Разрядная характеристика литиевого аккумулятора

Разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов

Первые литий-ионные аккумуляторы были довольно непрочными и считались непригодными для высоких нагрузок. Но сегодня ситуация изменилась, и эта электрохимическая система стоит наравне с никелевой и свинцовой. Существует две основные направленности литий-ионных аккумуляторов — оптимизация под энергетические (емкостные) и мощностные требования.

1. Оптимизация под энергетические (емкостные) показатели

Энергетический литий-ионный элемент оптимизирован под максимальную емкость для обеспечения долгой автономной работы. Примером такого элемента является Panasonic NCR18650B (рисунок 1), которая обладает высокой емкостью, но при разрядке значением в 2С и больше имеет существенное проседание характеристик. При пороговом значении напряжения отсечки в 3,0 В на элемент, разрядка силой 2С снизит емкость до 2,3 Ач вместо номинальных 3,2 Ач. Такие элементы рассчитаны, в первую очередь, для портативных компьютеров и других не особо мощных применений.

Рисунок 1: Разрядные характеристики Panasonic NCR18650B. Элемент емкостью 3,200 мАч разряжается силой 0,2С, 0,5С, 1С и 2С. Отмеченная красным кружком область с пороговым напряжением отсечки 3,0 В на линии разряда силой 2С фиксирует момент полного разряда. Понижение температуры окружающей среды также приведет к потерям емкости, при 25°С емкость будет соответствовать номиналу, при 0°С ее значение будет составлять

83 % от номинальной емкости, при -10°С —

Standard Range AGM	Deep Cycle Range AGM	Gellyte Range GEL
10 — 12 лет / 600 циклов	10 — 12 лет / 700 циклов	10 — 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM	для глубоких разрядов AGM	универсальная серия GEL

2. Оптимизация под мощностные показатели

Элемент Panasonic UR18650RX имеет небольшую емкость, но превосходные нагрузочные характеристики. Разряд силой тока 10 А (5С) приводит к минимально возможным потерям емкости с напряжением отсечки 3,0 В. Такие элементы предназначены для устройств с высокими токами нагрузки, например, для электроинструмента.

Рисунок 2: Разрядные характеристики Panasonic UR18650RX. Показан разряд этого 1950 мАч элемента С-рейтингом 0,2С, 0,5С, 1С, 2С и фиксированной силой тока 10 А. Разрядка всеми вышеперечисленными значениями обеспечивает емкость на уровне 2000 мАч при пороговом напряжении отсечки 3,0 В. Данные элементы обладают умеренной емкостью, но в состоянии удовлетворить высокий ток нагрузки. При понижении температуры окружающей среды реальная емкость понизится до: при 25°С — 100% от номинала, 0°С —

Оптимизированный под показатели мощности элемент способен обеспечить непрерывный разряд силой 10С. Это означает, что элемент типоразмера 18650 емкостью 2000 мАч может обеспечить непрерывное питание нагрузки силой тока 20 А (30 А – в случае, если это элемент Li-фосфатной технологии). Такая превосходная производительность достигается частично за счет снижения внутреннего сопротивления, а также за счет оптимизации площади поверхности активного вещества. Низкое сопротивление обеспечивает высокое значение электрического тока с минимальным повышением температуры. Эксплуатация при максимально допустимом разрядном токе нагревает элемент примерно до 50°С, тогда как максимально допустимая температура составляет 60°С.

Marin GEL Range	Deep Cycle GEL Range	Solar GEL Range
10 — 12 лет / 800 циклов	10 — 12 лет / 800 циклов	10 — 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров	для глубоких циклических разрядов	для солнечных электростанций

Для удовлетворения нагрузочным характеристикам у производителей аккумуляторов есть два пути: использование оптимизированных под мощность элементов или увеличение размеров аккумулятора из элементов, “заточенных” под емкость. Подобный метод из увеличения количества элементов используется в аккумуляторных системах электромобиля Tesla, и хотя такая система обеспечит отличный показатель автономного времени работы, ее вес и стоимость будут значительно увеличены.

3. Сигнатура разрядки

Одним из уникальных свойств аккумуляторов на основе лития и никеля является способность обеспечения непрерывной высокой мощности, вплоть до полного исчерпания аккумулятора. Это свойство становится возможным благодаря быстрому электрохимическому восстановлению. Свинцово-кислотный аккумулятор является “медленным”, его можно сравнить с фломастером, которому для восстановления способностей после расхода краски необходимо некоторое время. И в то время как восстановление характеристик относительно быстрое при разрядке (например, при запуске двигателя стартерным аккумулятором), то вся медлительность химических реакций становится очевидной при зарядке, которая длится 14-16 часов. С увеличением возраста свинцово-кислотного аккумулятора скорость восстановления его характеристик становится только хуже.

