Литий-полимерный аккумулятор: отличие от ионного, срок службы, устройство. Li-pol или Li-ion: какой лучше

Читая "советы по эксплуатации" аккумуляторов на форумах невольно задумываешься - то ли люди физику с химией в школе прогуливали, то ли думают что правила эксплуатации свинцовых и ионных аккумуляторов одинаковые.
Начнем пожалуй с принципов работы Li-Ion аккумулятора. На пальцах все предельно просто - есть отрицательный электрод (сделаный обычно из меди), есть положительный (из алюминий), между ними находится пористое вещество (сепаратор), пропитанный электролитом (он предотвращает "самовольный" переход ионов лития между электродами):

Принцип работы основан на возможности ионов лития встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов - обычно графита или оксида кремния - с образованием химических связей: соответственно при зарядке ионы встраиваются в кристаллическую решетку, тем самым накапливая заряд на одном электроде, при разрядке соответственно переходят обратно к другому элетроду, отдавая нужный нам электрон (кому интересно более точное объяснение происходящих процессов - гуглим интеркаляцию). В качестве электролита используются водосодержащие растворы, не содержащие свободного протона и устойчивые в широком диапазоне напряжений. Как видно в современных аккумуляторах все сделано достаточно безопасно - металлического лития нет, взрываться нечему, по сепаратору бегают только ионы.
Теперь, когда с принципом работы все стало более-менее понятно, перейдем к самым распростаренным мифам о Li-Ion аккумуляторах:

1. Миф первый. Li-Ion аккумулятор в устройстве нельзя разряжать до нуля процентов.
   На деле все звучит правильно и согласуется с физикой - при разрядке до ~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.
2. 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).
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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:
7. 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.
8. 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.

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток , каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Литий-ионные аккумуляторы - это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

Литий-титанат (титанат лития) - это относительно новый класс литий-ионных АКБ - (подробнее ). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

• Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
• Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
• Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
• Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
• Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
• Срок годности: >10 лет
• Саморазряд: 2-5 %/месяц
• Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
• Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
• Температура: от -40 до +55°C
• Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

• Номинальное напряжение: 3,7 В
• Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
• Ток заряда, скорость: 0.2-10С
• Предельное напряжение разряда: 2.5 В
• Скорость разряда: до 50С
• Выносливость в циклах: 400 циклов

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) - эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

• Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
• Чрезвычайно низкий саморазряд
• Работоспособность в экстремальных условиях
• Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) - такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Очень стабильное напряжение разрядки
• Более чем 10-ти летний срок хранения
• Рабочая температура: -40 до +60°С

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Долгий срок годности при хранении
• Широкий температурный диапазон
• Хорошая герметизация
• Стабильное разрядное напряжение

Li-FeS2 батареи

Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.

В 1991 году.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

  • напряжение единичного элемента:
    • номинальное : 3,7 (у аккумуляторов на максимальное напряжение 4,35 номинальное напряжение равно 3,8 ) (при разряде до середины ёмкости током, по величине равной пятой части ёмкости аккумулятора);
    • максимальное: 4,23 или 4,4 (у аккумуляторов на 4,35 );
    • минимальное: 2,5-2,75-3,0 (в зависимости от ёмкости и максимального напряжения);
  • удельная энергоёмкость : 110 … 243 Вт /кг ;
  • внутреннее сопротивление : 5 … 15 Ом / ;
  • число циклов заряд/разряд до достижения 80 % ёмкости : 600;
  • время быстрого заряда: 15 мин … 1 час ;
  • саморазряд при комнатной температуре: 3 % в месяц ;
  • ток нагрузки относительно ёмкости С представленной в :
    • постоянный: до 65С ;
    • импульсный: до 500С ;
    • оптимальный: до 1С ;
  • диапазон рабочих температур : от −20 °C до +60 °C (наиболее оптимальная +20 °C);

  Из-за превышения напряжения при заряжании аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов , который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать, что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В целях снижения себестоимости или увеличения ёмкости производители могут не устанавливать её.

  Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки  ячеек . Смысл балансировки в том, что электрические свойства банок могут немного отличаться, и какая-то банка достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Он шунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

  Зарядные устройства могут поддерживать конечное напряжение заряда в диапазоне 4,05-4,2 для детектирования наличия аккумулятора.

  Устройство

  Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC 6 , оксиды (LiMnO 2) и соли (LiMn R O N) металлов.

  Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий , затем - каменноугольный кокс . В дальнейшем стал применяться графит . Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления - СКУ или BMS (battery management system), - и специальным устройством заряда/разряда.

  В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO 2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
  • литий-марганцевая шпинель LiMn 2 O 4
  • литий-феррофосфат LiFePO 4 .

  Электро-химические схемы литий-ионных аккумуляторов:

  • литий-кобальтовые LiCoO 2 + 6C → Li 1-x CoO 2 + LiC 6
  • литий-ферро-фосфатные LiFePO 4 + 6C → Li 1-x FePO 4 + LiC 6

  Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом, помимо системы СКУ они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

  Преимущества

  • Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
  • Низкий саморазряд.
  • Не требуют обслуживания.

  Недостатки

  1. Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов предотвращают перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

  Потеря ёмкости при хранении :

  Температура, ⁰C	С 40 % зарядом, % за год	Со 100 % зарядом, % за год
  0	2	6
  25	4	20
  40	15	35
  60	25	40 % за три месяца

  Разрядка в условиях низких температур приводит к снижению отдаваемой энергии, в особенности при температурах ниже 0 ⁰C. Так, снижение запаса отдаваемой энергии при понижении температуры от +20 ⁰C до +4 ⁰C приводит к уменьшению отдаваемой энергии на ~5-7 %, дальнейшее понижение температуры разрядки ниже 0 ⁰C приводит к потере отдаваемой энергии на десятки процентов и может приводить к преждевременному исчерпанию ресурса. Химия литий-ионных аккумуляторов более чувствительна к температурам заряжания, и оно оптимально при температурах ~ +20 ⁰C, а при температурах ниже +5 ⁰C не рекомендовано.

  Эффект памяти

  По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) было обнаружено, что литий-ионные аккумуляторы имеют эффект памяти . Как отмечают авторы исследования, для Li-Ion аккумуляторов:

  …фактически эффект крохотный: относительное отклонение в напряжении составляет всего несколько единиц на тысячу.

  Оригинальный текст (англ.)

  The effect is in fact tiny: the relative deviation in voltage is just a few parts per thousand.

  Речь идёт исключительно о принципиальном наличии эффекта, а не о его сколько-нибудь существенном влиянии на работу аккумулятора.

  Ключевой идеей исследования был поиск эффекта как такового.

  Оригинальный текст (англ.)

  But the key was the idea of looking for it at all.

  Как показало исследование, частые циклы неполной зарядки и последующей разрядки приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых ухудшается в случае неполной зарядки .

  Во время заряжания ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития. Заряжание батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарное напряжение батареи.

  Если батарея не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть. При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

  В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

  Большую роль в долговечности и исправной работе аккумулятора играет его эксплуатация. Многие специалисты выделяют два простых правила, которые помогут продлить срок службы батареи:

  Старение

  Температурный режим заряда литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторов влияет на их ёмкость: ёмкость снижается при зарядке на холоде или в жару. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше установленных производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению зарядки. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять ёмкость от цикла к циклу. Ток зарядки зависит от разницы напряжений между аккумулятором и зарядным устройством и от сопротивления как самого аккумулятора, так и подводимых к нему проводов. Поэтому увеличение напряжения зарядки на 4 % может приводить к увеличению тока зарядки в 10 раз. Это отрицательно сказывается на аккумуляторе. Он может перегреваться и деградировать. Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C . Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20 % ёмкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке стоит посмотреть на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.

  Снижение ёмкости при низких температурах

  При снижении температуры окружающего воздуха ниже 0 °C происходит снижение мощности литий-ионного аккумулятора до 40-50 % . Владельцы носимой электроники менее всего подвержены отрицательным последствиям использования техники в условиях низких температур, а сегменты промышленности, задействованные в производстве беспилотных летательных аппаратов, роботизированных систем и космической техники, крайне нуждаются в новых подогреваемых аккумуляторах. Для решения этой проблемы созданы конструкции аккумуляторов с внутренним подогревом .

  Взрывоопасность

  Литиевые аккумуляторы изредка проявляют склонность к взрывному самовозгоранию. Интенсивность горения даже от миниатюрных аккумуляторов такова что может приводить к тяжким последствиям. Авиакомпании и международные организации принимают меры к ограничению перевозок литиевых аккумуляторов и устройств с ними на авиатранспорте.

