Максимальное напряжение для литиевых аккумуляторов

До какого напряжения можно разряжать li ion аккумуляторы

Рассматривать все плюсы и минусы «лития» сегодня мы не будем, а сосредоточимся на одном весьма серьезном недостатке — пожароопасность. Действительно, одной из самых главных проблем Li-ion аккумуляторов является вероятность возгорания, ведь в таком случае может пострадать не только устройство, в котором находилась батарея, но и все его окружающие пространство.

Мы постараемся разобраться во всех аспектах пожароопасности литиевых аккумуляторов и ответить на следующие вопросы:

• типы химии литиевых аккумуляторов. Насколько подвержены возгоранию те или иные виды аккумуляторов?
• из-за чего может загореться аккумулятор?
• техника безопасности. Что необходимо для безопасной эксплуатации аккумуляторов?
• что делать в случае возникновения экстренной ситуации?

Как устроен литий-ионный аккумулятор?

Состоит он, как и другие аккумуляторы, из анода (пористый углерод) и катода (литий), разделяющего их сепаратора и проводника — электролита. Процесс разрядки сопровождается переходом «анодных» ионов на катод через сепаратор и электролит. Их направление изменяется на противоположное во время зарядки (рисунок ниже).

Ионы циркулируют в процессе разрядки и зарядки ячейки между разноименно заряженными электродами.

Ионные батареи имею катод, выполненный из разных металлов, что является их главным отличием. Производители, используя для электродов разные материалы, улучшают характеристики аккумуляторов.

Но, случается, что улучшение одних характеристик приводит к резкому ухудшению других. Например, при оптимизации емкости, необходимой, чтобы увеличить время поездки, можно увеличить мощность, безопасность, снизить негативное воздействие на окружающую среду. Одновременно можно уменьшить ток нагрузки, увеличить стоимость или размер аккумуляторной батареи.

Познакомиться с главными параметрами разных типов литиевых батарей (литий-марганцевых, литий – кобальтовых, литий – фосфатных и никель-марганец – кобальтовых) можно в таблице:

Маркировка литиевых аккумуляторов18650

На поверхности корпуса аккумулятора нанесена маркировка. Здесь можно найти полную информацию о технических свойствах. Кроме даты изготовления, срока годности и бренда производителя, зашифровано устройство литиевых аккумуляторов 18650, и связанные с этим аспектом потребительские качества.

1. ICR– катод литий-кобальтовый. Аккумулятор обладает высокой емкостью, но рассчитан на небольшие токи потребления. Используют в ноутбуках, видеокамерах и подобной длительно работающей технике с небольшим потреблением энергии.
2. IMR – катод литий-марганцевый. Обладает способностью выдавать большие токи, выдерживает разрядку до 2,5 а/ч.
3. INR– катод из никелатов. Обеспечивает высокие токи, выдерживают разряд до 2,5 В.
4. NCR– специфическая маркировка компании Panasonic. По свойствам аккумулятор идентичен IMR. Используются никелаты, соли кобальта, окись алюминия.

Позиции 2,3,4 называют «высокотоковыми», их используют для фонарей, биноклей, фотоаппаратов.

Литий-феррофосфатные аккумуляторы обладают способностью работать при глубоком минусе, восстанавливаются при глубоком разряде. Недооценены на рынке.

По маркировке можно определить, это литиевый заряжаемый аккумулятор буквы — I R. Если есть буквы C/M/F – известен материал катода. Будет указана емкость, обозначенная mA/h. Дата выпуска и срок годности расположены в разных местах.

Следует знать, нет у производителей литиевых многозарядных батарей изделий емкостью больше 3 600 мА/ч. Для того чтобы отремонтировать батарею ноутбука или собрать новую нужно приобретать аккумуляторы без защиты. Для использования в единичном экземпляре нужно покупать элементы с защитой.

Правила для пользователей электротранспортом

Емкость таких батарей при длительном хранении практически не уменьшается. Разряжаются li ion аккумуляторы всего на 23% , если хранится при температуре 60 градусов на протяжении 15 лет. Именно благодаря этим свойствам их широко применяют в электротранспортных технологиях.

