Удельная емкость литий ионного аккумулятора

Почему стоит переплатить за литиевый аккумулятор

Перед теми, кто задумался о сборке электровелосипеда своими руками, довольно часто встаёт вопрос выбора типа аккумулятора. И первое, что приходит в голову — использовать свинцово-кислотный аккумулятор. Причины такого выбора на первый взгляд очевидны — низкая стоимость и простота конструкции (не требуется плата управления BMS).

Однако есть весомые аргументы, которые могут побудить вас отказаться от использования свинцового аккумулятора в пользу литий-ионного. Давайте разберём их по порядку.

1. Разница в весе

Не секрет, что свинцовые аккумуляторы весят больше литий-ионных, но часто этому не придают значения, ставя в приоритет преимущество в цене. Тем не менее, для электровелосипеда низкий вес может оказаться важнее цены, так как его вы будете поднимать и спускать по лестнице (возможно даже каждый день), а иногда загружать в автомобиль для транспортировки.

Кроме того, дополнительный вес не лучшим образом сказывается на динамике разгона и торможения. Больше вес — выше инерционность — значительнее износ тормозных колодок. Также применение тяжёлых свинцовых аккумуляторов увеличивает нагрузку на раму и систему подвески велосипеда.

Рассмотрим, к примеру, аккумулятор на 36 В ёмкостью 7-7,5 Ач. Свинцово-кислотное исполнение представляет собой три последовательно соединённых аккумулятора по 12 В 7Ач, а литий-ионный вариант — 30 ячеек типоразмера 18650 по 2500 мАч и плата BMS, весом около 100 грамм.

2,5 Ач 3,6 В 0,05 кг

3S1P (3 элемента)

10S3P (30 элементов)

Вес готовой батареи

Из таблицы видно, что вес свинцового аккумулятора превосходит вес литий-ионного более чем в 4 раза, и эта разница будет влиять на эксплуатационные характеристики велосипеда, в том числе на запас хода на одном заряде.

Стоит также учесть, что в случае, если вы забыли зарядить батарею перед поездкой, возвращаться на педалях со свинцом на борту будет гораздо тяжелее.

2. Плотность энергии

Литий-ионные аккумуляторы по плотности энергии превосходят свинцовые в несколько раз. В нашем случае свинцово-кислотный аккумулятор имеет абсолютную ёмкость 252 Втч (7 Ач * 36 В) при весе 6,9 кг. То есть плотность энергии составляет 36,5 Втч/кг.

В то же время, литий-ионный аккумулятор при абсолютной ёмкости 270 Втч (7,5 Ач * 36 В) весит 1,6 кг, то есть его плотность энергии составляет 168 Втч/кг, что превосходит значение свинцового аккумулятора более чем в 4 раза.

3. Срок службы и ТО

При эксплуатации аккумулятора его ёмкость постепенно снижается, и скорость этого снижения зависит сразу от нескольких факторов, среди которых глубина разряда, температура эксплуатации и другие.

Срок службы аккумулятора, при соблюдении правил его хранения и эксплуатации, определяется количеством циклов заряда-разряда. Для свинцово-кислотных батарей эта характеристика находится в диапазоне от 200 до 1000 циклов, у литий-ионных аккумуляторов — в диапазоне от 1000 до 4000 циклов.

Кроме этого, свинцовые батареи имеют более высоких саморазряд, и требуют периодического обслуживания — подзарядки и корректировки плотности электролита. Литий-ионные батареи практически не требуют обслуживания, так как функцию балансировки, то есть выравнивания напряжений на ячейках, выполняет плата управления батареей (BMS, Battery Management System).

4. Эффективность (КПД)

Коэффициент полезного действия свинцовых аккумуляторов при правильной эксплуатации составляет около 80-90%. Другими словами, если на зарядку батареи потрачено 100 Вт энергии, то на разряде она отдаст только 80-90 Вт.

