Шумы li ion аккумуляторов

Причина поломок литиевых батарей

Статья обновлена: 2020-12-17

Деградация литий-ионных аккумуляторов заключается в постепенной потере исходной емкости, в результате чего элементы быстро разряжаются и не справляются со своими задачами. Процесс деградации неизбежен, но протекает медленно – обычно Li-ion аккумуляторы перестают держать заряд после 1000 рабочих циклов перезарядки. Причина снижения рабочих характеристик литиевых элементов кроется в особенностях их структуры.

Многочисленные циклы заряд-разряд и воздействия высоких температур приводят к нарушениям в передвижении между электродами ионов лития. Активная часть катода в Li-ion аккумуляторе имеет определенную атомную структуру, которая обеспечивает необходимую стабильность и производительность элементов. Рассмотрим подробнее роль ионов лития в строении и работе Li-ion аккумуляторов.

Причины деградации Li-ion аккумуляторов

В процессе заряда и разряда аккумулятора ионы лития перемещаются между катодом и анодом. В идеале они должны при каждом последующем возвращении к катоду занимать свои прежние места – для сохранения стабильной кристаллической структуры. Но в реальности ионы лития сколько угодно меняют свое местоположение, далеко не всегда возвращаясь на свои места, и кристаллическая структура катода меняется с каждым циклом разряд-заряд.

В результате катод получает измененную кристаллическую структуру с другими электрохимическими характеристиками. Это происходит из-за изменения начального расположения атомов, которое обеспечивало необходимые параметры. Но деградация может затрагивать и другие части аккумулятора. В частности, эффективному движению электронов во внешнюю цепь препятствует разрушение поверхности коллектора тока.

Аккумулятор может коррозировать из-за взаимодействия электролита и электродов. Анод из графита легко отпускает электроны в электролит, из-за чего на его поверхности появляется нежелательное покрытие. Катод же легко принимает находящиеся в электролите электроны, что приводит к появлению на его частях покрытия и к разъеданию алюминия коллектора тока.

Из-за реакции графита с электролитом появляется пористый слой, на создание которого тратится часть лития. При нагреве или глубоком разряде аккумулятора этот слой частично растворяется в электролите, и на создание нового защитного слоя опять тратится литий. К тому же, толстый защитный слой препятствует свободному перемещению ионов Li, что негативно сказывается на характеристиках аккумулятора.

Как сохранить аккумулятор 18650

В вопросе, как сохранить литий-ионный аккумулятор 18650 или другого типоразмера от ускоренной деградации, используются разные методы:

1. Применение электролитических добавок, препятствующих негативным реакциям между электродами и электролитом.
2. Поиск более стабильных кристаллических структур для создания электродов.
3. Использование более стабильных электролитов и связующих материалов.
4. Усовершенствование корпусов и температурных систем управления – для сохранения аккумуляторов в безопасном температурном диапазоне.
5. Соблюдение правил эксплуатации, в т. ч. исключение перегрева аккумуляторов и их глубокого разряда.

Источник

Li-Ion аккумуляторы — правда и мифы.

2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится — при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже

3 В «умный» контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все — аккумулятор можно нести на помойку.
Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до «критических» 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому «разряженному» аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.

Миф второй. При повреждении Li-Ion аккумуляторы взрываются.
Все мы помним «взрывной» Samsung Galaxy Note 7. Однако это скорее исключение из правил — да, литий очень активный металл, и взорвать его в воздухе нетрудно ( а в воде он и сам очень ярко горит). Однако в современных аккумуляторах используется не литий, а его ионы, которые куда менее активны. Так что чтобы произошел взрыв нужно сильно постараться — или повредить заряжающийся аккумулятор физически (устроить короткое замыкание), или заряжать очень высоким напряжением (тогда он сам повредится, однако скорее всего контроллер банально сгорит сам и не даст заряжать аккумулятор). Поэтому если у вас вдруг в руках оказался поврежденный или дымящийся аккумулятор — не стоит бросать его на стол и убегать из комнаты с криками «мы все умрем» — просто положите его в металлическую тару и вынесите на балкон (чтобы не дышать химией) — аккумулятор будет тлеть какое-то время и потом потухнет. Главное — не заливать водой, ионы конечно менее активные чем литий, но все же какое-то количество водорода при реакции с водой так же выделится (а он любит взрываться).