  Самовозгорание литиевого аккумулятора очень плохо поддается тушению традиционными средствами. В процессе термического разгона неисправного или поврежденного аккумулятора происходит не только выделение запасенной электрической энергии, но и ряд химических реакций, выделяющих энергию для саморазогрева, кислород и горючие газы. Потому вспыхнувший аккумулятор способен гореть без доступа воздуха и для его тушения непригодны средства изоляции от атмосферного кислорода. Более того, металлический литий активно реагирует с водой с образованием горючего газа водорода, потому тушение литиевых аккумуляторов водой эффективно только для тех видов аккумуляторов, где масса литиевого электрода невелика. В целом тушение загоревшегося литиевого аккумулятора неэффективно. Цель тушения снизить температуру аккумулятора и предотвратить распространение пламени

  Потребительский рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов огромен – около $10 млрд, при этом он довольно устойчив, темп роста составляет всего 2% в год. А как же электромобили, спросите вы? Действительно, в ближайшие годы, в связи развитием электромобилей, прогнозируется темп ежегодного роста литий-ионных аккумуляторов в 10%. На удивление, самой большой областью роста рынка Li-ion батарей по-прежнему остается «все остальное», начиная от мобильных телефонов и заканчивая вилочными погрузчиками.

  «Другие» приложения для литий-ионных аккумуляторов, как правило, имеют одну общую черту – это устройства, которые получают питание от запечатанных свинцово-кислотных батарей (англ. sealed lead acid (SLA)). За последние почти 200 лет свинцово-кислотные батареи заняли лидирующую позицию на рынке электроники, но они вот уже несколько лет вытесняются с рынка литий-ионными аккумуляторами. Поскольку во многих случаях литий-ионные батареи стали заменять свинцово-кислотные батареи (аккумуляторы), стоит сравнить эти два вида накопителей энергии, подчеркнув основные технические особенности и экономическую целесообразность применения Li-ion вместо традиционных SLA устройств.

  История применения аккумуляторных батарей

  Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

  Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

  СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

  Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

  Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

  Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

  Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

  Химические особенности

  Фундаментальные основы химических процессов в ячейках придают свинцово-кислотным и литий-ионным устройствам определенные свойства и различные степени функциональных возможностей. Ниже приведены некоторые преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов, которые сделали его основным в течении десятилетий и недостатки, которые теперь приводят к его замене, а также подобные аспекты для литий-ионных устройств.

  Свинцово-кислотная батарея

  • СКБ проста, надежна и недорога. Ее можно использовать в широком диапазоне температур.
  • Батареи должны хранится в постоянно заряженном состоянии (SoC) и они не поддаются быстрой зарядке.
  • СКБ имеют большой вес. Их гравиметрическая плотность энергии очень мала.
  • Жизненный цикл обычно составляет от 200 до 300 разрядов/зарядов, что очень мало.
  • Кривая заряда/разряда позволяет измерять SOC с простым контролем напряжения.

  Литий-ионная батарея

  • Имеют максимальную плотность энергии по размеру и весу.
  • Жизненный цикл обычно составляет от 300 до 500, но может измеряться и тысячами для литий-фосфатных ячеек;
  • Очень мал диапазон рабочих температур;
  • Доступны различные размеры ячеек, формы и другие возможности;
  • Нет необходимости в техническом обслуживании. Уровень саморазряда очень мал.
  • Требуется реализация схем по безопасности эксплуатации. Сложный алгоритм зарядки.
  • Измерения SoC требует непростых решений из-за нелинейности кривой напряжения.

  Электроника

  Важно понимать различие между батарейным блоком и аккумулятором. Ячейка – основной составной элемент пакета. Помимо этого, в пакет еще входит электроника, разъемы и корпус. На рисунке выше показаны примеры данных устройств. Литий-ионная аккумуляторная батарея должна иметь, как минимум, реализованные схемы защиты и управления ячейкой, а зарядное устройство и система измерения напряжения гораздо сложнее, чем в свинцово-кислотных устройствах.

