Где используют литиевые аккумуляторы

Литий-ионные (Li-ION) аккумуляторы: виды, типоразмеры, сфера применения

На протяжении не одного десятка лет устройствами, которые обеспечивали работу разного рода механизмов и автономных объектов, считались кислотные аккумуляторы.

Несмотря на многие превосходства такие батареи имели и недочеты: в аппаратах с большим потреблением электроэнергии их нельзя было использовать. Также не допускалось использование в закрытых, непроветриваемых помещениях.

Но время не стоит на месте, и на смену старого всегда приходит что-то новое. Так мало-помалу возникли литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Они стали качественнее своих предшественников, а значит, и надежнее.

Имея некоторые дефекты, им присущи минимум негативных качеств. Подробности ниже.

Все (+) и (-) литий-ионных аккумуляторов

В 70-ом году прошлого века о Li-ion АКБ стали известны. Чтобы повысить уровень электроэнергии, в такую батарею устанавливался анод лития.

Благодаря ему эксплуатация изделия увеличивалась, но возникала другая проблема: при перегревании катода могло произойти воспламенение аккумулятора.

Спустя определенный период времени этот дефект был заменен ионами металла, существенно снизив опасность возгорания батареи.

Литий-ионные аккумуляторы и ныне пользуются немалой популярностью у покупателей. Они испытаны временем, число зарядов/разрядов по циклу у них многочисленно.

Обладая слабым «эффектом памяти» и легким весом, аккумуляторы li-Ion обретают свою нужность во многих портативных и автономных устройствах. К примеру, li-ion-ные батарейки для техники быту, источники для тяги электроэнергии с высокой эффективностью.

Присутствуют у литий-ионных батареек и свои изъяны, которые в принципе могут легко компенсироваться умением накапливать энергию, благодаря высокой плотности.

Перечислим некоторые из них:

• относительно дорогие;
• продолжительные разряды губительны для них;
• работают хуже в жару;
• при температурах со знаком «минус»могут сойти на нет («погибнуть»);
• при нарушении герметичности становятся взрывоопасными;
• теряют емкость как при перегреве, так и при использовании на морозе.

Производство литий-ионных аккумуляторов

Принцип изготовления Li-Ion АКБ происходит поэтапно:

• сначала изготавливаются электроды;
• затем они объединяются в батарею;
• далее устанавливается плата и защита;
• потом ставится батарея в корпус;
• заливается электролит;
• тестируется АКБ и отправляется на зарядку.

Для того чтобы изделие стало невероятно высокого качества и не подводило впоследствии своей работы, необходимо строго соблюдать все этапы технологии производства, а также не забывать о мерах предосторожности в процессе работы.

В качестве электрода (-) в li-ION-ном аккумуляторе выступает фольга, поверхность которой покрыта веществом из Li.

В зависимости от того, для каких целей предназначена Li-ионная аккумуляторная батарея, в нее будут входить следующие Li-Ion соединения:

В «пальчиковых(АА)» и «мизинчиковых(ААА)» АКБ катод (-) находится в форме рулона и отделен от анода (+) с помощью сепаратора.

При большой площади отрицательного электрода, покрытого тоненькой пленкой, энергоемкость батареи становится значительно выше.

Как работают и что находится внутри литий-ионных аккумуляторов

Рабочая деятельность аккумулятора Li-ion заключается в следующем:

• электроток подается на контакты АКБ? и катионы лития начинают двигаться в сторону электрода (+);
• когда батарея начинает разряжаться, ионы лития покидают электрод (+) и переходят в диэлектрик на глубину до пятидесяти нанометров.

Количество таких циклов у батареек данного типа может быть до трех тысяч. И в каждом из них аккумуляторная батарейка может спустить почти весь электроток, который был накоплен во время заряда.

Если батарею разрядить практически до конца? это не приведет к окислению пластинок АКБ (что определяет выгодность данного изделия — в отличие батарей с кислотным содержимым).

Интересный факт! Не все литий-ионные аккумуляторы выдерживают продолжительные по времени разрядки. К примеру, для телефонных или фотоаппаратных устройств такое действие не желательно. В них сработает схема «контроллер» и просто заблокирует заряд батареи. И только с помощью специального ЗУ ее возможно потом будет зарядить. Если же, это касается, например, устройства аппарата для лодки, то глубокий разряд на нем никак не отразится.

В отличие от «пальчиковых» АКБ более сложные элементы питания имеют в себе множество отдельных источников электрического тока с последовательным либо параллельным соединением.

Такое соединение будет зависеть от того, какой показатель электричества будет увеличен.