У литий-ионных батарей этот параметр достигает 95-97%, то есть практически вся энергия, затраченная при заряде, будет возвращена при подключении нагрузки.

5. Ток заряда и время полной зарядки

Оптимальным током заряда для свинцовых аккумуляторов считается ток, равный 10% от ёмкости аккумулятора в ампер-часах (0,1С), то есть в рассмотренном выше случае при ёмкости 7 Ач оптимальный зарядный ток составит 0,7 А. При быстрой зарядке допускается ток 0,2С (в нашем случае 1,4 А). В обоих случаях ближе к концу процесса зарядки этот ток должен быть уменьшен.

Для литий-ионных аккумуляторов ток заряда лежит в пределах от 0,2С до 1С (при быстрой зарядке), то есть при ёмкости аккумулятора 7 Ач он составит от 1,4 А до 7 А. Заряд осуществляется сначала постоянным током, а затем, при достижении верхнего напряжения, ток постепенно снижается.

В большинстве случаев на полную зарядку свинцового аккумулятора требуется 8-16 часов времени, на зарядку литий-ионного — всего 2-4 часа. Это преимущество по времени позволяет существенно подзарядить литий-ионную батарею даже во время остановки в кафе на обед, если вы отправились в дальнее путешествие.

6. Влияние высоких температур

При эксплуатации в условиях высоких температур происходит быстрая деградация аккумулятора. Но что подразумевается под понятием высокой температуры и откуда она берётся?

При подключении к аккумулятору нагрузки, например, в виде электродвигателя велосипеда, через него начинает протекать ток. Каждый аккумулятор имеет своё внутреннее сопротивление. Соответственно, протекание тока приводит к постепенному нагреву аккумулятора — конечно, в зависимости от силы тока. Чем мощнее нагрузка (выше ток), тем быстрее происходит нагрев.

Если нагрузка слишком высокая для данного аккумулятора, он довольно быстро нагревается, и начинается процесс его ускоренной деградации. Результатом этого процесса является существенное снижение ёмкости аккумулятора, и как следствие, необходимость его последующей замены.

Для свинцового аккумулятора деградация начинается при превышении температуры 25 градусов, для литий-ионного — при превышении 45 градусов по Цельсию.

Заключение

Давайте подведём итог всему вышесказанному. Если вы уже приняли решение использовать свинцово-кислотный аккумулятор на электровелосипеде, используйте. Но если всё-таки аргументы, приведённые в данной статье, вас переубедили, и склонили к приобретению литий-ионного аккумулятора, вы определённо останетесь довольны его значительно меньшим весом, компактными габаритами, отсутствием потребности в обслуживании, более длительным сроком службы и скоростью зарядки.

Кстати, если сравнить разницу в денежном выражении, получим следующее. Три свинцовых аккумулятора обойдутся в сумму около 5 тысяч рублей. Сборка батареи заключается только в последовательном соединении этих аккумуляторов.

Литий-ионную батарею на 7,5 Ач 36 В лучше приобретать в собранном виде, и она обойдётся вам в сумму около 10 тысяч рублей (из Китая дешевле, но дольше, при сомнительном качестве и без гарантии). Это в 2 раза дороже свинцово-кислотного исполнения, но она обладает довольно существенными преимуществами.

Кроме того, литий-ионные аккумуляторы можно приобрести сразу с корпусом, предназначенным для установки на раму велосипеда, и с зарядным устройством в комплекте. Это позволит сократить время сборки, обеспечит надёжную работу батареи и безопасность при эксплуатации.

Если статья Вам понравилась, или даже оказалась полезной, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Впереди будет ещё больше интересного!

Источник

Сравнение аккумуляторов различных типов

Аккумуляторы играют важную роль в нашей жизни, и многие обыденные вещи сейчас уже просто немыслимы без них. Мы зависим от хорошей и надежной работы аккумуляторов, поэтому, чтобы они стабильно работали, надо знать, какими свойствами они обладают и как с ними обращаться. В данной статье рассматриваются характеристики различных типов аккумуляторов, такие как удельная энергия, срок службы, нагрузочные характеристики, необходимость технического обслуживания, скорость саморазряда и т.д.

