную на базе марганца, имеющую диаметр 22 миллиметра, а длину – 65 миллиметров.

Если тема литий-ионных АКБ и их разновидностей заинтересовала вас, рекомендуем посмотреть видео, посвященное сравнению видов различных исполнений аккумуляторов:

Источник:

Особенности аккумуляторов на основе лития

Детально рассмотрен данный тип аккумуляторов и технические аспекты их функционирования, а также конструкция и принцип работы, разработанных к настоящему времени литий-ионных аккумуляторов.

В заключении рассмотрены тенденции развития указанного класса изделий, следуя которым, по мнению авторов статьи, можно улучшить и расширить применение литий-ионных аккумуляторов в различных областях техники.

Введение

В последние годы ученые и инженеры-разработчики электронной аппаратуры все большее внимание уделяют аккумуляторам, которые могут обеспечивать длительное автономное питание электронных устройств. Итак, литий-ионные аккумуляторы — тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике.

В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в мобильных телефонах, поэтому чрезвычайно важно знать, как правильно пользоваться литиевыми источниками питания.

В данной статье будут озвучены основные особенности устройства и использования Li-ion батарей, а также некоторые практические советы по их эксплуатации.

Литий-ионные аккумуляторы

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году. Но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые появились в бытовых устройствах.

Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (рис.

1) оказались неудачными из-за возникших проблем в обеспечении безопасности их эксплуатации, так как литий является очень активным щелочным металлом [1].

Таким образом, исследователи повернули 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.

Рис. 1. Литий-ионные аккумуляторы

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов — обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd-аккумуляторов, а в перспективе, с применением новых активных материалов, предполагается ее увеличить и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd-аккумуляторами.

На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов. Рассмотрим достоинства и недостатки, свойственные всем их типам.

Достоинства инедостатки

Основными преимуществами Li-ion-аккумуляторов являются:

  • ‒ 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) упрощает конструкцию. Многие изготовители сегодня ориентируются на применение для сотовых телефонов именно такого одноэлементного аккумулятора. Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо чтобы он мог отдавать более высокий ток. А это возможно только при низком внутреннем сопротивлении аккумулятора.
  • ‒ низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов), поскольку отсутствует эффект памяти и не требуются периодические циклы разряда для восстановления емкости.

Основными недостатками Li-ion-аккумуляторов являются:

  • ‒ необходимость встроенной схемы защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет его от слишком низкого напряжения на элементе при разряде. Кроме того, она должна ограничивать максимальные токи заряда и разряда и контролировать температуру элемента.
  • ‒ аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion-аккумуляторов.

Небольшое уменьшение емкости заметно после одного года, вне зависимости от того, используется аккумулятор или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к эксплуатации.

Для уменьшения процесса старения необходимо хранить заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.

  • ‒ более высокая стоимость по сравнению с NiCd-аккумуляторами.

По удельным характеристикам Li-ion аккумуляторы лидируют среди массово выпускаемых и занимают одно из первых мест среди применяемых электрохимических систем.

Li-ion аккумуляторы обладают высокой удельной энергией (до 190 Вт•ч/кг), высоким разрядным напряжением (3,4–4 В и более, в зависимости от используемых электродных материалов), очень низким саморазрядом (менее 3 % в месяц) и длительным сроком службы (более 1000 циклов заряда/разряда, до снижения емкости на 20 % от номинальной к тысячному циклу). В зависимости от материалов и конструкции эти аккумуляторы могут работать в интервале температур от –40 до +80°C. При этом их стоимость постоянно снижается, а область применения расширяется. На рис. 2 показаны возможные сочетания удельной энергии и удельной мощности у аккумуляторов различных типов.

Рис. 2. Удельные характеристики различных типов аккумуляторов

Строение иклассификация литий-ионных аккумуляторов

Деление Li+ аккумуляторов на высокомощные, высокоемкие и промежуточные, занимающие место между двумя приведенными классами, носит условный характер (синие области на рис.2). Суть этого разделения в следующем.

Даже с учетом одного и того же электрохимического процесса сам аккумулятор, как конечное изделие, можно изготовить по-разному (рис. 3).

Например, токопроводящую основу электрода (алюминиевая фольга на положительном электроде, медная — на отрицательном) в одном случае можно сделать тоньше и электродной массы нанести больше, а в другом — наоборот.

Чем больше соотношение активных электродных масс, участвующих в электрохимических реакциях, к пассивным, не участвующим в них, тем выше удельные характеристики конечного изделия. Однако, чем меньше толщина медной фольги, тем меньший ток она может пропустить без перегрева.

И наоборот, чем больше толщина слоя электродной массы, тем больше его сопротивление. То есть аккумулятор с более тонкой токопроводящей основой и более толстым слоем электродной массы будет иметь высокие показатели по запасаемой энергии, но низкую мощность, и наоборот. Поэтому для еще большего снижения сопротивления применяют активные материалы с меньшим размером частиц.

Варьируя толщину электродов, фольги, сепаратора и материалы положительного и отрицательного электрода, размеры частиц, производители могут изготовить аккумулятор с различными максимальными токами разряда и/или различной емкости в одном и том же типоразмере конечного изделия.

Высокомощные аккумуляторы (с высокими токами разряда) должны иметь и более массивные токовыводы, что предохраняет аккумулятор от перегрева при больших значениях тока.

К тому же для увеличения тока разряда в состав электролита и активных масс можно вносить всевозможные добавки, увеличивающие проводимость [2].

Рис. 3. Строение Li-ion аккумулятора

Высокоемкие аккумуляторы обычно имеют небольшие размеры борнов (токосъемников) в сравнении с объемом корпуса аккумулятора. Такие борны рассчитаны на относительно малые токи разряда. Например, если аккумулятор имеет емкость 10 А/ч, то максимальный ток разряда составит 20 А (получасовой режим).

Высокоемкие и высокомощные аккумуляторы предназначены для разных задач и имеют различное назначение, хотя иногда их совместно эксплуатируют в одном изделии: одни для стартерных режимов, другие — для питания слаботочной аппаратуры.

Принцип заряда

Метод заряда Li-ion аккумуляторов можно условно разделить на четыре этапа, это показано на рис. 4.

Рис. 4. Этапы зарядки Li-ion аккумуляторов

1) Подготовительный этап

Подготовительный этап необходим, когда напряжение на аккумуляторе ниже некоторого установленного значения. При долгом хранении аккумулятора вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения функционирования(СОФ) его напряжение может упасть.