Миф третий. При достижении на Li-Ion аккумуляторе 300(500/700/1000/100500) циклов он становится небезопасен и его нужно срочно менять.
Миф, к счастью все меньше и меньше гуляющий по форумам и не имеющий под собой вообще никакого физического или химического объяснения. Да, во время эксплуатации электроды окисляются и коррозируют, что уменьшает емкость аккумулятора, но ничем кроме меньшего времени автономной работы и нестабильного поведения на 10-20% заряда это вам не грозит.

Миф четвертый. С Li-Ion аккумуляторами нельзя работать на морозе.
Это скорее рекомендация, чем запрет. Многие производители запрещают использовать телефоны при отрицательное температуре, да и многие сталкивались с быстрым разрядом и вообще отключением телефонов на холоде. Объяснение этому очень простое: электролит — это водосодержащий гель, а что происходит с водой при отрицательных температурах все знают (да, она замерзает если что), тем самым выводя некоторую область аккумулятора из работы. Это приводит к падениею напряжения, а контроллер начинает считать это разрядкой. Аккумулятору это не полезно, но и не смертельно (после нагрева емкость вернется), так что если вам позарез нужно пользоваться телефоном в мороз (именно пользоваться — достать из теплого кармана, посмотреть время и спрятать назад не считается) то лучше зарядите его на 100% и включите любой процесс, нагружающий процессор — так охлаждение будет происходить медленнее.

Миф пятый. Вздувшийся Li-Ion аккумулятор опасен, его нужно срочно выкинуть.
Это не совсем миф, скорее предосторожность — вздувшийся аккумулятор может банально лопнуть. С химической точки зрения все просто: при процессе интеркаляции происходит разложение электродов и электролита, в результате чего выделяется газ(так же он может выделяться и при перезарядке, но об этом чуть ниже). Но его выделяется крайне мало, и чтобы аккумулятор казался вздутым должно пройти несколько тсотен (если не тысяч) циклов перезарядки (если конечно он не бракованный). Проблем избавиться от газа нет — достаточно проткнуть клапан (в некоторых аккумуляторах он сам открывается при избыточном давлении) и стравить его (дышать им не рекомендую), после чего можно замазать дырку эпоксидной смолой. Конечно былую емкость это аккумулятору не вернет, но хотя бы теперь он точно не лопнет.

Миф шестой. Li-Ion аккумуляторам вреден перезаряд.
А вот это уже не миф, а суровая реальность — при перезарядке велик шанс что аккумулятор вздуется, лопнет и загорится — поверьте, мало удовольствия быть забрызганным кипящим электролитом. Поэтому во всех аккумуляторах стоят контроллеры, банально не дающие зарядить аккумулятор выше определенного напряжения. Но тут надо быть крайне осторожным в выборе аккумулятора — контроллеры китайских поделок зачастую могут сбоить, а фейерверк из телефона в 3 часа ночи думаю вас не обрадует. Разумеется, такая же проблема есть и в брендовых аккумуляторах, но во-первых там такое случается гораздо реже, а во-вторых вам по гарантии поменяют весь телефон. Обычно этот миф порождает следующий:

Миф седьмой. При достижении 100% нужно снимать телефон с зарядки.
Из шестого мифа это кажется разумным, но на деле нет смысла вставать посреди ночи и снимать устройство с зарядки: во-первых сбои контроллера крайне редки, а во-вторых даже при достижении 100% на индикаторе аккумулятор еще некоторое время дозаряжается до самого-самого максимума низкими токами, что добавляет еще 1-3% емкости. Так что на деле не стоит так сильно перестраховываться.