  

  При использовании литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов, основные отличия в электронике будут заключаться в следующем:

  Зарядка

  Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора довольно проста при соблюдении определенных порогов напряжений. В литий-ионных батареях используют более сложный алгоритм, за исключением пакетов на основе фосфата железа. Стандартный метод заряда для таких устройств – метод постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV). Он включает в себя двухэтапный процесс зарядки. На первом этапе происходит заряд с постоянным током. Длится это до тех пор, пока напряжение на ячейке не достигнет определенного порога, после чего напряжение остается постоянным, а ток снижается по экспоненциальному закону, пока не достигнет значения отсечки.

  Подсчет заряда и связь

  Как упоминалось ранее, заряд СКБ можно измерять простыми средствами измерения напряжения. При использовании литий-ионных аккумуляторов необходим контроль уровня заряда ячеек, для чего необходима реализация сложных алгоритмов и циклов обучения.

  I 2 C является наиболее распространенным и экономичным протоколом связи, используемым в литий-ионных аккумуляторах, но он имеет ограничения в отношении помехоустойчивости, целостности сигнала на расстоянии и общей полосы пропускания. SMBus (шина управления системой), производная от I 2 C, очень распространена в батареях меньшего размера, но в настоящее время не имеет какой-либо эффективной поддержки для мощных или более крупных пакетов. CAN прекрасно подходит для сред с высоким уровнем шума или там, где требуются длительные прогоны, например во многих СКБ-приложениях, но это стоит довольно дорого.

  Прямые замены

  Следует подчеркнуть, что ныне существует несколько стандартных форматов свинцово-кислотных батарей. Например - U1, стандартный форм-фактор, используемый в приложениях резервного питания медицинского оборудования. Литий-железо-фосфатный аккумулятор оказался вполне достойной заменой свинцово-кислотным. Фосфат железа обладает замечательным жизненным циклом, хорошей проводимостью зарядов, улучшенной безопасностью и низким импедансом. Напряжения литий-железо-фосфатных аккумуляторов также хорошо согласуются с напряжениями свинцово-кислотных (12 В и 24 В), что позволяет использовать одни и те же зарядные устройства. Программные пакеты для обслуживания и контроля батарей включают в себя интеллектуальные функции, такие как отслеживание заряда, счетчик циклов заряда/разряда и другие.

  Литий-железо-фосфатные батареи сохраняют 100% емкости при хранении, в отличие от СКБ батарей, которые теряют емкость в течение нескольких месяцев хранения. На рисунке выше сравниваются два продукта и типы достижений, достигнутых при переходе от СКБ к Li-ion.

  Выводы

  Очень мало существует батарей, которые способны хранить столько же энергии, как свинцово-кислотные, что делает данный вид аккумуляторов экономически выгодным для многих мощных устройств. Литий-ионная технология постоянно снижается в цене, а также постоянные совершенствование их химических структур и систем безопасности делает их достойным конкурентом свинцово-кислотной технологии. Устройства для их применения могут быть самые различные, начиная от устройств бесперебойного питания, до электромобилей и беспилотников.

  • Перевод

  Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и - если повезет - медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.

  Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.

  Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.

  Введение в литий-ионные аккумуляторы

  В обычной литий-ионной батарее, мы найдем катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом. Мы также найдем анод или положительный электрод, который сегодня, как правило, изготавливается из графита. Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.

  Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.

  Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.

  Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.

  Когда мёртвая батарея действительно мертва?

  Когда мы говорим о «мёртвой» батарее, важно понять две метрики производительности: энергия и мощность. В некоторых случаях очень важна скорость, с которой вы можете получать энергию из батареи. Это мощность. В электромобилях высокая мощность делает возможным быстрое ускорение, а также торможение, при котором батарее требуется получить заряд в течение нескольких секунд.

  В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.

  Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.

  Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его - повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой - это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.

  В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.

  Что ломается и почему

  Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод, в идеале хотелось бы, чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру.

  Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.

  Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.

  В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.

  Проблема коррозии

  Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Итак, у нас есть глина из такого «активного» материала, как литий-кобальтовый оксид (который представляет собой керамику и не является очень хорошим проводником), а также клееподобный связующий материал, нанесенный на кусок металла.

  Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.

  Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.

  Слишком много хорошего

  Графит - материал, широко используемый для изготовления анодов - термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. В идеальном мире эта реакция происходила бы один раз, чтобы создать защитный слой, и на этом всё закончится.

  В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.

  Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.

  Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.

  Создавая лучшие батареи

  Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы функционировали подобно витаминам в нашем рационе, т.е. позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом, говорит Абрахам. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.

  Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.