Малый ток заряда обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют, после чего включается основной ток заряда. Данный режим призван обеспечить более долгую жизнь аккумулятора при выходе его из заданного диапазона напряжений.

Подготовительный этап применяется и в случае заряда аккумулятора при низких температурах, например ниже +5°C — для «разогрева» электродных масс.

Первоначальный заряд малым током используется и для обеспечения безопасности аккумулятора при заряде. Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности.

Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация.

Хотя СОФ имеет температурный датчик, при быстром заряде и относительно большой теплоемкости аккумулятора и высоком конечном значении теплопроводности разгерметизация может произойти немного раньше, чем СОФ отключит аккумуляторы от заряда.

Функция заряда малым током часто возлагается не на зарядное устройство, а на СОФ батареи. В схеме СОФ это может быть дополнительный MOSFET транзистор, управляющий зарядом, включенный через последовательный резистор, ограничивающий ток, подключенный к аккумуляторной батарее.

2) 1этап

На этом этапе заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости аккумулятора (Сн). Например, емкость аккумулятора 10 А·ч, номинальный ток заряда 0,2Сн, то есть 2 А — пятичасовой режим заряда.

Понятно, что потребитель хочет, чтобы заряд осуществлялся как можно быстрее — в течение 1–2 ч, что соответствует 0,5–1Сн. Такой режим заряда обычно называют ускоренным. Для нормальной работы аккумулятора номинальный ток заряда лежит в пределах 0,2–0,5Сн, а ускоренный, как уже говорилось, — в диапазоне 0,5–1Сн.

Каким максимальным током можно заряжать тот или иной аккумулятор, можно узнать в документации на конкретный тип устройства.

Чем выше ток заряда, тем меньше аккумулятор «наберет» емкости и тем пристальней необходимо следить за разогревом, чтобы его температура не вышла за установленный предел. При большом токе заряда существенно продлевается время 2-го этапа (рис. 4), когда ток постепенно падает до определенного предела.

Так, например, при токе заряда 1Сн и отводимом на заряд времени в 1 ч аккумулятор достигнет своего конечного напряжения за 45–50 мин. Любой аккумулятор имеет внутреннее сопротивление.

Падение напряжения на внутреннем сопротивлении при большом токе заряда приведет к более быстрому достижению конечного зарядного напряжения. При достижении конечного напряжения заряд перейдет ко второму этапу — падающему току при постоянном напряжении. За оставшееся время 10–15 мин.

аккумулятор «наберет» еще 0,1–0,15Сн, что в сумме составит не более 0,85–0,95Сн. При более коротком режиме заряда и лимите времени зарядная емкость будет еще меньше.

Ускоренный и номинальный режим заряда необходимо чередовать, особенно при заряде батарей, состоящих из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. При номинальном токе заряда возрастает его продолжительность.

Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [3].

Чем больше время такой балансировки, тем лучше будут сбалансированы аккумуляторы по емкости и, в конечном итоге, батарея отдаст емкость, близкую к номинальной при разряде.

3) 2 этап

Второй этап — это заряд при постоянном напряжении и падающем до определенного значения токе. Например, процесс считается завершенным при установлении тока заряда менее 0,1–0,05Сн (в нашем примере 100 мА). Время заряда падающим током также зависит от срока службы и количества циклов заряд/разряд

После окончания заряда напряжение на аккумуляторе падает на 0,05–0,1 В (рис. 4), приходя к своему равновесному состоянию. Держать аккумулятор продолжительное время (десятки часов) при конечном напряжении (например, 4,2–4,3 В) не рекомендуется, поэтому после фазы падающего тока желательно прекратить заряд [4].

Производители электроники предоставляют уже готовые схемотехнические решения, реализующие описанный выше алгоритм заряда, выполненные в одном корпусе микросхемы — например МАХ1551, МАХ745 и т. д. Одна из популярных микросхем, применяемых для заряда Li-ion аккумуляторов мобильных телефонов, фототехники и т. д. от сети постоянного тока 12–24 В — MC34063.

4) Stand by этап

Если Li-ion аккумуляторная батарея должна быть в зарядном устройстве для эксплуатационной готовности, то некоторые зарядные устройства применяют кратковременный подзаряд аккумулятора, чтобы компенсировать его небольшой саморазряд. Зарядное устройство срабатывает, когда напряжение в цепи падает до 4.

05 В/батарею и выключить при достижении 4.20 В/батарею. Зарядные устройства, сделанные для работы в режиме эксплуатационной готовности, или режиме ожидания, часто дают упасть напряжению до 4.00 В/батарею и зарядиться только до 4.05 В/батарею вместо 4.20 В/батарею.

Это приводит к продлению срока службы батареи [5].

Применение итенденции развития

Литий-ионные технологии находятся лишь на старте реализации потенциала и повсеместного промышленного внедрения. В частности Li-ion аккумуляторы применяются в авиалайнерах, автомобилях, суднах.

Например, компания Boeing улучшила саму технологию производства аккумуляторов так, чтобы предотвращать прорыв элементов при повышении температуры, и изменила их конструкцию с уменьшением тепловыделения. Кроме того, была усовершенствована система зарядки.

И наконец, специалисты Boeing разработали новую конструкцию батарейного отсека, которая могла бы защитить самолет в случае, если отказ аккумуляторов все-таки произойдет. Еще одна сфера, где применение литий-ионных технологий дало качественный скачок в развитии целой индустрии — это электромобили.

Одним из лидеров по разработке, производству и продвижению электромобилей на литий-ионных аккумуляторах является американская компания “Tesla Motors”. Для обеспечения своих автомобилей источниками питания компания даже планирует построить завод по производству литий-ионных аккумуляторов полного цикла.

Помимо этого, в 2016 году в Норвегии планируют спустить на воду электропаром. Судно, разработанное специалистами немецкой компании “Siemens” и норвежской судоверфи “Fjellstrand”, будет оборудовано двумя электродвигателями, работающими от литий-ионных аккумуляторов, и сможет перевозить на борту 120 автомобилей и 360 пассажиров.

Еще одним примером является японская компания “Hirobo” из Хиросимы, инженеры которой сконструировали одноместный электрический вертолет “Hirobo Bit”, развивающий скорость до 100 км/ч. Электрический двигатель, в отличие от обычных, работает практически бесшумно, а одного заряда аккумуляторов хватает на 30 минут непрерывного полета.