Сравнение аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Одна из старейших аккумуляторных систем. Эта недорогая, надежная и переносящая перегрузки батарея; но она имеет низкую удельную энергию и ограниченный срок службы. Свинцовый кислотный аккумулятор используется в автомобильном транспорте, в инвалидных колясках, в системах аварийного освещения и в источниках бесперебойного питания (ИБП).

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы

Также является одной из старейших и хорошо изученных аккумуляторных систем. Эти источники питания используется там, где необходим длительный срок службы, высокий ток разрядки, экстремальные температуры и низкая стоимость. Из-за того, что NiCd аккумуляторы наносят значительный вред окружающей среде, их заменяют другими типами систем. Основные области применения: электроинструмент, рации, авиационный транспорт, ИБП. В Европе запретили продавать потребительские товары с такими типами аккумуляторов, но в России их можно приобрести.

Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы

Фактически являются заменой никель-кадмиевых; имеет более высокую удельную энергию и меньшее количество токсичных металлов. NiMH аккумуляторы используется в медицинском оборудовании, в гибридных автомобилях, в ракетно-космической технике, в промышленности.

Литий-ионные (Li‑ion) аккумуляторы

Самый перспективный тип аккумуляторных систем; используется в портативных потребительских товарах, также как и в электромобилях. Li‑ion аккумуляторы чувствительны к превышению напряжения при заряде и, для обеспечения безопасности, в них добавляется защитный контур, но не всегда. Эти типы аккумуляторов дороже, чем описанные выше.

Семейство литий-ионных систем можно разделить на три основных типа батарей в зависимости от материала катода – это кобальт лития, литий-марганцевая шпинель и литий-феррофосфат. Характеристики этих литий-ионных систем приведены ниже.

Кобальт лития или литий оксид кобальта (LiCoO2)

Обладает высокой удельной энергией, переносит умеренные нагрузки и обладает небольшим сроком службы. Применяется в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и других гаджетах.

Литий-марганцевая шпинель или литий-марганцевый (LiMn2O4)

Переносит высокий ток заряда и разряда, но имеет низкую удельную энергию и небольшой срок службы; используется в электроинструментах, медицинском оборудовании и в электрических силовых агрегатах.

Литий-феррофосфатный (LiFePO4)

Схож с литий-марганцевым; номинальное напряжение 3,3 В/элемент; более долговечный, но обладает более высокой скоростью саморазряда, чем другие литий-ионные системы.

Существует и множество других типов литий-ионных аккумуляторов, некоторые из которых будут описаны позднее на этом сайте. Здесь отсутствует популярный литий-полимерный тип аккумуляторов. В то время как литий-ионные системы получили свое название благодаря материалу катодов, литий-полимерные системы заслужили свое название благодаря архитектуре. Также здесь не упоминается литий-металлические (Li-metal) аккумуляторы. Этот тип источника тока еще требует доработки, но, скорее всего, в скором времени они будут обладать необыкновенно высокой удельной энергией и хорошей удельной мощностью.

Таблица 1 — Сравнительные характеристики четырех наиболее часто используемых типов аккумуляторных систем, с указанием усредненных параметров

1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мАч), проводки и количества элементов. Контур защиты литий-ионных батарей добавляет около 100 mΩ

2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.

3 Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.

4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.

5 Самая большая скорость саморазряда сразу после заряда. NiCd аккумулятор теряет 10% заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10% за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.

6 Защитный контур, как правило, потребляет 3% от запасенной энергии в месяц.

7 Чаще используется традиционное напряжение 1,25; 1,2 В.

8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литий-ионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7В и 3,8В полностью совместимы с 3,6В.

9 Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.

10 Не заряжайте регулярно литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.

11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.

12 Для большинства типов литий-ионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше чем 2,20В и больше чем 4,30В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов.