Виды, типоразмеры литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные АКБ находят широкое применение в разного рода бытовых устройствах, в электромобилях, планшетах и других видах современных гаджетов.

Также существуют промышленные Li-Ion АКБ, обладающие большой емкостью и высоким напряжением. Ниже в таблице приведем примеры более востребованных на рынке аккумуляторных батарей:

Помимо АКБ в форме цилиндра, существуют и другие формы изделий. К таковым относятся: «Крона» с U=9 Вольт и более мощные промышленные аккумуляторы с U=12 V , U=24 V , U=36 V , U=48 V.

Маркировка на корпусе аккумуляторов гласит об элементах, которые добавлены в данную батарею.

• если стоит ICR, значит, аккумулятор содержит кобальт;
• маркировка IMR означает добавление марганца в состав;
• INR — говорит о никеле с марганцем в АКБ;
• NCR — оповещает о «порции» никеля и кобальта в батарее.

Не только размер и химические добавки отличают друг от друга литий-ионные аккумуляторы, но и емкость с напряжением. Именно они помогают определить для какого электрического прибора изготовлена батарея.

Применение аккумуляторов Li-ION

Литий-ионные элементы питания незаменимы там, где возникает потребность полной отдачи электричества батареей, при ее немалом количестве циклов (заряд/разряд), не снижая емкости изделия.

В преимуществе выступает значительно небольшой вес АКБ. А значит, и применение свинцовых решеток такому устройству не потребуется.

Тщательно изучив, все (+) и (-) стороны работы литий-ионных аккумуляторов, рассмотрим область их применения:

1. В стартерных батарейках. Аккумуляторы li-Ion с большой скоростью дешевеют. Все это происходит от того, что на рынке с каждым днем выпускаются более совершенные АКБ. Они-то и являются главным источником снижения в цене их предшественников. Стоимость новинок обычно высокая, ( что сильно бьет по карману любителей поездок с ветерком). Основным пробелом литий-ионных аккумуляторов является падение мощности при t˂20, в результате чего использование их в районах Крайнего Севера становится непрактичным.
2. Для аппаратов тяги. Литий-ионным аккумуляторам свойственно переносить разряд глубокого действия, поэтому эксплуатация их в качестве источника тяги для электромотора в лодке будет уместным. При небольшой мощности двигателя одного заряда такой АКБ хватит не менее чем на шесть часов рыбалки (либо простого лодочного путешествия). Li-ION-ные аккумуляторы применяют для погрузочной техники, которая используется в закрытом пространстве (например, для электроштабелеров, электропогрузчиков).
3. Для оборудования, используемого в быту. Многие бытовые устройства вместо традиционных батареек применяют литий-ионные. У таких АКБ U=3,6 Вольт (3,7 Вольт). Однако, встречаются и такие, которые могут с легкостью заменить даже солевую либо щелочную батарейку с U=1,5 Вольт.

А если рассмотреть модели с U=3 Вольт, например у «15270» или «CR2», то такой тип АКБ сможет заменить и две стандартные батарейки. Подобные аккумуляторы обычно используются в более мощных электроприборах, т.е там, где простая солевая батарейка их заменить не сможет (из-за быстрой разрядки).

Использование литий-ионных АКБ

Продолжительность жизни литий-ионного аккумулятора зависит от правильной эксплуатации изделия.

Есть две основные ошибки использования данного вида АКБ:

1. Не рекомендуется полностью разряжать литий-ионный аккумулятор. Хотя батареи такого типа и устойчивы к полному разряду, однако не стоит увлекаться этим действием чересчур. Особенно это губительно для аккумуляторов с источником бесперебойного питания и электродвигателями с большой мощностью. Если все же такая ситуация произошла, необходимо своевременно постараться подключить литий-ионную АКБ к ЗУ. «Завести» аккумулятор возможно и после продолжительного пребывания его в состоянии большого разряда. Для этого потребуется зарядить батарею не менее двенадцати часов, а затем разрядить по новой.
2. Перезарядка изделия портит его качество. При перезарядке литий-ионного аккумулятора нужно помнить, что это действие будет отражаться на свойствах изделия, причем не с положительной стороны. Если заряд батареи происходит в неотапливаемом помещении, то схема «контроллер» может не всегда сработать и обесточить батарею. Помимо этих двух ошибок, необходимо беречь литий-ионный аккумулятор от механических воздействий, разного рода ударов, в результате которых, может произойти разгерметизация корпуса изделия и произойти возгорание внутри него. Именно из-за этого такие изделия (в них чистого лития ˃ на 1 грамм) запрещено пересылать по почте.