Таким образом дальнейшее развитие Li-ion аккумуляторов направлено на увеличение мощности и емкости при минимизации размеров.

В частности, применение кремниевых нанопроводов вместо графитовых анодов позволит втрое увеличить емкость аккумуляторных батарей и до 10 минут сократить время их зарядки.

Использование Li-ion аккумуляторов большой емкости приведет к повышению экологичности за счет снижения выбросов углекислого газа у транспортных средств более, чем на 25 %.

Выводы

Сегодня Li-ion аккумуляторы по праву считаются лучшими электрохимическим источниками электропитания различных устройств. Благодаря относительно малому весу и большой удельной емкости они наиболее часто применяются в мобильных устройствах.

За счет развития науки и техники Li-ion аккумуляторы преодолели свои главные недостатки: стабильность работы и большие токи разряда, чем потеснили никель-металлгидридные (Ni-MH) и никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. В дальнейшем планируется увеличить эффективность Li-ion аккумуляторов еще в два раза, что позволит полностью заменить аккумуляторы указанных выше типов.

Кроме того, были специально разработаны Li-polymer аккумуляторы, которые обладают еще большей емкостью и надежностью по сравнению с Li-ion аккумуляторами.

В 2014 году французскими учеными были разработаны Na-ion аккумуляторы, которые в настоящее время являются наиболее эффективными из всех известных типов аккумуляторов, которые сейчас проходят завершающую стадию доработки и тестирования, что позволит в перспективе заменить ими Li-ion и Li-polymer аккумуляторы.

Источник:

akkummaster.com

ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток разновидностей, каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Li-ion батареи

Литий-ионные аккумуляторы - это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

LTO батареи

Литий-титанат (титанат лития) - это относительно новый класс литий-ионных АКБ - (подробнее читайте тут). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

  • Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
  • Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
  • Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
  • Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
  • Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
  • Срок годности: >10 лет
  • Саморазряд: 2-5 %/месяц
  • Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
  • Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
  • Температура: от -40 до +55°C
  • Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Li-Polymer батареи

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

  • Номинальное напряжение: 3,7 В
  • Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
  • Ток заряда, скорость: 0.2-10С
  • Предельное напряжение разряда: 2.5 В
  • Скорость разряда: до 50С
  • Выносливость в циклах: 400 циклов

LiFePO4 батареи

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Li-SO2 батареи

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) - эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

  • Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
  • Чрезвычайно низкий саморазряд
  • Работоспособность в экстремальных условиях 
  • Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) - такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании. 

Особенности:

  • Высокая плотность энергии
  • Очень стабильное напряжение разрядки
  • Более чем 10-ти летний срок хранения
  • Рабочая температура: -40 до +60°С

Li-SOCL2 батареи

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

  • Высокая плотность энергии
  • Долгий срок годности при хранении
  • Широкий температурный диапазон
  • Хорошая герметизация
  • Стабильное разрядное напряжение

Li-FeS2 батареи

Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.

   Справочники радиодеталей
УСИЛИТЕЛЬ НА ТРИОДАХ

ЛАМПОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ SE

ТРЕХФАЗНЫЙ ВАТТМЕТР С WIFI

elwo.ru

Типы литий-ионных аккумуляторов (Li-ion)

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 30.03.2016 23:38 Автор: Abramova Olesya

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.

Гексагональный график (рисунок 2) суммирует производительность литий-кобальтового аккумулятора с точки зрения таких характеристик - удельная энергоемкость, которая отвечает за время работы; удельная мощность, или способность обеспечить большую силу тока; безопасность; производительность при высоких и низких температурах; срок службы и долговечность; стоимость. Другими важными характеристиками, не учтенными на этом графике, являются токсичность, возможность быстрой зарядки, саморазряд и срок возможного хранения. (Смотрите: Принцип “восьмигранной” батареи - что делает батарею батареей).

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 анодСокращенное 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
Количество циклов заряда/разряда 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 анодСокращенное 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.

Аккумуляторы EverExceed

OPzS NI-CD OPzV
20 лет / 1500 циклов 25 лет / 2000 циклов 20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

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 анодСокращенное 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 1000-2000 (зависит от глубины разрядов и температуры)
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 анодСокращенное 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
Комментарий Очень ровный график разряда, но небольшая емкость. Один из самых безопасных в семействе литий-ионных. Используется в специализированных устройствах. Повышенный саморазряд.

Таблица 10: Характеристики литий-железо-фосфатного аккумулятора.

5. Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор (LiNiCoAlO2)

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный аккумулятор, или сокращенно NCA, был разработан в 1999 году и схож с NMC аккумулятором, выделяясь высокой удельной энергоемкостью, достаточно хорошей удельной мощностью и длительным сроком службы. Слабыми местами являются безопасность и стоимость. На рисунке 11 приведены шесть ключевых характеристик этого аккумулятора. NCA электрохимическая система представляет собой дальнейшее развитие литий-никелевой, добавление алюминия дало повышение стабильности.

Рисунок 11: Оценка характеристик NCA аккумулятора. Высокие показатели энергоемкости и плотности энергии вкупе с хорошей долговечностью делают NCA аккумуляторы интересными для электротранспорта. Но высокая стоимость и показатели безопасности являются недостатком этой электрохимической системы.

Таблица характеристик

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксид: LiNiCoAlO2 катод (~9% кобальта), графитовый анодСокращенное обозначение: NCA или Li-алюминий
Напряжение 3,60 В номинальное; стандартный рабочий диапазон — 3,00-4,20 В на ячейку
Удельная энергоемкость 200-260 Вт*ч/кг, ожидается улучшение до 300 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки 0,7С, зарядка до 4,20 В (большинство версий); процесс зарядки обычно занимает 3 часа, для некоторых версий доступна быстрая зарядка
С-рейтинг разряда 1С стандарт; при 3,00 В срабатывает отсекатель; глубокие разряды укорачивают срок службы
Количество циклов заряда/разряда 500 (зависит от глубины разрядов и температуры)
Тепловой пробой Обычно при 150°С. Полный заряд способствует тепловому пробою
Области применения Медицинское оборудование, промышленность, электрические силовые агрегаты
Комментарий По характеристикам очень похож на литий-кобальтовый. В основном используется в устройствах, требующих высокие показатели емкости

Таблица 12: Характеристики литий-никель-кобальт-алюминий-оксидного (NCA) аккумулятора.