Миф восемь. Заряжать устройство можно только оригинальным зарядником.
Миф имеет место быть по причине некачественности китайских зарядников — при нормальном напряжении в 5 +- 5% вольт они могут выдавать и 6, и 7 — контроллер, конечно, какое-то время будет сглаживать такое напряжение, однако в будущем оно в лучшем случае приведет к сгоранию контроллера, в худшем — к взрыву и (или) выходу из строя материнской платы. Бывает и обратное — под нагрузкой китайский зарядник выдает 3-4 вольта: это приведет к тому что аккумулятор не сможет зарядиться полностью.

Как видно из целой кучи заблуждений далеко не все имеют под собой научное объяснение, и еще меньше реально ухудшают характеристики аккумуляторов. Но это не значит что после прочтения моей статьи нужно бежать сломя голову и покупать дешевые китайские аккумуляторы за пару баксов — все-же для долговечности лучше взять или оригинальные, или качественные копии оригинальных.

Источник

Что именно убивает Li-ion (литий-ионный) аккумулятор?

Им характерны значительные ограничения, они небезопасны, недолговечны. Главная проблема литий-ионных аккумуляторов — несовершенство.

Поскольку создать что-то получше пока не удаётся , производители стремятся нивелировать недостатки технологии . Например, прибегают к различного рода ухищрениям, инженерным новациям и новым материалам электродов, сепараторов, электролитов.

🔎 Кстати взгляните , что внутри аккумулятора телефона/смартфона.

Предположим, Вы как пользователь идеально эксплуатируете аккумулятор литий-ионного (Li-Ion) или литий-полимерного (Li-Polymer) типа. Так мы исключаем человеческий фактор. Тогда главным негативным фактором для него будет время .

Другими словами, износ происходит постоянно в любом режиме. Но что именно вызывает старение и сопутствующие проблемы с литий-ионным аккумулятором (и литий-полимерным, так как они эквивалентны)?

Главный источник износа (проблемы) литий-ионных аккумуляторов

Из-за низкой устойчивости к высокому напряжению на поверхности углеродной матрицы отрицательного электрода возможно осаждение металлического лития. Он обладает большой реакционной способностью к электролиту. На положительном электроде активно выделяется кислород.

1. Катод выделяет избыток кислорода.
2. Кислород вступает в реакцию с электролитом.
3. В процессе реакции образуется диэлектрическая оксидная плёнка.
4. Плёнка заполняет поверхность катода.
5. Присутствие плёнки на катоде препятствует передаче энергии между электродами [ инжекции ].
6. Уменьшение количества передаваемой энергии снижает производительность* всей батареи — падает ёмкость, увеличивается внутреннее сопротивление.

⭐- узнайте, что означает термин « производительность аккумулятора » в отношении технологии Li-Ion.

Любопытен факт, что дальнейшее движение электронов в плёнке под воздействием поля изучено недостаточно хорошо. Исследования проводятся по сей день.

Как решают проблему литий-ионных аккумуляторов?

С помощью нанесения на катод специальных покрытий . У всех производителей они разные, что влияет и на качество изделия, в общем-то. Сейчас в основном это токопроводящие полимеры [ источник ].

I. Какие задачи выполняет такой материал?

В основном он уменьшает скорость образования плёнки. В ряде проектов даже препятствует её образованию.

Повторимся, у разных производителей отличаются решения. Исследования в этой области не останавливаются уже 30 лет.

II. Универсального решения нет

К сожалению, универсального материала нет. Их присутствие на катоде неизбежно замедляет вход и выход ионов лития. Общая эффективность аккумулятора снижается.

🔥 Производитель вынужден выбирать — или долгий срок службы, или хорошие характеристики сразу после покупки?

Ухудшение характеристик всё еще может происходить. Катод аккумулятора покрывается не полностью и не всегда качественно. А если он работает ещё и при высокой температуре или на высоком напряжении, то полезный эффект такого материала может быть минимальным.

III. Увеличить срок службы или выделиться на фоне конкурентов?

Как вы думаете, с экономической точки зрения, что выгоднее?

