Литий ионный аккумулятор
Содержание
Эти автономные источники питания устанавливают в мобильные телефоны и легковые автомобили. Их применяют в быту и для решения промышленных задач. Они выполняют свои функции в широком диапазоне температур при различных режимах нагрузки. В этой публикации рассказано о том, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов и обеспечить безопасность в процессе эксплуатации. Полезные рекомендации сэкономят время и деньги при покупке. Представленная ниже информация поможет успешно реализовать собственные уникальные проекты, выполнить ремонтные работы без обращения к специалистам.
Современные и перспективные электромобили создают с блоками питания на основе литий-ионных аккумуляторов
Принцип действия
Первые устройства данной категории созданы в 70-х годах прошлого века. Но только через 20 лет были изготовлены первые литий-ионные батареи с приемлемыми для рядовых потребителей характеристиками. В наши дни продолжается совершенствование технологии с целью улучшения эксплуатационных параметров.
Функциональные компоненты, рабочие циклы
По причине высокой химической активности чистого лития разработчики приняли решение использовать менее опасные ионы. По стандартной схеме их встраивают в процессе зарядки в удерживающую область с положительным электрическим потенциалом, которая сформирована из графитовой кристаллической решетки. При подключении потребителя к съемной клемме из алюминия ток в цепи провоцирует перемещение ионов к отрицательному медному электроду. Внутри аккумуляторной батареи разряд перемещается с помощью проводящей жидкости. Ее перемешивание блокирует полупроницаемая перегородка, сделанная из пористого полимера.
Конструкция, основные параметры
Подробное изучение химических и физических процессов для рядового пользователя избыточно. Любознательный человек без труда найдет необходимые дополнительные данные в интернете по интеркаляции, экспериментам с разными материалами. Ниже приведены сведения, которые пригодятся на практике. Они характерны для типовых моделей литий-ионных аккумуляторных батарей, представленных на современном рынке:
- Ток нагрузки – от 1 до 50 C в разных режимах;
- Номинальное напряжение – от 3 до 4,35V;
- Сопротивление (внутреннее) – 5-15 мОм;
- Энергетическая емкость в расчете на 1 кг изделия – 112-246 Вт*ч;
- Сохранение нормальной работоспособности – до 550-650 циклов;
- Время зарядки до 80% номинальной емкости – 60 мин.;
- Допустимый температурный режим – от -30°C до +60°C.
Конструкция литий-ионной батареи
На рисунке показаны типовые компоненты «плоской» модели. Подобные изделия устанавливают в смартфоны, другую мобильную технику. После заливки электролита входное отверстие герметизируют. Прочный корпус обеспечивает хорошую защиту от механических воздействий. Встроенный клапан срабатывает при образовании большого количества газов, предотвращая взрыв. Предохранитель по току разрывает цепь, что препятствует короткому замыканию и чрезмерному повышению температуры.
Один из первых источников питания для автомобилей, созданных на принципах заряда ионов лития
На схеме отмечены:
- крепежные скобы (1), выполняющие одновременно функцию элементов охлаждения;
- типовые литий-ионные аккумуляторы (2);
- электронный блок, управляющий процессом зарядки;
- клапан (4), через который пополняют хладагент;
- разъем (5) для подключения к бортовой сети;
- защитное и регулирующее устройство (6).
Рабочие режимы, правильная эксплуатация
Емкость современных литиевых ионных аккумуляторных батарей увеличена до сотен А/ч при высоких удельных значениях относительно веса. Приведенный выше температурный диапазон расширен. Отдельные модели рассчитаны на использование в экстремальных условиях (до -40°C). Разрядка быстрее на первом этапе – от 3 до 7% за месяц. Далее она стабилизируется, но не превышает 12-25% за год. Начальный ресурс при соблюдении элементарных правил сохраняется до 1-1,2 тыс. циклов.
Процесс зарядки
Графики демонстрируют изменение электрических параметров:
- Voltage – напряжение;
- Current – ток;
- Capacity – емкость.
На первой стадии поддерживают постоянный ток, контролируя подъем напряжения до установленного производителем уровня (4,1±0,1V). Чтобы накопить 70-80% номинальной емкости, требуется 40-60 минут. Этой особенностью пользуются для быстрого восстановления функциональности технического устройства.