Источник

Немного теории о Li-Ion аккумуляторах

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы.*

Наиболее часто в мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, КПК и другие) применяют литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель-металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами.

У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры.
Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем — щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет.

После множества испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых аккумуляторов закручена вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процессы, происходившие при эксплуатации, в конце концов, приводили к бурной реакция, получившей название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых аккумуляторных батарей, которые впервые использовали в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавший лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за свойственной металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумулятора без применения Li, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, тем не менее Li-ion аккумуляторы безопасны при обеспечении правильных режимов заряда и разряда.

Химические процессы Li-ion аккумуляторов.

Революцию в развитии перезаряжаемых литиевых аккумуляторов произвело сообщение о том, что в Японии разработаны аккумуляторы с отрицательным электродом из углеродных материалов. Углерод оказался весьма удобной матрицей для интеркаляции лития.
Для того чтобы напряжение аккумулятора было достаточно большим, японские исследователи использовали в качестве активного материала положительного электрода оксиды кобальта. Литерованный оксид кобальта имеет потенциал около 4 В относительно литиевого электрода, поэтому рабочее напряжение Li-ion аккумулятора имеет характерное значение 3 В и выше.

При разряде Li-ion аккумулятора происходят деинтеркаляция лития из углеродного материала (на отрицательном электроде) и интеркаляция лития в оксид (на положительном электроде). При заряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении. Следовательно, во всей системе отсутствует металлический (нуль-валентный) литий, а процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Поэтому такие аккумуляторы получили название «литий-ионных», или аккумуляторов типа кресла-качалки.

Процессы на отрицательном электроде Li-ion аккумулятора.

Во всех Li-ion аккумуляторах, доведенных до коммерциализации, отрицательный электрод изготавливается из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы представляет собой сложный процесс, механизм и кинетика которого в существенной степени зависят от природы углеродного материала и природы электролита.

Углеродная матрица, применяемая в качестве анода, может иметь упорядоченную слоистую структуру, как у природного или синтетического графита, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную (кокс, пиролизный или мезофазный углерод, сажа и др.). Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур. Удельный объем углеродных материалов в процессе интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития меняется незначительно.
Кроме углеродных материалов в качестве матрицы отрицательного электрода изучаются структуры на основе олова, серебра и их сплавов, сульфиды олова, фосфориды кобальта, композиты углерода с наночастицами кремния.

Процессы на положительном электроде Li-ion аккумулятора.

Если в первичных литиевых элементах применяются разнообразные активные материалы для положительного электрода, то в литиевых аккумуляторах выбор материала положительного электрода ограничен. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов создаются исключительно из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

В настоящее время в качестве катодных материалов все чаще применяются материалы на основе смешанных оксидов или фосфатов. Показано, что с катодами из смешанных оксидов достигаются наилучшие характеристики аккумулятора. Осваиваются и технологии покрытий поверхности катодов тонкодисперсными оксидами.

Конструкция Li-ion аккумуляторов

Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), производятся в цилиндрическом и призматическом вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помешен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку (рис. 1). Призматические аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Призматические аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в аккумуляторной батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую спираль (рис. 2). Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше модификаций конструкции.

Некоторые конструктивные меры обычно предпринимаются и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора имеется устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела.

Для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, короткого замыкания и чрезмерного разогрева.
Большинство Li-ion аккумуляторов изготавливают в призматических вариантах, поскольку основное назначение Li-ion аккумуляторов — обеспечение работы сотовых телефонов и ноутбуков. Как правило, конструкции призматических аккумуляторов не унифицированы и большинство фирм-производителей сотовых телефонов, ноутбуков и т.д.. не допускают применение в устройствах аккумуляторов посторонних фирм.

Характеристики Li-ion аккумуляторов.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение — 3,5-3,7 В.
Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов.
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные — до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.
Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов.

Заряд Li-ion аккумуляторов.

Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме.
В начальный период, когда только появились Li-ion аккумуляторные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет повысить энергетическую плотность, окислительные реакции, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток ликвидировали за счет применения химических добавок, и в настоящее время Li-ion элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет лишь около ±0,05 В на элемент.
Li-ion аккумуляторные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого использования. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (кВтч/кг) у таких батарей ниже, повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят Li-ion батареи вне конкуренции.
При заряде Li-ion аккумуляторных батарей током 1С время заряда составляет 2-3 ч. Li-ion батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда (рис.3).

Если на рис.3 изображен типовой график заряда одного из типов Li-ion аккумуляторов, то на рис.4 процесс заряда показан более наглядно. При повышении тока заряда Li-ion батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после завершения первого этапа цикла заряда продолжается дольше.
В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной аккумуляторной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких зарядных устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние готовности сразу после окончания этапа 1. В этой точке Li-ion батарея будет заряжена приблизительно на 70 %, и после этого возможна дополнительная подзарядка.

• ЭТАП 1 — Через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения.
• ЭТАП 2 — Максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор пока он полностью не зарядится. Момент завершения заряда наступает когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального.
• ЭТАП 3 — Периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранения аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 часов хранения.

Сохранность Li-ion аккумуляторов.

Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10 % в год.
Приводимые показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня разряженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур зависит от уровня выработки ресурса, допустимых рабочих напряжений и т.д.
К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда.
Типичный вид разрядных характеристик Li-ion аккумуляторов изображен на рис. 5 и 6. Из рисунков видно, что с ростом тока разряда разрядная емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение. Такой же эффект появляется при разряде при температуре ниже 10 °С. Кроме этого, при низких температурах имеет место начальная просадка напряжения.

Что касается эксплуатации Li-ion аккумуляторов вообще, то, учитывая все конструктивные и химические способы защиты аккумуляторов от перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней электронной защиты аккумуляторов от перезаряда и переразряда, можно считать проблему безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов решенной. А новые катодные материалы часто обеспечивают еще большую термическую стабильность Li-ion аккумуляторов.

Безопасность Li-ion аккумуляторов.

При разработке литиевых и литий-ионных аккумуляторов, как и при разработке первичных литиевых элементов, вопросам безопасности хранения и использования уделялось особое внимание. Все аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях — и от внешних коротких замыканий). Эффективным способом такой защиты является применение двухслойного сепаратора, один из слоев которого изготавливается не из полипропилена, а из материала, аналогичного полиэтилену. В случаи короткого замыкания (например, из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду) за счет локального разогрева этот слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая, таким образом, дальнейшее прорастание дендритов.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей.

Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Как правило в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отсоединяет цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную защиту. Но и это не все. Некоторые аккумуляторы имеют выключатель, который срабатывает при достижении порогового уровня давления внутри корпуса, равного 1034 кПа (10,5 кг/м2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение снизится до уровня 2,5 В на элемент.
Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии составляет 0,05-0,1 Ом. Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порога напряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей фактически создает удвоение ее внутреннего сопротивления, особенно если батарея состоит всего лишь из одного аккумулятора. Батареи питания мобильных телефонов должны обеспечивать большие токи нагрузки, что возможно при максимально низком внутреннем сопротивлении батареи. Таким образом, схема защиты представляет собой препятствие, ограничивающее рабочий ток Li-ion батареи.
В некоторых типах Li-ion батарей, использующих в своем химическом составе марганец и состоящих из 1-2 элементов, схема защиты не применяется. Вместо этого в них установлен всего лишь один предохранитель. И такие батареи являются безопасными из-за их малых габаритов и небольшой емкости. Кроме того, марганец довольно терпим к нарушениям правил эксплуатации Li-ion батареи. Отсутствие схемы защиты уменьшает стоимость Li-ion батареи, но привносит новые проблемы.
В частности, пользователи мобильных телефонов могут использовать для подзарядки их батарей нештатные зарядные устройства. При использовании недорогих зарядных устройств, предназначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее при достижении напряжения конца заряда. Если же схема защиты отсутствует, произойдет перезаряд батареи и, как следствие, ее необратимый выход из строя. Этот процесс обычно сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи.