6. Литий-титанатный аккумулятор (Li4Ti5O12)

Аккумуляторы с титанатом лития в составе известны еще с 1980-х. В классическом литий-ионном аккумуляторе анод графитовый, в рассматриваемом же - из нанокристаллов титаната лития. Графит присутствует в составе литий-титанатного аккумулятора, но уже в роли катода. У этого аккумулятора номинальное напряжение ячейки составляет 2,40 В, он может быть очень быстро заряжен и обеспечивает высокий ток разряда - 10С, то есть в 10 раз превышающий показатель его емкости. Количество циклов заряда/разряда больше, чем у обычного литий-ионного. Литий-титанатный аккумулятор безопасен, имеет отличные низкотемпературные характеристики - при минус 30°С его емкость сохраняется на уровне 80%. Но стоимость такого аккумулятора высока, а показатель удельной энергоемкости в 65 Вт*ч/кг позволяет конкурировать разве что с никель-кадмиевым. Номинальное напряжение ячейки литий-титанатного аккумулятора составляет 2,80 В; работоспособным аккумулятор считается до значения 1,80 В. На рисунке 13 представлены характеристики литий-титанатного аккумулятора. Его типичные области применения – электрические силовые агрегаты, системы аккумулирования электроэнергии и уличное освещение на солнечных элементах.

Рисунок 13: Характеристики литий-титанатного аккумулятора. Литий-титанатные аккумуляторы имеют отличные показатели безопасности, производительности при низких температурах и долговечности. Ведутся разработки по увеличению удельной энергоемкости и удешевлению производства.

Таблица характеристик

Титанат Лития: графитовый катод, Li4Ti5O12 анодСокращенное обозначение: LTO или Li-титанат
Напряжение 2,40 В номинальное; стандартный рабочий диапазон — 1,80-2,75 В на ячейку
Удельная энергоемкость 70-80 Вт*ч/кг
С-рейтинг зарядки 1С номинальное; 5С максимальное; зарядка до 2,85 В
С-рейтинг разряда 10С допустимо; 30С импульс (5 секунд); при 1,80 В срабатывает отсекатель
Количество циклов заряда/разряда 3000-7000
Тепловой пробой Один из самых безопасных литий-ионных аккумуляторов
Области применения ИБП, электрические силовые агрегаты (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit-EV),уличное освещение на солнечных элементах
Комментарий Длительный срок службы, быстрая зарядка, широкий температурный диапазон, но низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость. Наиболее безопасная литий-ионная аккумуляторная батарея.

Таблица 14: Характеристики литий-титанатного аккумулятора.

На рисунке 15 сравнивается удельная энергоемкость свинцовых, никелевых и литиевых электрохимических систем. В то время как литий-алюминиевая (NCA) система является явным победителем по этому параметру, не стоит забывать и о других важных характеристиках, где преимущество находится у других систем. В отношении удельной мощности и термической стабильности лидерами являются литий-марганцевая (LMO) и литий-фосфатная системы (LFP). Литий-титанатная (LTO) не отличается выдающейся энергоемкостью, но по продолжительности жизни и низкотемпературным характеристикам ей нет равных. Наиболее полное соответствие требованиям питания электрических силовых агрегатов, безопасности и количеству циклов заряда/разряда по праву делают литий-кобальтовую (LCO) систему самой распространенной на сегодняшний день.

Рисунок 15: Показатели удельной энергоемкости свинцовых, никелевых и литиевых аккумуляторных батарей. NCA обладают самой высокой удельной энергоемкостью. Тем не менее, марганцевые и фосфатные превосходят по удельной мощности и термической стабильности. Литий-титанатные имеют наибольший срок службы.

Последнее обновление 2016-02-16

best-energy.com.ua

Современные типы литиевых батарей и их использование

С момента изобретения аккумуляторных батарей литиевого типа, они снискали огромную популярность в мире. Практичные, износоустойчивые, рассчитанные на длительный период эксплуатации, эти элементы питания с успехом поддерживают работоспособность не только различной электроники, но и большинства современных индивидуальных транспортных средств с электродвигателями: от складных электровелосипедов и самокатов до гироскутеров, моноколес и сигвеев. Постепенно их берут на вооружение и автомобилестроительные компании, создающие более габаритную технику.

Способствует росту спроса на эту продукцию и тот факт, что в мире постоянно создаются новые виды Li-ion аккумуляторов, возникают более совершенные конструкции, а инженеры постоянно бьются над решением проблемы изобретения долговечной, легкой, экономно расходующей заряд и, в то же время, достаточно мощной батареи.

Самый популярный формат мощного литиевого аккумулятора – литий-ионные. Они поставляются на рынок с разным объемом, с разными токами разряда. Чтобы добиться изменения характеристик батареи, производители прибегают к различным манипуляциям. Например, наращивают слой электродной массы на фольге, чтобы увеличить удельные показатели устройства. Также с этой целью могут корректироваться толщина электрода или сепаратора,

изменяться размеры элементов в составе активной массы, выбираться разные материалы для производства электродов.

Традиционно, те из Li-батарей, которые рассчитаны на работу со стартерами, выполняются с максимальной мощностью, в то время как элементы питания мобильных девайсов и всевозможной электроники делаются с упором на большую емкость.

Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:

  • Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.
  • Литий-марганцевая разработка (в основе – литий-ионная ячейка, дополненная катодом в виде шинели Li-Mn) представляет собой продукт высокой 

    мощности, достаточно безопасный, однако характеризующийся не слишком большой емкостью. Их чаще всего поставляют в качестве комплектующих электровелосипедов: как горных, так и складывающихся. Подобные решения имеют небольшой вес, демонстрируют отличную скорость зарядки, но отличаются не слишком большой долговечностью. Впрочем, совсем недавно ученые сумели совместить литий-марганцевые конструкции с литий-никель-марганец-кобальтовыми, получив, в результате, более продвинутую батарею с хорошей энергоемкостью и продленным сроком службы.