Как уберечь Li-ионный аккумулятор, поставив его на хранение?

Перед тем как поставить на хранение литий-ионный аккумулятор, надо соблюсти некоторые последовательные правила-пункты:

1. Правило 1. Не влажное и не жаркое место – лучший метод хранения АКБ.
2. Правило 2. Извлеките элемент питания из электроприбора.
3. Правило 3. Обязательно зарядите изделие перед тем, как поставить его на консервацию. Чтобы не произошла коррозия элементов внутри, минимальное U=2,5 V на один элемент.

Саморазряд литий-ионных АКБ невысок, поэтому за его хранение можно не переживать в течение многих лет. Однако следует помнить при этом, что емкость изделия будет потихоньку тоже снижаться.

Переработка литий-ионных элементов питания

Li-Ion батареи содержат в себе вредные для жизни вещества, поэтому дома не стоит их даже пытаться разбирать. Когда срок службы АКБ закончился, ее необходимо утилизировать.

Для этого и существуют специальные приемные пункты по сбору, просрочившихся либо негодных батарей. За такую услугу можно получить вознаграждение в денежном эквиваленте.

И это не фантазии! Любое литий-ионное изделие содержит в себе не дешевый элемент, который после переработки оживет и будет числиться на рабочем посту дальше.

Источник

Виды литиевых батареек, их маркировка и применение

Литиевые батарейки используются во многих современных устройствах. Это компьютерная и фототехника, материнские платы и т. п. На сегодняшний день можно встретить несколько видов и типоразмеров литиевых АКБ. Как и другие типы аккумуляторов, литиевые имеют свои плюсы и минусы. Подробно о них будет сказано в статье ниже. Сейчас достаточно сказать, что их преимущества позволили широко распространиться этим батареям в различной потребительской электронике. Они заняли некоторые ниши на рынке, которые раньше занимали никель─кадмиевые и никель─металлогидридные аккумуляторы. В этом материале предлагаем поговорить о батарейках литиевого типа, их особенностях, характеристиках, разновидностях, маркировке и т. п.

Основные особенности

В своё время для создания электрохимических источников тока с большой энергетической плотностью учёным пришлось отказаться от использования в них водного электролита. Исследования велись в разных направлениях, но самыми успешными стали литиевые батарейки с твёрдым и органическим электролитом. Разработки начались ещё в начале XX столетия, а в активную фазу они перешли в 60-е годы прошлого века. Специалисты предлагали в качестве катодных материалов MnO₂, FeS₂, CuO, CF_x, I₂ (твердофазные) и SO₂, SOCl₂ (жидкофазные) соединения. Можете подробнее прочитать про литиевые аккумуляторы по указанной ссылке.

Одно из основных требований безопасности к литиевому типу батареек – это надёжная герметизация. Нужно полностью исключить вероятность утечки электролита и попадания в аккумулятор элементов из окружающей среды. Разгерметизация может привести к возгоранию из-за высокой активности лития. Даже если этого не произойдёт, разгерметизированная батарейка непригодна для дальнейшего использования. Производство таких АКБ ведётся в помещения с контролем влажности и в герметичных боксах с аргоновой атмосферой.

Форма литиевых аккумуляторных элементов может быть дисковой, цилиндрической, призматической. Размеры в большинстве случаев соответствуют габаритам прочих электрохимических источников тока. В связи с этим нужно обращать внимание на рабочее напряжение, которое у литиевых батареек, как правило, выше остальных типов АКБ. Чтобы исключить путаницу, некоторые производители оснащают литиевые элементы нестандартными выводами для подключения.

В таблице ниже можно посмотреть параметры различных литиевых аккумуляторных элементов.

Характеристики аккумуляторных батарей	Li/MnO2	Li/SO2	Li/SOCl2	Li/CFx	Li/CuO	Li/I2
Рабочее напряжение, В	3,0	2,6-2,9	3,3-3,5	—	1,2-1,5	—
Конечное напряжение, В	2,0	2,2	2,2	2,0	0,9-1,0	2,2
Напряжение разомкнутой цепи, В	3,5	3,0	3,67	3,3	1,6	2,8
Весовая удельная энергия, Втч/кг	до 250	300-340	до 600	250	300	—
Объёмная удельная энергия, Втч/кг	500	500-560	до 1100	600	600	до 1000
Диапазон рабочих температур, С	от -20 до +55	от -60 до +70	от -50 до +70(до +130)	от -20 до +60	от -10 до +70	от -10 до +60
Саморазряд, процентов в год	2-2,5	1-2	1,5-2	1-2	1-2	1
Характеристики аккумуляторных батарей	Li/MnO2	Li/SO2	Li/SOCl2	Li/CFx	Li/CuO	Li/I2

Электрохимические системы литиевых АКБ

Батареи на основе Li/MnO₂ (литий/диоксид марганца)

Этот тип элементов с литием был разработан одним из первых. При обозначении литиевых батарей в маркировке используются символы «CR».