На следующем этапе батареи заряжаются с поддерживанием постоянного напряжения. Следует исключить превышение опасного порогового значения (4,1 V). Если нарушить правило, получится улучшить энергетическую насыщенность на единицу объема. Однако такой режим ускоряет реакции окисления, уменьшая долговечность литий-ионного аккумулятора. С применением особых ингредиентов можно увеличить допустимое напряжение на 0,1 V. Точность контроля рекомендована с погрешностью не более 0,05 V на один элемент питания.
Для предотвращения аварийных ситуаций применяют механические и электронные, встроенные и внешние устройства. Кроме электрических параметров и температуры, контролируется внутреннее давление. Типовые защитные решения:
- схема с ключом на чувствительном полевом транзисторе, разрывающая цепь при слишком высоком напряжении;
- термистор, срабатывающий при критической температуре;
- механический выключатель;
- электронная плата, контролирующая нижний и верхний порог по напряжению;
- добавка марганцевых соединений, которые блокируют развитие потенциально опасных процессов.
Модельный ряд, выбор подходящих изделий
Изделия этой категории выпускают в стандартном исполнении для соответствия размерам и электрическим параметрам типовых одноразовых элементов питания «А» и «АА». Такие аккумуляторы устанавливают в фонари, радиоприемники, будильники, игрушки.
Современные смартфоны и планшеты часто создают в неразборном варианте с применением клеевых соединений. Это помогает сократить производственные издержки, однако существенно усложняет ремонт. Технику оснащают уникальными встроенными устройствами зарядки (защиты). Рабочие циклы контролируют особо настроенным программным обеспечением. Иногда найти подходящую альтернативную перезаряжаемую батарею попросту невозможно.
Стандартные типоразмеры элементов питания
Стоит обратить внимание на модель «18650». Этими цифрами зашифрованы габариты (длина х диаметр, 65 х 18 мм, соответственно). Такие аккумуляторы постепенно становятся наиболее популярными. Их соединяют в блоки, создавая источники питания нужной емкости для автомобильного транспорта, квадроциклов, авиамоделей, другой техники.
Как понятно из приведенного описания, некоторые изделия можно приобрести легально только в официальной торговой сети определенных производителей. Качественные универсальные аккумуляторы в разных форматах создают японские и корейские предприятия. Продукция ответственных китайских производителей не уступает по техническим параметрам. Однако следует не забывать о большом количестве подделок, которые внешне не отличаются от оригиналов.
Пример фальшивки
С помощью испытаний или разрушительной разборкой можно выявить недостатки. Однако некоторые правильные выводы можно сделать после внимательного изучения фотографий. Так, настоящая емкость «фирменных» изделий формата «18650» не превышает 3 400 мА/часов. В рекламных материалах встречаются изделия с фантастическими параметрами – 10-15 тыс. мА/ч и более.
Мифы и действительные технические особенности
Распространенные заблуждения следует изучить отдельно. Так, достаточно часто эксперты советуют не допускать полной разрядки. Ограничение справедливо, но надо учесть особенности штатных контрольных систем. Как правило, индикатор мобильного устройства показывает 0% при падении напряжения ниже 3,4-3,6 V. Такие уровни неопасны, так как критический порог – от 2,4 до 2,6 V. Следующая информация предотвратит ошибочные действия при эксплуатации.
Заряд лития выше определенного порога на самом деле способен провоцировать процесс горения. Реакция сопровождается выделением водорода из электролита, поэтому не получится погасить пламя водой. Огонь поддерживается даже без доступа кислорода, поэтому для нейтрализации необходимо локализовать опасную область. Отмеченный недостаток устранен в новых моделях аккумуляторов, созданных на основе ионов.
Дополнительная информация
Приведенные выше сведения надо использовать в комплексе. Значение имеет правильный выбор модели, продавца. Следует соблюдать инструкции производителя, учитывать реальные условия эксплуатации. Для продления срока службы не допускают глубокого разряда. При частом уменьшении оставшейся энергии до 10-15% от номинала можно получить 500-700 рабочих циклов без явного ухудшения технических параметров. Если пополнять заряд при уровне 70-80% соответствующее количество увеличится до 2,5-3 тыс.
Чтобы исключить ошибки ПО и контрольных устройств, один раз через каждые 3-4 месяца выполняют профилактическую процедуру. Аккумулятор разряжают полностью. Далее пополняют запас энергии штатными средствами, но с продолжительностью подключения к сети питания от 10 до 11 часов.
Высокий уровень безопасности обеспечивают не только качественные средства защиты, но и утвержденные производителем зарядные устройства. Проблемы возникают при плохой функциональности контроллера. Превышение заряда над уровнем паспортного значения недопустимо.