  • Литий-кобальтовые решения актуальны для техники, потребляющей небольшие токи.. В основе этих конструкций лежит анод графитового типа и катод на основе оксида кобальта. Среди достоинств таких АКБ - хорошие показатели удельной энергоемкости и отличная стоимость, в то время как среди минусов числятся малый эксплуатационный период, неустойчивость к пограничным температурам, скромная удельная мощность.
  • АКБ с фосфатом железа, ожидаемо именуемые литий-железо-фосфатными, демонстрируют отменные электрохимические свойства, высокую силу тока, малое внутреннее сопротивление, термоустойчивость. Они не портятся от неправильной эксплуатации, что обеспечивает им длительный срок службы. LiFePo-модули встречаются, преимущественно, в установках, где необходима крайняя выносливость техники, способность переносить большие токи. В частности, они отлично зарекомендовали себя в качестве элемента мощных электровелосипедов. Эти АКБ работают очень долго и отлично выдерживают нагрузки, предоставляя пользователю нужную мощность при сравнительно небольшом весе.
  • Литий-титанатные структуры имеют анод, выполненный из нанокристаллов титаната лития, плюс катод, сделанный из графита. Такое приспособление отличается от аналогов повышенной безопасностью, способностью эксплуатироваться при критичных температурах. Его крайне быстро можно зарядить и несколько дольше использовать, чем классический Li-Ion. Некоторые производители электромобилей уже положили глаз на эти аккумуляторы. Литий титанат актуален для транспорта, который используется в странах с холодным климатом или же в холодное/жаркое время года. Данные АКБ возможно заряжать и разряжать как при -50, так и при +50 градусах Цельсия.
  • Литий-полимерные аккумуляторы задействуют в роли электролита полимерный материал. Сегодня их очень часто можно встретить в конструкциях скутеров, моноколес и велосипедов с электродвигателями, а также в отдельных электромобилях! Данный вид АКБ считается одним из революционных, поскольку он отдает в десятки раз больше тока по сравнению со значением его емкости в ампер-часах. Малый вес, возможность работать в большом диапазоне температур - главные плюсы разработки. Срок ее службы составляет порядка 500 циклов.

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания. Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2. Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

Форматы и размеры литиевых аккумуляторов

В зависимости от конструкции электрода выделяют рулонные системы (скрученные вокруг пластины) и цилиндрические, составленные из набора элементов (традиционная основа призматических батарей). Рулоны просто собирать, но они максимально эффективны только там, где требуются малая емкость и мощность.

Цилиндрические батарейки оснащаются винтовыми борнами или стандартными контактными площадками (в качестве токовыводов). Среди мелкогабаритных наиболее распространены форматы аккумуляторов Li-ion 18650, напоминающие обычные пальчиковые батарейки.

В зависимости от конструкции корпуса различают цилиндрические, призматические устройства, а также оснащенные фольговой оболочкой.

  • Цилиндрический корпус выгоден за счет того, что он обеспечивает минимальное изменение объема элемента питания в ходе его продолжительного использования. Электроды в таких АКБ всего представлены в виде рулонов.

  • Призматические системы могут снабжаться винтовыми борнами или контактными площадками под лепестки. Их очень часто задействуют при сборке электротранспорта, особенно – на заводах компаний азиатского региона.
  • Ламинированная фольга в качестве корпуса стала популярна после широкого распространения литий-полимерных АКБ. В них применяется особый электролит на полимерах с гелем и ионами лития. Это мягкий и гибкий материал, который мало весит и его удобно запаивать в фольгу. Токовыводы у таких аккумуляторов могут быть как на одной стороне, так и на разных.

В зависимости от конкретных задач, которые ставятся перед аккумуляторами, они могут принимать различные формы. Например, для электровелосипедов часто закупается литий ионный аккумулятор тип бутылка – его удобно монтировать на двухколесном транспортном средстве, встраивать в раму.

Размеры литий ионных батарей

Для определения формата аккумулятора литий-ион была разработана универсальная система маркировки АКБ. Каждый элемент питания, попадающий на рынок, обозначается буквенно-циферной комбинацией, в которую закладываются данные о его габаритах, составе, форме. Читать маркировку цилиндрических батарей следует таким образом:

  1. первая пара цифр говорит о диаметре изделия, указанном в миллиметрах;
  2. вторая пара цифр указывает на длину батареи;
  3. последнее значение является ссылкой на форму элемента питания (в случае с наиболее распространенными цилиндрическими устройствами их форма будет обозначена как 0).
Существует множество типоразмеров АКБ формы цилиндр: от небольших 10180 (диаметр – 10 мм, длина – 18 мм) и 10280 (диаметр – 10 мм, длина – 28 мм) до габаритных 32650 (диаметр – 32 мм, длина – 65 мм), 42120 (диаметр – 42 мм, длина – 12 мм).

Обозначение аккумуляторов класса; таблетка несколько иное. На их тип указывают буквы CR, вводимые в начале маркировки, далее следует две цифры – ссылка на диаметр в миллиметрах и еще две последующие – высота изделия (в десятых долях миллиметров).

Для нужд отрасли и упрощения подбора аккумуляторов производителями и покупателями были разработаны специальные сводные таблицы типоразмеров. Заглядывая в них можно увидеть тип, маркировку каждого аккумулятора и схожие с ним типоразмеры. Читая данные таблицы, стоит, однако, принимать во внимание, что указанные в них параметры только примерно отражают характеристики изделий. Например, толщина защитной платы может быть 3 миллиметра, а наружное покрытие значительно больше, чем на стандартных батарейках.

Дополнительно в маркировках производители часто указывают химические элементы, входящие в состав аккумуляторных батарей. Например, согласно общепринятому стандарту, ICR является обозначением кобальта, NCR – никеля и кобальта, IMR – марганца, INR – никеля и марганца.

Например, значение IMR22650, обнаруживаемое на батарейке, указывает на цилиндрическую перезаряжаемую батарею, выполненную на базе марганца, имеющую диаметр 22 миллиметра, а длину – 65 миллиметров.

Если тема литий-ионных АКБ и их разновидностей заинтересовала вас, рекомендуем посмотреть видео, посвященное сравнению видов различных исполнений аккумуляторов:

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

electric-wheels.ru

Литий-Ионные аккумуляторы

В течение длительного времени кислотный аккумулятор был единственным устройством, способным обеспечивать электрическим током автономные объекты и механизмы. Несмотря на большой максимальный ток и минимальное внутреннее сопротивление, такие батареи имели ряд недостатков, которые ограничивали их применения в устройствах потребляющих большое количество электроэнергии или в закрытых помещениях. В этом плане литий-ионные аккумуляторы лишены многих негативных качеств своих предшественников, хотя и недостатки у них имеются.

Что такое литий ионный аккумулятор

Первые литиевые аккумуляторы появились 50 лет назад. Такие изделия представляли собой обычную батарейку, в которой для повышения уровня отдачи электроэнергии был установлен литиевый анод. Такие изделия имели очень высокие эксплуатационные характеристики, но одним из самых серьёзных недостатков являлась высокая вероятность воспламенения лития при перегреве катода. Учитывая эту особенность, учёные со временем заменили чистый элемент ионами металла, вследствие чего значительно увеличилась безопасность.