• Долгий срок службы, но дорогой материал.
  То есть нанести дорогостоящий материал на катод и получить долгий срок службы (напомним, литий-ионные аккумуляторы служат в среднем два-три года).
• Сразу дать хорошие характеристики и сэкономить на материале.
  При острой конкуренции, как например, сейчас на смартфонном рынке, сразу выдать изделие с отменными характеристиками, а там, когда плёнка образуется на всём катоде, изделие уже будет устаревшим.

IV. Всё зависит от цели аккумулятора

В электроинструменте, электромобилях и другой электронике длительной эксплуатации, разумеется, играет значительную роль срок службы. Он нужен как раз для получения конкурентных преимуществ.

В смартфонах, мелкой бытовой электронике с жизненным циклом не более пяти лет аккумуляторы со сроком службы два-три года вполне вписываются в концепцию. Нет смысла применять покрытие, которое ещё и не покрывает всю поверхность катода.

Источник

Эксплуатация Li-ion баратей

Введение

Все мы так или иначе знакомы с литий-ионными аккумуляторами. Они на столько распространены, что их можно найти в любом доме. Производители их встраивают практически везде: фонарики, мобильные телефоны, ноутбуки, планшеты… Но очень мало людей знают, как их правильно эксплуатировать. Итак, поехали.

Начало использования или калибровка

При покупке любого оборудования с аккумуляторной батареей внутри всегда лучше ее проверить на работоспособность в магазине. Если ваше устройство не включается, то лучше воздержаться от покупки. Есть вероятность, что данное устройство полежало на складе очень долгое время, прежде чем попасть к вам в руки и, возможно, после покупки аккумулятор не будет держать заряд так хорошо.

Обычно любое устройства с аккумулятором в начале своей жизни должно включиться и проработать некоторое количество времени. Если вам попался в руки именно такой аппарат, то покупаем и радуемся покупке. Но придя домой не следует сразу же заряжать аккумулятор до 100%. Следует произвести так называемую раскачку аккумуляторной батареи аппарата, т.е. дать возможность аккумулятору набрать максимальную ёмкость для дальнейшей надлежащей эксплуатации.

Первоначально аккумулятор нужно полностью разрядить (0%). После разрядки аккумулятора его следует полностью зарядить (100%) для увеличения рабочей ёмкости и правильной калибровки системы управления аккумулятором. Для достижения максимальной рабочей ёмкости аккумулятора требуется произвести 3-4 полных цикла зарядки-разрядки батареи. И заряжать следует именно тем зарядным устройством, которое было рекомендовано производителем.

Эксплуатация откалиброванного аккумулятора

После того, как аккумулятор был откалиброван, вы можете использовать аккумулятор как угодно, но придерживаясь некоторых правил:

1. Не стоит устройства литий-ионным аккумулятором (например, сотовый телефон) оставлять близко с источником тепла или под палящим солнцем. Максимально допустимые температуры, при которых возможно использование литий-ионных аккумуляторов: от –20°C до +50°C.

2. При отрицательных температурах аккумуляторы могут «проседают», из-за чего показывают уровень заряда меньше. Также нужно помнить, что при отрицательных температурах аккумуляторы не заряжаются.

3. Если ваше устройство с литий-ионным аккумулятором говорит, что заряд на исходе и следует подключить его к источнику тока, то так и стоит сделать. Рекомендуемые значения для зарядки является от 7% до 20%. (За исключением случаев калибровки.)

4. Калибровку аккумулятора стоит производить один раз в 3-4 месяца или 40 циклов зарядки. Процесс калибровки аккумулятора очень прост, но требует много времени. Нужно полностью разрядить аккумулятор до 0%, а потом зарядить до 100% и оставить его включенным к зарядке еще на пару часов.

5. Заряжать аккумуляторные батареи лучше всего зарядным устройством, которое было рекомендовано производителем.

6. Аккумуляторные батарей нельзя паять! Рекомендуется использовать только контактной сварку.

Источник