Для электрического транспорта подходят литий – ионные батареи, имеющие полноценную систему управления, встроенную в корпус.

По этой причине пользователи при эксплуатации забывают об основных правилах, способных продлению их срока службы:

• аккумулятор необходимо полностью зарядить сразу после его покупки в магазине, поскольку в процессе производства заряжаются электроды на 50%. Поэтому доступная емкость уменьшится, т.е. время работы, если отсутствует первоначальная зарядка;
• нельзя допускать полной разрядки батареи, чтобы сохранить ее ресурс;
• заряжать батарею необходимо после каждого выезда, пусть даже заряд еще остался;
• не нагревать аккумуляторы, поскольку высокие температуры способствуют процессу старения. Для того, чтобы использовать ресурс максимально, нужно эксплуатацию проводить при оптимальной температуре, которой является 20-25 градусов. Следовательно, вблизи теплового источника батарею нельзя хранить;
• в холодное время рекомендуется завернуть аккумулятор в полиэтиленовый пакет с вакуумным замком, чтобы хранить при 3-4 градусах, т.е. в помещении не отапливаемом. Заряд составлять должен хотя бы 50% от полного;
• после того, как аккумулятор эксплуатировался при отрицательных температурах, нельзя его заряжать, не выдержав некоторое время при температуре комнатной, т. е. его требуется прогреть;
• заряжать батарею нужно от зарядного устройства, поставляемого в комплекте.

ПУ этих батарей несколько подвидов — литий – LiFePO4 (железо – фосфатные), использующие катод из фосфата железа. Характеристики их позволяют говорить об аккумуляторах, как о вершине технологий, используемых для производства батарей.

Основными их преимуществами являются:

• количество циклов заряда-разряда, которое достигает 5000 до момента, когда емкость уменьшится на 20%;
• длительный срок эксплуатации;
• отсутствующий «эффект памяти»;
• широкий температурный диапазон при неизменных рабочих характеристиках (300-700 градусов Цельсия);
• химическая стабильность и термическая, повышающие безопасность.

Наиболее широко применяемые аккумуляторы

Среди множества наиболее распространены li ion аккумуляторы типоразмера 18650, выпускаемые пятью компаниями: LG, Sony, Panasonic, Samsung, Sanyo, заводы которых находятся в Японии, Китае, Малайзии и Южной Карее. Планировалось, что использоваться li ion аккумуляторы 18650 будут в ноутбуках. Однако, благодаря удачному формату их применяют в моделях на радиоуправлении, электромобилях, фонарях и т.д.

Как всякий качественный товар, такие аккумуляторы имеют много подделок, поэтому, чтобы продлить срок эксплуатации прибора, приобретать нужно только батареи известных брендов.

Пожароопасность различных типов литиевых аккумуляторов

Многие слышали, что аккумуляторы могут загореться, но далеко не все задавались вопросом — а все ли аккумуляторы одинаково пожароопасны? Давайте разберемся.

Существует несколько видов литиевых аккумуляторов:

Li-ion

Начнем с одного из самых распространенных типов — Li-ion. Аккумуляторы данного типа обладают высокой энергоемкостью (до 280 Вт*ч/кг), наиболее часто встречаются в формате цилиндрических ячеек различных типоразмеров, самые популярные — 18650, 21700, 32650. Из таких элементов чаще всего собирают аккумуляторные батареи для электровелосипедов, электрокаров, аккумуляторного инструмента и т.д.

Минимальное напряжение для Li-ion аккумулятора варьируется от 2,5 до 2,75V, максимальное — от 4,2 до 4,35V.

В свою очередь Li-ion аккумуляторы имеют разные типы химии:

— в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется кобальт лития. Главным преимущество таких аккумуляторов является их стоимость. У них сравнительно небольшая емкость (2000-2500mA*h) и низкие показатели токоотдачи (1-2C).

Используются они, например, в АКБ для ноутбуков. Это самый небезопасный тип Li-ion аккумуляторов, они наиболее чувствительны к перезаряду, перегреву, и механическим повреждениям. Категорически не рекомендуется использовать без платы BMS, а так же в устройствах потребляющих большие токи(>2C).