Современные li-ion аккумуляторы очень надёжны и способны выдерживать большое количество циклов заряда — разряда. Они имеют минимальный эффект памяти и относительно небольшой вес. Благодаря таким свойствам, литиевая батарея нашла широкое применение во многих устройствах. Изделие может применяться в качестве АКБ, в виде батареек для бытовой техники, а также как высокоэффективный тяговый источник электроэнергии.

На сегодняшний день такие устройства обладают несколькими недостатками:

  • высокая стоимостью;
  • не любят глубокие разряды;
  • могут умереть при низких температурах;
  • теряют емкость при перегреве.

В качестве более совершенных аналогов можно найти литий-полимерные или литий-титанатные аккумуляторы, но они стоят заметно дороже.

Как осуществляется производство li-ion АКБ

Литий-ионные аккумуляторы производятся в несколько этапов:

  1. Изготовление электродов.
  2. Объединение электродов в батарею.
  3. Установка платы защиты.
  4. Установка батареи в корпус.
  5. Заливка электролита.
  6. Тестирование и заряд.

На всех этапах производства должна быть соблюдена технология и меры безопасности, что в итоге позволяет получить качественное изделие.

В качестве катода в литий-ионных батареях используется фольга, с нанесённым на её поверхности содержащий литий веществом.

В зависимости от назначения АКБ могут быть использованы следующие соединения лития:

  • LiCoO2;
  • LiFePO4;
  • LiNiO2;
  • LiMn2О4.
Читайте также:  Никель-Кадмиевые аккумуляторы

При изготовлении цилиндрических источников электроэнергии типоразмера AA и AAA основной электрод скручивается в рулон, который отделяется от анода сепаратором. При большой площади катода, плёнка которого имеет минимальную толщину, удаётся добиться высокой энергоёмкости изделия.

Принцип работы и устройство li-ion аккумулятора

Литий ионный аккумулятор работает следующим образом:

  1. При подаче на контакты батареи постоянного электрического тока катионы лития перемещаются в материал анода.
  2. В процессе разрядки ионы лития покидают анод и проникают в диэлектрик на глубину до 50 нм.

В «жизни» литий-ионного аккумулятора таких циклов может быть до 3 000 при этом батарея может отдать практически весь электрический ток накопленный в процессе зарядки. Глубокий разряд не приводит к окислению пластин, что выгодно выделяет такие изделия по сравнению с кислотными АКБ.

Не все li-ion АКБ хорошо переносят глубокие разряды. Если подобная батарея установлена в телефоне или фотоаппарате (типа AAA), то при глубоком разряде контроллерная плата в целях безопасности блокирует возможность заряда батареи, поэтому без специального зарядного устройства зарядить ее не получится. Если это тяговая литиевая батарея для лодочного мотора, то ей глубокий разряд будет совсем не страшен.

В отличие от пальчиковых аккумуляторов сложные батареи состоят из нескольких отдельных источников электроэнергии соединённых параллельно или последовательно. Способ соединения зависит от того, какой показатель электричества необходимо увеличить.

Типоразмеры и виды li-ion батарей

Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение. Такие источники электрического тока используются в различных бытовых устройствах, гаджетах и даже автомобилях. Кроме этого, изготавливаются промышленные литий ионные аккумуляторы, имеющие большую ёмкость и высокое напряжение. Наиболее востребованными являются следующие типы литиевых аккумуляторов:

НазваниеДиаметр, ммДлинна, ммЕмкость, мАч
10180101890
102801028180
10440 (AAA)1044250
14250 (AA/2)1425250
145001450700
15270 (CR2)1527750-850
16340 (CR123A)1734.5750-1500
17500 (A)17501100
1767017671800
1850018501400
18650 (168A)18652200-3400
2265022652500-4000
25500 (тип C)25502500-5000
2665026502300-5000
32600 (тип D)34613000-6000

Первые две цифры таких обозначений указывают на диаметр изделия, вторая пара – на длину. Последний «0» ставится, если батарейки имеют цилиндрическую форму.

Читайте также:  Аккумуляторные батареи Delta HR

Кроме аккумуляторов цилиндрической формы промышленностью выпускаются батареи типа «Крона» напряжением 9v и мощные промышленные АКБ с напряжением 12v, 24v, 36v и 48v.

Батарея для штабелера

В зависимости от элементов, которые добавляется в изделие, на корпусе батареи может быть следующая маркировка:

  • ICR – содержащие кобальт;
  • IMR — — — — марганец;
  • INR — — — — никель и марганец;
  • NCR — — — — никель и кобальт.

Литиевые батареи отличаются не только размером и химическими добавками, но прежде всего по ёмкости и напряжению. Эти два параметра и определяют возможность их использования в тех или иных видах электрических приборов.

Где применяются li-ion АКБ

Литий-ионные батареи не имеют альтернативы там, где необходим аккумулятор способный отдавать электричество практически в полном объёме, и совершать большое количество циклов заряд/разряд без снижения ёмкости. Преимуществом таких устройств является относительно малый вес, ведь использовать свинцовые решётки в таких устройствах нет никакой необходимости.

Учитывая высокие эксплуатационные характеристики, такие изделия могут использоваться:

  1. В качестве стартерных батарей. Литиевые аккумуляторы для автомобилей с каждым годом дешевеют, благодаря новым разработкам, которые позволяют снизить издержки производства. К сожалению цена таких батарей может быть очень высокой, поэтому многим владельцам машин такой аккумулятор оказывается не по карману. К недостаткам литий-ионных батарей можно отнести существенное падение мощности при температуре ниже минус 20 градусов, поэтому в северных районах эксплуатация таких изделий будет непрактичной.
  2. В качестве тяговых устройств. Благодаря тому, что литий-ионные аккумуляторы легко переносят глубокий разряд их нередко используют как тяговые для лодочных электромоторов. Если мощности двигателя не слишком велика, то одного заряда хватает на 5 – 6 часов непрерывной работы, что вполне достаточно для рыбалки или совершения водной прогулки. Тяговый литий-ионный аккумуляторы устанавливают и на различную погрузочную технику (электроштабелеры, электропогрузчики), работающую в закрытых помещениях.
  3. В бытовой технике. Литий-ионные аккумуляторы применяются в различных бытовых устройствах вместо стандартных батареек. У таких изделий напряжение 3,6v — 3,7v, но существуют модели, которые способны заменить обычную солевую или щелочную батарейку на 1,5 Вольта. Также можно встретить батареи напряжением 3v (15270, CR2), которые можно установить вместо 2 стандартных батареек.
Читайте также:  Аккумуляторная батарея Delta HRL 12v 12ah

Используются такие изделия в основном в мощных приборах, в которых обычные солевые батарейки очень быстро разряжаются.