Аккумулятор может разряжаться постоянной нагрузкой, скажем в 0,2С, как, например, происходит в фонарике, но многие другие устройства требуют кратковременных нагрузок, в два-три раза превышающих допустимый разрядный С-рейтинг. Примером такого импульсного потребления электричества может служить технология GSM (Global System for Mobile Communications), используемая в мобильных телефонах. GSM требует пикового значения силы тока в 2 А каждые 577 микросекунды. Такая специфичность работы выдвигает особые требования к небольшим аккумуляторам, к тому же, при высокой частоте импульсного энергопотребления, электрические батареи начинают вести себя как большие конденсаторы и их характеристики, соответственно, меняются.

Рисунок 3: Разрядные импульсы GSM-приемника мобильного телефона. Импульсы частотой 577 микросекунд зависят от расстояния до ближайшей вышки и могут достигать 2 А.

Phoenix Charger	Skylla-i	Skylla-TG
12/24В, 16-200А	24В, 80-500А	24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

С точки зрения долговечности, аккумуляторной батарее наиболее предпочтителен постоянный разрядный ток умеренной силы в сравнении с импульсной или одномоментной высокой нагрузкой. Рисунок 4 демонстрирует уменьшающуюся емкость NiMH аккумулятора при различных условиях разрядки — от “мягкого” постоянным током 0,2С до импульсного режима. Стоит отметить, что большинство электрохимических систем, в том числе и литий-ионная, будут демонстрировать похожее поведение с нагрузочными характеристиками, указанными на рисунке 4.

Рисунок 4: Жизненный цикл никель-металл-гидридного аккумулятора при различных условиях нагрузки. NiMH лучше работает с постоянным разрядным током и аналоговыми устройствами, подключение цифровых устройств снижает срок службы. Li-ion ведет себя аналогичным образом.

На рисунке 5 анализируется количество полных циклов оптимизированного под емкостные показатели литий-ионного элемента при разрядке различными значениями С-рейтинга. При значении 2С аккумулятор подвергается значительному стрессу, ограничивая период снижения емкости до половины номинального значения всего лишь 450 циклами.

Рисунок 5: Жизненный цикл оптимизированного под емкостные показатели литий-ионного элемента при различных условиях нагрузки. При высоких нагрузках износ абсолютно всех аккумуляторных батарей увеличивается. Но элементы, оптимизированные под мощностные показатели, являются более выносливыми и надежными в случае высоких нагрузок.

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.

4. Рекомендации относительно разрядных процессов аккумуляторных батарей

Тепло увеличит производительность аккумулятора, но каждые 10°С выше 25-30°С будут сокращать срок его службы вдвое. Рекомендуется держать аккумулятор в прохладном месте.

Не допускайте чрезмерной разрядки.

При высоких нагрузках и повторяющихся глубоких разрядах использование большого аккумулятора минимизирует наносимый стресс.

Разрядка умеренным постоянным током лучше для аккумулятора в сравнении с импульсными и высокими кратковременными нагрузками.

Аккумулятор показывает свойства конденсатора при разрядке высокочастотным током. Это позволяет использовать более высокие пиковые токи в сравнении с разрядкой постоянным током.

Аккумуляторы на основе никеля и лития имеют высокое химическое быстродействие; свинцово-кислотные же являются медленными, и им необходимо несколько секунд для восстановления характеристик между тяжелыми разрядами.

Приближение к граничным уровням заряда и разряда несет деградационный характер для всех электрохимических систем.

Источник

Литий-ионный аккумулятор — типы и характеристики, принцип работы

Литий-ионный аккумулятор – описание, история создания

Литий-ионный аккумулятор – источник тока, основанный на преобразовании химических реакций, происходящих внутри источника, в электрическую энергию. Данный тип батареи наиболее распространён в современной жизни, в большинстве своём из-за повсеместного использования в электронике: сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах, ноутбуках и так далее. Кроме этого, литиевые аккумуляторы ставят в электромобили.

Первое упоминание современных литиевых аккумуляторных батарей относится к 70-м годам XX века и связано с именем Майкла Стэнли Уиттингема. Будучи химиком в нефтяной компании «Exon», он создал источник тока, в котором в качестве анода использовался сульфид титана, а катод был литиевым. Первая батарея обладала напряжением 2,3 Вольт и способностью перезаряжаться, однако была пожароопасной и ядовитой. При взрыве, который мог случиться внезапно, литий вступал в контакт с воздухом и горел, а дисфульд титана выделял сероводород, вдыхание которого как минимум неприятно. Помимо этого, титан обладает и всегда обладал высокой стоимостью, и из-за всех этих факторов проект Уиттенгема был закрыт.