— в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется литий-марганец. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, что значительно расширяет область их применения. Емкость приблизительно такая же, как и у ICR — до 2500mA*h.

Этот тип аккумуляторов более безопасен, в сравнении с ICR, поскольку гораздо меньше подвержен нагреву в диапазоне рабочих токов.

— в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется никелат лития. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, но в отличии от IMR может иметь гораздо более высокую емкость — до 3500mA*h. Так же не значительно подвергнут нагреву, при соблюдении рабочих токов.

— в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется

никелат лития и кобальт. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 2C. Имеет высокую емкость — до 3500mA*h. Главным преимуществом является высокий срок службы — более 500 циклов заряда-разряда. При сборке АКБ из NCR элементов следует учесть, что, если работа батареи планируется на токах, близким к максимально допустимым, то рекомендуется позаботится о контроле температуры, такой возможностью обладают некоторые платы BMS.

Защищенные и незащищенные литий – ионные батареи

Важно для литиевых батарей также, защищенными они являются или нет. Рабочий диапазон первых — 4,2-2,5В (применяются в девайсах, рассчитанных на работу с литий-ионными источниками): светодиодных фонарях, бытовой маломощной технике и пр.

В электроинструментах, велосипедах с электродвигателями, ноутбуках, видео- и фототехнике применяются незащищенные аккумуляторы, управляемые контроллером.

Рекомендуем:

• Выбор аккумулятора для бесперебойника
• Универсальное устройство для зарядки аккумуляторов
• Мод wismec rx200: обзор и технические характеристики

Функции, выполняемые контроллером

Для чего нужен контроллер заряда li ion аккумулятора? Он выполняет несколько функций:

• подает ток, компенсирующий саморазряд. Его величина меньше, чем максимальный ток заряда, но больше, чем ток саморазряда;
• реализует эффективный алгоритм цикла заряд/разряд для конкретного аккумулятора;
• компенсирует разницу энергетических потоков при одновременной зарядке и обеспечении энергией потребителя. К примеру, при зарядке и питании ноутбука;
• измеряет при перегреве или переохлаждении температуру, предотвращая порчу батарее.

Изготавливают контроллер заряда li ion аккумулятора либо в виде встраиваемой в батарею микросхемы, либо как отдельное устройство.

Причины возгорания Li-ion аккумуляторов

Основные причины возгорания — это перегрев или механические повреждения.

Если повреждение аккумулятора достаточно сильное, то возгорание может произойти моментально.

Что касается перегрева, он может быть вызван несколькими факторами:

• внешнее тепловое воздействие;
• короткое замыкание;
• перезаряд;
• использование аккумулятора при токах, выше допустимых
  .

Если элемент нагревается до 80-90°C, может запустится химическая реакция, которая продолжит его нагревать, при достижении температуры 180-200°C происходит самовозгорание с дальнейшим повышением температуры вплоть до 900°С

Стоит отметить, что, во многих Li-ion аккумуляторах установлен защитный клапан. Это устройство, которое сбрасывает избыточное давление из элемента в случае его перегрева, а так же размыкает электрическую цепь в районе его плюсового контакта. Благодаря защитному клапану во многих экстренных ситуациях удается избежать возгорания и взрыва.

Так же существуют элементы со встроенными платами защиты, которые контролируют минимальное и максимальное напряжение, а так же ограничивают ток. Такие аккумуляторы имеют немного большую длину, и более высокую цену.

Li-pol

Li-pol аккумуляторы очень близки по своим характеристикам к Li-ion. Они широко используются в мобильных устройствах, носимой электронике, RC моделях и Т.Д. обладают еще большей энергоемкостью, чем Li-ion. Рабочий диапазон напряжения — минимальное от 2,5 до 2,75V, максимальное — от 4,2 до 4,35V. Ключевое отличие от Li-ion — это огромная разнообразность типоразмеров.

Все причины возгорания Li-ion элементов справедливы и для Li-pol, но в сравнении с Li-ion такие аккумуляторы гораздо более чувствительны к механическим повреждениям, они «не любят» тряску, и не имеют защитных клапанов.