Тяговой АКБ

Правила эксплуатации li ion аккумуляторов

На срок службы литиевого аккумулятора влияют многие факторы, знание которых позволит существенно увеличить ресурс. При использовании этого вида батарей необходимо:

  1. Стараться не допускать полного разряда батареи. Несмотря на высокую устойчивость батареи к такому воздействию, желательно не выжимать из него все «соки». Особенно следует соблюдать осторожность при эксплуатации таких батарей с ИБП и электрическими двигателями высокой мощности. Если полный разряд батареи произошёл необходимо её незамедлительно оживить, то есть подключить к специальному зарядному устройству. Раскачать аккумулятор можно и после длительного пребывания в состоянии глубокого разряда, для чего необходимо произвести качественную зарядку в течение 12 часов, затем разрядить батарею.
  2. Не допускать перезаряда. Перезаряд негативно влияет на характеристики изделия. Встроенный контроллёр не всегда способен вовремя отключить батарею, особенно в том случае, когда зарядка осуществляется в холодном помещении.

Кроме перезаряда и чрезмерного разряда батарею следует оберегать от чрезмерных механических воздействий, которые могут вызвать разгерметизацию корпуса и возгоранию внутренних компонентов аккумулятора. По этой причине существует запрет пересылки почтой батарей, в которых содержание чистого лития превышает 1 г.

Применяется в качестве АКБ для шуруповертов, ноутбуков и телефонов

Как хранить литий ионные аккумуляторы

Если возникает необходимость в длительном хранении литий-ионных аккумуляторов, то для минимизации негативного воздействия на изделия, необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

  1. Хранить изделие только в сухом, прохладном помещении.
  2. Аккумулятор обязательно извлекается из электрического прибора.
  3. Батарею необходимо зарядить перед консервацией. Минимальное напряжение, при котором не будут образовываться внутренние коррозионные процессы равно 2,5 Вольт на 1 элемент.

Учитывая малый саморазряд таких батарей, хранить таким образом аккумулятор можно в течение нескольких лет, но в течение этого срока всё равно неминуемо произойдёт уменьшение ёмкости элемента.

Утилизация литий ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы содержат опасные для здоровья вещества, поэтому ни в коем случае не следует их разбирать в домашних условиях. После того как батарея выработает свой ресурс её необходимо сдать для дальнейшей переработки. В специализированных приёмных пунктах можно получить денежную компенсацию за старый литиевый аккумулятор, ведь такие изделия содержат дорогостоящие элементы, которые могут быть использованы повторно.

istochnikipitaniy.ru

Какие есть типы литиевых аккумуляторов и особенности их конструкции?

Литиевые аккумуляторы на современном рынке прочно заняли несколько различных ниш. В основном они используются во всевозможной потребительской электронике, портативном инструменте и мобильных устройствах, бытовой технике и т. п. Существуют даже литиевые аккумуляторы 12 вольт для авто. Хотя широкого распространения в автомобилестроении они пока не получили. Использование литиевых аккумуляторов в различных отраслях народного хозяйства привело к тому, что на рынке появилось много разновидностей этих аккумуляторных батарей. Основные типы литиевых АКБ мы рассмотрим в сегодняшней статье.  

Разновидности литиевых аккумуляторов в зависимости от мощности и ёмкости

Мы здесь не будем писать о принципе работы Li аккумуляторных батарей и истории их возникновения. Подробно о литиевых аккумуляторах можно прочитать в статье по указанной ссылке. Также можете прочитать материалы отдельно про литий-полимерный и литий-ионный аккумулятор. А в этом материале хотелось бы рассмотреть именно различные типы Li аккумуляторов в зависимости от их характеристик и назначения.

Литиевый аккумулятор

Итак, что касается мощности и ёмкости литиевых батарей. Деление здесь достаточно условное. Для того чтобы выпускать аккумуляторы различной ёмкости, с разными токами разряда, производители изменяют ряд параметров. Например, они регулируют толщину слоя электродной массы на фольге (в случае рулонной конструкции). В большинстве случаев этот электродный слой наносится медную (минусовой электрод) и алюминиевую (плюсовой) фольгу. Благодаря такому увеличению электродного слоя растут удельные параметры аккумулятора.

Однако при наращивании активной массы приходится уменьшать толщину проводящей основы (фольгу). В результате аккумулятор может пропустить меньший ток, не перегреваясь при этом. Кроме того, увеличение слоя электродной массы приводит к увеличению сопротивления элемента. Чтобы снизить сопротивление, часто для активной массы используют более активные и дисперсные вещества. Этими параметрами производители «играют» при выпуске АКБ с теми или иными параметрами. Аккумуляторный элемент с тонкой фольгой и толстой активной массой показывает высокие значения запасаемой энергии. А его мощность будет низкой, и наоборот. И это можно регулировать, не изменяя типоразмера изделия.

Аккумуляторные батареи с разными значениями ёмкости и разрядного тока получаются при изменении следующих параметров:

  • Толщина фольги;
  • Толщина сепаратора;
  • Материал плюсового и минусового электрода;
  • Размер частиц активной массы;
  • Толщина электрода.

При этом модели аккумуляторов, рассчитанных на более высокую мощность, оснащаются токовыводами больших размеров и массы. Это делается для предотвращения перегрева. Также для наращивания тока разряда используются всевозможные вещества, добавляемые в электролит или в электродную массу. У аккумуляторов с большой ёмкостью токовыводы, как правило, небольшие. Они рассчитываются на разрядный ток до 2С (обычно ток заряда-разряда аккумулятора указывается от его ёмкости) и зарядный ─ до 0,5С. Для литиевых АКБ большой ёмкости эти значения до 20С и до 40С, соответственно.