Литиевая батарейка Li/MnO₂

Согласно реакции, диоксид марганца при взаимодействии с литием восстанавливается до трехвалентного состояния из четырёхвалентного. При этом ионы лития внедряются в кристаллическую решётку оксида. В качестве электролита в этих системах используется перхлорат лития, который находится в органическом растворителе. Напряжение разомкнутой цепи аккумуляторной батарейки литий/диоксид марганца составляет 3,5, а номинал 3 вольта. Конечное напряжение равно 2 вольта. Эти батареи сохраняют работоспособность в интервале температур от -20 до +55 градусов Цельсия. Хранится батарейка Li/MnO₂ до десяти лет, если саморазряд не превышает 2,5%.
Этот тип батареек часто можно встретить в материнских платах и часах в дисковом форм-факторе («таблетка»).

Аккумуляторы на базе Li/CuO (литий/оксид меди)

Li/CuO батареи имеют рабочее напряжение, которое сопоставимо с марганцево-цинковыми элементами щелочного типа. При этом энергетическая плотность у литиевых в три раза больше.
Разряд этого типа батареек описывается следующими реакциями:

2Li + CuO → Li₂O + Cu

Интервал рабочего напряжения составляет от 1,2 до 1,5 вольта и зависит разрядного тока. На разомкнутой АКБ напряжение равно 2,5 вольта. Аккумуляторные элементы литий/оксид меди сохраняют работоспособность при температурах от -10 до +70 градусов Цельсия. Батареи хранятся до 10 лет (при 20 градусах по Цельсию). Источники тока на основе Li/CuO мало распространены на рынке.

АКБ на основе Li/SO₂ (литий/диоксид серы)

Разновидность батарей на основе литий/диоксид серы имеет жидкофазный материал катода. Эти АКБ достаточно хорошо изучены и широко применяются в народном хозяйстве. Роль катода в их случае выполняет графит с сажей плюс пластификатор. Смесь этих элементов наносится на металл. В качестве электролита использует диоксид серы SO₂ с некоторыми добавками. Объёмная доля самого оксида серы составляет 70─75 процентов. Дополнительные добавки в электролите обеспечивают требуемую электропроводность.

Литиевая батарейка Li/SO₂

Напряжение при разомкнутой цепи составляет 3 вольта, рабочее от 2,6 до 2,9. Рабочая температура составляет от -60 до +70 градусов Цельсия. К плюсам Li/SO₂ стоит отнести высокую удельную мощность. Среди недостатков батареек литий/диоксид серы специалисты отмечают серьёзное внутреннее давление, а также сильный разогрев в случае короткого замыкания. По этой причине, конструкция таких аккумуляторов включает предохранитель для сброса избыточного давления. Он срабатывает при нагреве батарейки до 100 градусов по Цельсию.

Аккумуляторные элементы этого типа выпускаются цилиндрической конструкции. Она подразумевает наличие литиевого анода по периферии и угольного катода в центре. Такая сборка обеспечивает высокие электрические характеристики АКБ. Храниться аккумуляторы Li/SO₂ могут до десяти лет при саморазряде 1─2 процента в год (данные при 20 Цельсия).
Вернуться к содержанию

Батарейки на базе Li/I₂ (литий/йод)

В этих аккумуляторных элементах жидкий электролит отсутствует, как и сепаратор.

Внутри батареек Li/I₂ идёт следующая реакция:

Катод с содержанием йода взаимодействует с литием, в результате чего образуется йодид лития LiI. Это твёрдое вещество, которое одновременно выступает в роли электролита и сепаратора, разделяя активные вещества.

Аккумуляторы этого типа могут храниться от 10 до 15 лет при величине саморазряде 10 процентов за всё это время. Процесс саморазряд в этом случае обусловлен взаимодействием йода и лития. Это происходит в результате диффузия I через слой LiI. Величина саморазряда во многом определяется толщиной этого слоя. Этим объясняется активное прохождение саморазряда в самом начале хранения.