LiFePO4

Данный тип аккумуляторов чаще всего используется в качестве замены свинцовых АКБ, в резервных источниках питания, а так же в различном электротранспорте. В сравнении с Li-ion имеет более низкую энергоемкость — до 190–250 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение — 2,5V, максимальное — 3,65V.

Это более безопасный тип литиевых аккумуляторов, они имеют очень высокую термическую и химическую стабильность, Т.Е. при перегреве LiFePO4 не самовозгорается. Но так же стоит понимать, что хоть LiFePO4 и не склонен химическому горению, неисправная АКБ, например, при коротком замыкании способна разогреться до высоких температур, что в свою очередь может спровоцировать возгорание окружающих батарею предметов.

Литий-титанатные аккумуляторы используются там, где требуется большая токоотдача, например, в автомобильных АКБ. Характеризуются высочайшей долговечностью — до 25000 циклов заряда-разряда. Имеют еще более низкую энергоемкость — до 110 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение на элементе — 1,6V, максимальное — 2.7V.

Так же, как и LiFePO4, литий-титанат считается довольно безопасным типом аккумуляторов, т.к. не подвержен самовозгоранию в случае возникновения нештатной ситуации, а так же способен выдерживать огромные токи заряда и разряда.

Зарядка аккумулятора

Для зарядки батарей лучше использовать штатное зарядное устройство для 18650 li ion аккумуляторов, поставляемое в комплекте. Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 18650 обычно имеет индикацию уровня заряда. Чаще это светодиод, который показывает, когда идет заряд и его окончание.

На более продвинутых устройствах можно отслеживать на дисплее время, оставшееся до окончания заряда, текущее напряжение. Для аккумулятора 18650, емкость которого 2200мА, время зарядки составляет 2 часа.

Но, важно знать, каким током заряжать li ion аккумулятор 18650. Он должен составлять половину номинальной емкости, т.е., если она составляет 2000 mAh, то ток оптимальный – 1А. Заряжая аккумулятор высоким током, быстро наступает его деградация. При использовании низкого тока потребуется больше времени.

Видео: Как заряжать аккумулятор Li ion зарядное своими руками

Действия в экстренной ситуации

В случае если произошло возгорание Li-ion или Li-pol АКБ следует помнить, что это химическое горение, т.е. порошковые и углекислотные огнетушители будут неэффективны, в такой ситуации необходимо как можно быстрее залить его водой, это снизит температуру, и остановит реакцию. В случае если воды не оказалось под рукой, то самым правильным решением будет убедиться в отсутствии горючих предметов рядом с аккумулятором, и дать ему выгореть, отойдя на безопасное расстояние.

печально известный galaxy note 7. Последствия самовозгорания батареи.

Стоит отметить, что литиевые аккумуляторы продолжают совершенствоваться, с каждым годом производители стараются делать их не только более емкими, но и более безопасными (защитные клапаны, встроенные платы защиты). В общем и целом, при соблюдении простых правил, литиевые аккумуляторы являются надежным и безопасным источником хранения энергии с массой преимуществ.

Схема устройства для зарядки аккумуляторов

Выглядит она следующим образом:

Отличается схема надежностью и повторяемостью, а входящие детали являются недорогими и легкодоступными. Чтобы срок эксплуатации батареи увеличить, требуется грамотная зарядка li ion аккумуляторов: к концу зарядки напряжение должно уменьшаться.

После ее завершения, т.е. при достижении нулевой отметки током, должна остановиться зарядка li ion аккумулятора. Схема, приведенная выше, этим требованиям удовлетворяет: подключенный к зарядному устройству разряженный АКБ (загорается VD3), использует ток 300мА.

Об идущем процессе свидетельствует горящий светодиод VD1.Постепенно уменьшающийся до 30 мА ток, свидетельствует о зарядке аккумулятора. Об окончании процесса сигнализирует, загоревшийся светодиод VD2.

В схеме использован операционный усилитель LM358N (можно заменить его аналогом КР1040УД1 или же КР574УД2, отличающимся расположением выводов), а также транзистор VT1 S8550 9 светодиоды желтого, красного и зеленого цветов (1,5В).

Источник