Модели литиевых аккумуляторов с высокой мощностью предназначены для питания стартёров, с высокой ёмкостью – для питания различной портативной аппаратуры. Что касается разработки литиевых батарей, то производители всевозможной электроники заказывают их в специальных фирмах. Те разрабатывают их с учётом предложенных условий, а затем размещают их в серийное производство. При разработке современных литиевых аккумуляторов учитываются следующие параметры:

  • Ёмкость;
  • Штатный и максимальный ток разряда;
  • Размеры;
  • Условия расположения внутри устройства;
  • Рабочая температура;
  • Ресурс (количество циклов заряд-разряд) и прочие.

Вернуться к содержанию  

Различные конструкции литиевых аккумуляторных батарей

По конструктивным особенностям литиевые аккумуляторы можно разделить по двум признакам:

  • Конструкция корпуса;
  • Конструкция электродов.

Рассмотрим их подробнее. Вернуться к содержанию  

Конструкция электродов

Рулонного типа

На изображении ниже можно посмотреть Li─Ion аккумулятор с конструкцией рулонного типа.

Литиевый аккумулятор рулонного типа

Элементы рулонной конструкции изготавливаются двух типов:

  • Рулон электродов скручивается вокруг виртуальной пластины. В одном корпусе могут размещаться несколько рулонов, подключённых параллельно;
  • Цилиндрические. Различной высоты и диаметра.

Рулонная конструкция применяется там, где требуется аккумулятор небольшой ёмкости и мощность. Эта технология имеет небольшую трудоёмкость, поскольку скручивание электродных лент и сепаратора полностью автоматизировано. Недостатком такой конструкции является плохое теплоотведение от электродов. Фактически тепло отводится только через торец элемента.

Вернуться к содержанию  

Из набора электродов

Литиевые аккумуляторы со сборкой из отдельных электродов применяются при производстве призматических АКБ.

Литиевый аккумулятор с набором пластин

Тепло здесь также отводится с торца электрода. Производители стараются улучшить теплоотвод посредством регулировки состава и дисперсности активной массы.

Вернуться к содержанию  

Конструкция корпуса

Цилиндрические

Стоит уделить внимание цилиндрическим литиевым аккумуляторам. Они широко распространены в различной бытовой технике и электронике. Особенно популярны аккумуляторные элементы 18650.

Цилиндрические литиевые аккумуляторы

В качестве плюсов цилиндрического корпуса специалисты называют отсутствие изменения объёма при длительной эксплуатации. Это происходит за счёт того, что АКБ немного меняет объём в процессе заряда-разряда. Конструкция электродов в таком корпусе всегда рулонного типа. К недостаткам относят плохое теплоотведение.

Цилиндрические литиевые аккумуляторы могут иметь следующие токовыводы:

  • Винтовые борны;
  • Обычные контактные площадки.

Там, где более высокие требования к съёму тока, используются винтовые борны. Это АКБ с большим разрядным током и большой ёмкостью (более 20 Ач). Многочисленные испытания показывают, что цилиндрические литиевые аккумуляторы с винтовыми борнами выдерживают токи не более 10─15С. И это значения кратковременной нагрузки, при которой элемент быстро перегревается. При длительной работе они выдерживают разрядные токи 2─3С. В основном литиевые батарейки используют в портативном электроинструменте.

Цилиндрический литиевый аккумулятор с винтовыми борнами

Аккумуляторные элементы с контактными площадками обычно используются для объединения в батареи. Для этого их сваривают лентой при помощи контактной сварки. Иногда производители уже выпускают элементы с лепестками под самостоятельную пайку. Причём вид лепестков может быть различным в зависимости от типа пайки.

В обозначении типоразмера цилиндрических литиевых аккумуляторов обычно присутствуют их размеры. Например, литий─ионные элементы 18650 имеют высоту 65, а диаметр ─ 18 мм.

Вернуться к содержанию  

Призматические

Призматические литиевые АКБ выпускаются:

  • С винтовыми борнами;
  • С контактными площадками под приваривание лепестков.

Призматические модели часто используются в азиатских странах для обеспечения питанием электрических велосипедов.

Призматический корпус литиевого аккумулятора

Вне зависимости от формы корпуса, его материал должен быть инертным по отношению к электродам, электролиту, активной массе. Такое же требование выдвигается к соединительным элементам, крепежу, прокладкам и т. п.

Вернуться к содержанию  

Оболочка из ламинированной фольги

Такой вид корпуса получил распространение благодаря появлению литий─полимерных аккумуляторов. В их случае для переноса заряда также используются ионы лития и в целом здесь идут аналогичные электрохимические процессы. Но здесь электролит полимерный с добавлением гелевого вещества, содержащего ионы лития. Можете подробнее прочитать о том, в чём отличие литий─полимерного аккумулятора от ионного.

Литий─полимерный аккумулятор в ламинированной фольге

По весу такие аккумуляторные элементы легче цилиндрических и призматических. Поэтому корпус для них не используют, а помещают в пакет из ламинированной фольги, и герметично запаивают. Это тем более удобно, поскольку Li─Pol аккумуляторы имеют самые разные размеры и форму.

Среди минусов таких корпусов специалисты называют небольшую механическую прочность и меньший диапазон рабочих температур, чем у корпусных АКБ. К тому же, чаще возникают проблемы со вздутием аккумуляторного элемента.

По исполнению аккумуляторы в ламинированной фольге бывают:

  • С токовыводами на одной стороне;
  • На противоположных. Такая конструкция используется в случае высоких разрядных токов. Она позволяет равномерно распределять ток в активной массе электродов.

Вернуться к содержанию  

Защита

В заключение стоит сказать несколько слов о защите, устанавливаемой на литиевых аккумуляторах. Контроллер заряда-разряда. Эти печатные платы устанавливаются практически на все аккумуляторы литиевого типа, используемые в потребительской электронике. Те элементы, которые будут работать в составе батареи, такой защиты могут не иметь. Их зарядом и разрядом будет управлять общий контроллер батареи.

Контроллер литиевого аккумулятора

Ещё один вариант защиты устанавливается на многих корпусных литиевых элементах. Это предохранительные клапаны для сброса избыточного давления в корпусе элемента. Тем самым предотвращается разрушение корпуса.

Исполнение такой защиты может быть разным. К примеру, ряд производителей используют фольгу с насечками, рассчитанную на определённое значение давления. В других случаях может быть установлена пружина, которая при достижении критического значения открывается и сбрасывает давление. В цилиндрических корпусах такая защита ставится под токовыводом. Если статья была для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию нашего сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.

Вернуться к содержанию

akbinfo.ru


Смотрите также