Литий-ионная батарея, несмотря на свои недостатки, казалась достаточно привлекательной для продолжения развития, однако требовалась замена анодного материала, чем в 1978 году занялся Джон Гуденаф. Спустя некоторое время он обнаружил, что кобальтит лития (оксид лития-кобальта) обладает лучшими характеристиками, касающимися безопасности использования, а также напряжением, достигающим 4 Вольта. Однако использование лития в качестве катодного материала становилось причиной короткого замыкания аккумулятора. В 1980 году Рашид Язами указал на графит и назвал его наиболее подходящим в качестве анода материалом.

Однако потребовалось ещё одиннадцать лет, чтобы созданная и усовершенствованная батарея появилась в продаже под брендом компании «Sony».

СПРАВКА: Разработчик коммерческой версии аккумулятора Акиро Ёсино, а также Уиттенгем и Гуденаф в 2019 году получили Нобелевскую премию в области химии за равноценный вклад в создание литиево ионных аккумуляторов.

Принцип действия

Работа литионных аккумуляторов основана на электрохимическом потенциале, суть которого заключается в способности металлов отдавать отрицательные заряды. При подключении электрической цепи на аноде источника тока происходит химическая реакция, сопровождаемая образованием на его поверхности свободных электронов. По законам физики освобождённые электроны стремятся к положительной стороне – катоду, чтобы восстановить баланс, однако от движения их удерживает электролит, находящийся между анодом и катодом. Тем самым отрицательные заряды вынуждены двигаться к положительным «в обход» – через всю электрическую цепь, создавая ток.

Положительные ионы, образовавшиеся на стороне анода после «побега» электронов, проходят через электролит к катоду, чтобы удовлетворить потребность в отрицательных зарядах. В момент, когда все электроны переместятся на отрицательный электрод, аккумулятор будет разряжен.

Процесс зарядки запускает электрическую энергию в цепь, тем самым запуская в батарее обратную реакцию – скопление электронов на аноде. После полного перезаряда батарейки её можно заново подключать к цепи.

ВНИМАНИЕ: даже находясь в режиме ожидания, аккумуляторы теряют часть заряда. При этом они обладают такой характеристикой как старение – постепенно приходящая неспособность удерживать первоначальное количество заряда.

Устройство li-ion аккумулятора

В li-ion аккумуляторах в качестве отрицательного электрода служит алюминиевая фольга с нанесённым поверх слоем оксида лития. Анодом выступает медная фольга, и на её поверхность наносится графит. Между электродами располагается пористый разделитель, пропитанный электролитом. Все компоненты ради уменьшения занимаемого ими объёма сворачиваются в цилиндр или в пакет и помещаются в полностью герметичный корпус. При этом анод и катод присоединяются к токоснимающим клеммам. Герметичность конструкции обуславливается недопустимостью вытекания электролита. Кроме этого нельзя, чтобы внутрь батареи попали пары воды или кислорода, иначе произойдёт реакция между попавшим веществом и электролитом или электродами, и аккумулятор выйдет из строя.

В батарейку в соображениях безопасности могут быть включены специальные элементы. Например, устройство, которое увеличит сопротивление аккумулятора при положительном температурном коэффициенте. А также устройство, которое в случае превышения давления газа допустимых значений разорвёт связь между катодом и положительной клеммой. Иногда корпус батареи может быть оснащён клапаном предохранения, основной задачей которого является сброс внутреннего давления в случае аварийной ситуации или нарушения эксплуатационных условий.

Некоторые особо важные источники таки могут обладать внешней электронной защитой, которая не позволяет перегреть или перезарядить батарейку, а также исключает возможность короткого замыкания.

По форме корпуса li-ion аккумуляторы делятся на цилиндрические и призматические, первые из которых изготавливаются путём сворачивания слоёв, из которых состоит батарея. Призматический тип аккумулятора li-ion, численно превосходящий из-за применения в ноутбуках и мобильных телефонах, создаётся путём плотного складывания пластин друг на друга.

Характеристики литиевых аккумуляторов

ИНТЕРЕСНО: собственные удельные характеристики обеспечили описываемым батареям лидирующие позиции среди всех выпускаемых химических источников тока.

Рабочее напряжение

Минимальное значение напряжения составляет 2,2-2,5 Вольт, а максимальное не превышает 4,25-4,35 Вольт. На данную характеристику в значительной степени влияет материал, используемый для электродов.