Литиевые батарейки литий/йод не выделяют газ в процессе работы. Поэтому объём АКБ сохраняется постоянным в процесс эксплуатации. Кроме того, они довольно устойчивы к нарушениям правил использования. Эти батарейки нашли применение в тех областях, где требуется высокая надёжность работы. В частности, это аккумуляторы для питания кардиостимуляторов в медицине. Работоспособность АКБ литий/йод сохраняется при температурах от -10 до +60 по Цельсию.
Вернуться к содержанию

Аккумуляторные батарейки Li/FeS₂ (литий/дисульфид железа)

Эти элементы стоят довольно дорого, но благодаря некоторым преимуществам, они востребованы на рынке.

Литиевая батарейка Li/FeS₂

Интересной особенностью является сохранение работоспособности системы Li/FeS₂ при -40 по Цельсию. Это по силам только батареям с катодами в жидком виде. Батарейки Li/FeS₂ имеют стабильные характеристики при работе с потребителями, требующими большой мощности.

Аккумуляторы литий/дисульфид железа имеют в своей конструкции защиту по току. При непрерывном потреблении она составляет 2 ампер (форм-фактор АА). Кроме того, есть предохранитель, отключающий нагрузку при температуре элемента 85─95 градусов Цельсия. Если батарейка разогревается до 130─160 градусов, то открывается клапан для сброса давления.

Аккумуляторные элементы литий/полифторуглерод

Стоимость этих батареек выше Li/MnO₂. Но они имеют более широкий диапазон рабочих температур. По этой причине они применяются в различных устройствах, испытывающих нагрев в процессе работы.
Реакция внутри этих аккумуляторов описывается следующим уравнением:

Напряжение элемента без нагрузки равно 3,2─3,3 вольта. Конечное напряжение около 2 вольт. Интервал рабочих температур от -40 до +85 градусов. При хранении в течение 10 лет эти батарейки теряют примерно 1/5 от номинальной ёмкости.
Первые коммерческие образцы батареек литий/полифторуглерод были выпущены 25─30 лет назад. Главное применение они находят в различной портативной электронике. При отрицательных температурах и высоком разрядном токе они проигрывают по показателям аккумуляторам типа Li/MnO₂. По сравнению с Li/I₂ аккумуляторные элементы Li/CF_x имеют более высокую мощность. Поэтому их также используют в медицинских кардиостимуляторах и дефибрилляторах.
Вернуться к содержанию

Аккумуляторные батарейки Li/SOCl₂ (литий/тионилхлорид)

Эти аккумуляторные системы имеют жидкофазный катод и самые высокие удельные электрические параметры среди литиевых батареек.

Литиевая батарейка Li/SOCl₂

4Li + 2SOCl₂ → 4LiCl + SO₂ + S

Существенная доля SO₂ растворяется в электролите без изменения давления в корпусе батарейки. Напряжение без нагрузки равно 3,67, при работе 3,3─3,5 вольта. На величину напряжения сильно влияет разрядный ток.

Рабочая температура составляет от -60 до +85─130 градусов Цельсия. По конструкции аккумуляторные батарейки Li/SOCl₂ близки к Li/SO₂. Электролит тионилхлорид – это агрессивное вещество. Поэтому конструкция батарей разрабатывалась с учётом повышенных требований к пожарной и взрывобезопасности. Аккумуляторы литий/тионилхлорид хранятся до десяти лет. Саморазряд при этом составляет до 2 процентов в год (данные при 20 градусах Цельсия). При понижении температуры до -50 сильно падает ёмкость батарейки (в несколько раз).

Если элемент из холода перенести в тёплое место, то внутри будет продолжаться процесс разряда. За счёт того, что разлагаются промежуточные продукты реакции, может быть сильный разогрев и даже взрыв. Поэтому для обеспечения безопасности Li/SOCl₂ имеют аварийный клапан для сброса давления, плавкие предохранители, термовыключатели.

Размеры батареек

Как уже говорилось выше, литиевые батарейки выпускаются в соответствии с распространёнными типоразмерами. Есть, к примеру, литиевые пальчиковые батарейки. Форма элементов может быть цилиндрической, призматической и дисковой. Ниже приведена таблица с элементами питания по классификации, принятой в США.

Название	Напряжение, В	Высота, мм	Диаметр, мм
AAA	1,5	44,5	10,5
AA	1,5	50,5	14,5
C	1,5	50,0	26,2
D	1,5	61,5	34,2
PP3	9,0	48,5	26,5
Название	Напряжение, В	Высота, мм	Диаметр, мм

• AAA – «мизинчиковые»;
• AA – «пальчиковые»;
• C – «дюймовочка»;
• D – «бочка»;
• PP3 – «крона».

На изображениях ниже вы можете посмотреть фотографии этих батареек.

Источник