Механизмы, приводящие к уменьшению емкости Li-ion аккумуляторов

При циклировании Li-ion аккумуляторов среди возможных механизмов снижения емкости наиболее часто рассматриваются следующие:
— разрушение кристаллической структуры катодного материала (особенно LiMn2O4);
— расслоение графита;
— наращивание пассивирующей пленки на обоих электродах, что приводит к снижению активной поверхности электродов и блокированию мелких пор;
— осаждение металлического лития;
— механические изменения структуры электрода в результате объемных колебаний активного материала при циклировании.
Исследователи расходятся во мнении, какой из электродов претерпевает большие изменения при циклировании. Это зависит как от природы выбранных электродных материалов, так и от их чистоты. Поэтому для Li-ion аккумуляторов удается описать только качественно изменение их электрических и эксплуатационных параметров в процессе эксплуатации.
Обычно ресурс коммерческих Li-ion аккумуляторов до понижения разрядной емкости на 20 % составляет 500-1000 циклов, но он значительно зависит от величины предельного зарядного напряжения (рис.7). С уменьшением глубины циклирования ресурс повышается. Наблюдаемое повышение срока службы связывают с уменьшением механических напряжений, вызываемых, изменениями объема электродов внедрения, которые зависят от степени их заряженности.

Повышение температуры эксплуатации (в пределах рабочего интервал) может увеличить скорость побочных процессов, затрагивающих границу раздела электрод-электролит, и несколько повысить скорость уменьшения разрядной емкости с циклами.

Заключение.

В результате поисков наилучшего материала для катода современные Li-ion аккумуляторы превращаются в целое семейство химических источников тока, заметно различающихся друг от друга как энергоемкостью, так и параметрами режимов заряда/разряда. Это, в свою очередь, требует существенного увеличения интеллектуальности схем контроля, которые к настоящему времени стали неотъемлемой частью аккумуляторных батарей и питаемых устройств — в противном случае возможно повреждение (в том числе необратимое) как батарей, так и устройств. Задача усложняется еще и тем, что разработчики стараются максимально полно использовать энергию аккумуляторов, добиваясь повышения времени автономной работы при минимально занимаемом источником питания объеме и весе. Это позволяет достигнуть существенных конкурентных преимуществ. По мнению Д. Хикока, вице-президента Texas Instruments по силовым компонентам мобильных систем, при использовании катодов из новых материалов разработчики аккумуляторов далеко не сразу достигают тех же конструкционных и эксплуатационных характеристик, что и в случае с более традиционными катодами. В итоге новые аккумуляторы часто имеют значительные ограничения диапазона условий эксплуатации. Мало того, в последнее время на рынок помимо традиционных производителей аккумуляторных ячеек и батарей — Sanyo, Panasonic и Sony — очень активно пробиваются новые производители, по большей части из Китая. В отличие от традиционных производителей, они поставляют продукцию с существенно большим разбросом параметров в пределах одной технологии или даже одной партии. Это связано с их желанием конкурировать в основном за счет низкой цены продукции, что часто приводит к экономии на соблюдении требований технологического процесса.
Итак, в настоящее время существенно возрастает важность информации, предоставляемой т.н. «умными аккумуляторами»: идентификация аккумулятора, температура аккумулятора, остаточный заряд и допустимое перенапряжение. По словам Хикока, если разработчики готовых устройств будут конструировать подсистему питания, учитывающую как условия эксплуатации, так и параметры ячеек, это позволит нивелировать различия в параметрах аккумуляторов и повысить степень свободы для конечных пользователей, что предоставит им возможность выбирать не только рекомендуемые производителем устройства, но и аккумуляторы других компаний.

Источник