Ёмкость

На свойство батареи хранить заряд непосредственно влияет ток и температура, которая возникает при разряде. Вообще максимальная ёмкость аккумуляторов варьируется в широком диапазоне и зависит от типоразмера. Например, в наиболее распространённой батарее 18650 ёмкость обычно находится в пределах от 1000 до 3600 миллиампер-час.

СПРАВКА: 14500 аккумулятор, размеры которого сопоставимы с пальчиковой батарейкой (АА), также популярен среди пользователей и обладает номинальной ёмкостью 900 микроампер-час.

В общем, под ёмкостью подразумевается количество ионов лития, способных достигнуть анода или катода. Со временем после многочисленных зарядок электроды теряют свои свойства и могут вместить всё меньшее число зарядов, а аккумулятор тем временем не способен удерживать прежнее их количество. В результате батарея устаревает и постепенно утрачивает основополагающую функцию.

Рабочая температура

Предельные значения температуры находятся в диапазоне от -20°С до +50°С, однако работать в пограничных режимах аккумулятор долго не сможет, это скажется на его способности запасать энергию. Оптимальная температура для функционирования составляет примерно 20°С, а лучшие значения для хранения – от 0 до 10°С. При этом уровень заряда 30-50% считается наиболее щадящим для ёмкости при длительном хранении.

ВНИМАНИЕ: если температура упадёт до +4°С объём вырабатываемой батареей энергии уменьшится на 5-7% в соответствии с максимальным значением. Более низкие значения приведут к потери 40-50% ёмкости и преждевременному исчерпанию ресурса.

Саморазряд

Данная характеристика варьируется от 6% до 10% в год.

Количество циклов заряд-разряд

Батарея литиевая не имеет эффекта памяти, а срок её годности рассчитан в зависимости от количества циклов полной разрядки.

Процент оставшегося заряда, %	Количество циклов зарядки
500
50	1500
75	2500
90	4700

Так, для увеличения срока службы аккумулятора стоит чаще его заряжать.

Разновидности аккумуляторов

Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:

• Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
• Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
• Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
• Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
• Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.

Особенности хранения и утилизации

Хранить li-ion аккумуляторы необходимо в следующих условиях:

• Место хранения должно быть сухим и прохладным, причём батарейку следует предварительно извлечь из оборудования.
• Оптимальная температура должна находиться в диапазоне от +1°С до +25°С. При этом допускается хранение в холодильнике, но сначала аккумулятор нужно обернуть непромокаемым и не пропускающим влагу материалом.
• Заряд батарейки следует сохранить в районе 40%, это позволит избежать падения напряжения при саморазряде ниже допустимого.

После окончания срока годности использованный аккумулятор нужно сдать на переработку или утилизацию, причём этими вопросами занимаются специализированные службы, занимающиеся приёмом батарей.

Обычно процедура переработки включает в себя несколько этапов:

• Разбор корпуса.
• Избавление от электролита путём слива.
• Очищение электродов.
• Переработка корпуса и переплавление металлов.

ВАЖНО: литиевые батареи нельзя выбрасывать, как обычный мусор! Для их утилизации необходимо обращаться в специальные пункты сдачи.

Существует несколько способов для определения мест сбора использованных источников тока:

• Проект RecycleMap от «Гринпис», позволяющий после выбора и объекта утилизации города найти пункты приёма.
• Городской сайт администрации. На случай, если регион тщательно следит за подобным процессом.
• Сайты с объявлениями. Частные организации и подрядчики выкладывают в интернет информацию о сборе батарей.
• Магазины бытовой техники или крупные гипермаркеты. В последнее время в подобных местах стали появляться специальные контейнеры, куда можно выбросить неработающие батарейки.

Отличие аккумуляторов Li-ion от Ni-Cd аккумуляторов

Ёмкость литий-ионных источников тока значительно выше, чем тот же показатель у никель-кадмиевых аккумуляторов, вследствие чего требуется много меньшая по весу и габаритам батарея, чтобы обеспечить одно и то же время работы.

Также в процессе хранения ввиду низкой скорости саморазряда li-ion аккумуляторы разряжаются меньше, чем другие типы, и они более терпимы к постоянной зарядке, даже если заряд батареи не обнулён.

В плане экологичности рассматриваемые батарейки меньше вредят окружающей среде, чем никель-кадмиевые, как при изготовлении, так и в использовании материалов.

Однако по отношению к Ni-Cd аккумуляторами в литий-ионных используют более дорогостоящие технологии.

Источник