Введение.

Литий-ионный аккумулятор.

Так называемые

Внутреннее сопротивление.

проседать

Контроллер.

Процесс зарядки.
не рекомендуется

Как продлить жизнь батарее?

Именно по причине замедлившихся процессов зарядка охлаждённого аккумулятора будет слабоэффективной. Более того, это наносит ему определённый вред. Следует дождаться, когда температура батареи достигнет комнатной. Энергетические свойства аккумулятора вернутся к первоначальным значениям.

Кое-что о Li-ion, или почему батарея быстро садится

Литий-ионный аккумулятор.
Литиевые аккумуляторы относят к элементам, имеющим наивысшую плотность энергии, но в то же время они являются самыми чувствительными к технологии использования и зарядки. Это особенно актуально, учитывая фактическую невозможность провести операцию восстановления ёмкости – литиевые аккумуляторы не подвержены воздействию эффекта памяти.
Так называемые циклы тренировки-восстановления слабо влияют на срок службы Li-ion аккумулятора, поскольку процессы окисления, повышающие внутреннее сопротивление батареи, необратимы. Нужно заметить, что литиевая батарея гораздо сильнее подвержена старению и из-за коррозии необратимо теряет часть ёмкости в процессе хранения, даже в идеальных условиях на складе . Поэтому, приобретая новую Li-Ion батарею, покупатель должен чётко знать дату её выпуска. К сожалению, зачастую производители кодируют дату выпуска батареи в серийном номере, делая её труднодоступной для нас.
Для Li-Ion аккумулятора не рекомендуется режим, при котором сотовый телефон используется от случая к случаю, из-за относительно низкого КПД батареи в этом случае, а также сравнительно малого срока эксплуатации.

Внутреннее сопротивление.
Это одна из основных характеристик аккумулятора. Чем она меньше, тем лучше. В норме для Li-Ion аккумулятора внутреннее сопротивление соответствует 150-250мОм при напряжении 3.6В.
Внутреннее сопротивление (далее ВС), по большому счету, определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким ВС потребуется обеспечить большой ток нагрузки в кратковременном режиме, что характерно для сотовых телефонов, то выходное напряжение аккумулятора будет проседать за счёт большого падения на ВС батареи. Поскольку потребление тока сотовыми телефонами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и телефон сообщит, что аккумулятор разряжен, несмотря на то, что до полного разряда еще далеко. Таким образом телефон может подвести владельца в самый ответственный момент.
Кроме того, высокое ВС вызывает серьёзные потери при зарядке, что выражается в чрезмерном нагреве батареи. Также, при заряде батареи с высоким ВС, напряжение на её ячейке быстрее достигает порогового, и телефон сообщит о завершении зарядки, но при этом батарея будет недозаряжена.
Существуют соответствующие методы, позволяющие измерить ВС батареи, однако они зачастую недоступны рядовому пользователю. Наиболее распространённый метод заключается в измерении падения напряжения в аккумуляторе при постоянной нагрузке на нём.

Контроллер.
Li-Ion аккумуляторы снабжают специальной схемой-контроллером, которая следит за напряжением ячейки и отключает выходные контакты батареи при уходе её напряжения за допустимые пределы.
К сожалению, иногда попадаются неоригинальные батареи, производитель которых сэкономил на контроллере. Это может привести к печальным последствиям, вплоть до разгерметизации батареи и взрыва вследствие перегрева и повышенного напряжения на ней.
Мне самому пришлось столкнуться с некачественным изделием, в котором был установлен псевдо-контроллер:

Как видно из фото, вся эта электрическая ахинея, в которую забыли впаять половину деталей, вообще не получает питания - плюсовой вывод батареи электрически никак с ней не связан. Более того, некоторые выводы транзисторов либо никуда не подключены, либо закорочены. Это полностью исключает какое-либо вмешательство схемы в жизнь батареи. Неудивительно, что после некоторого времени эксплуатации металлический стакан батареи ощутимо раздулся.
Контроллеры не дают заряжать батарею, которая разрядилась до 2.5В и менее. Дело в том, что в такой глубоко разряженной батарее происходят необратимые процессы разрушения электрохимической структуры, и попытка зарядить эту батарею приведёт к тому, что внутри неё произойдёт выделение металлического лития. Выделение лития часто является причиной взрыва.

Процесс зарядки.
За процесс заряда батареи отвечает специализированная микросхема, которая сочетает в себе стабилизаторы тока и напряжения, а также элемент памяти, в котором записана информация о последовательности и длительности стадий заряда. Поскольку чаще всего определённая микросхема рассчитана на определённую ёмкость аккумулятора, то не рекомендуется использование в телефоне батареи с ёмкостью, отличающейся от стандартной для его собственного аккумулятора.
Упрощённый график процесса полной зарядки для 750мАч Li-Ion аккумулятора:


Процесс зарядки по этому графику можно разделить на две стадии:
1. Заряд при постоянной мощности, постоянном токе.
2. Заряд при постоянном напряжении.
Иногда можно встретить «быстрые» зарядные устройства, которые, минуя вторую стадию, за один час заряжают аккумулятор. Однако при таком способе батарея набирает всего около 70% ёмкости.
Существуют так называемые «лягушки» - зарядные устройства, которые заряжают батарею напрямую через её выходные контакты. Зачастую в них не предусмотрена программа стадий зарядки, что оказывает негативное действие на ячейку. Частое использование такого способа зарядки сильно сокращает срок службы батареи.
Вопреки расхожему мнению, заряжать литиевый аккумулятор можно и разряженный наполовину, не обязательно дожидаться полной разрядки, как это делалось для NiCd.

Как продлить жизнь батарее?
В процессе использования литиевых аккумуляторов полезно соблюдать следующие несложные советы.

1. Во время зарядки отключиться от интернета (особенно в случае 3G или Wifi) и кабеля usb.
Любое подключение влияет на длительность заряда, активное подключение тем более, поскольку вызывает разогрев батареи. При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2-4 раза ((с) Вант-Гофф), в данном случае в 2-4 раза возрастает процесс саморазряда и утечки тока в аккумуляторе, он быстрее изнашивается.
При активном подключении время зарядки может увеличиться в несколько раз, и то при этом сигнал полной зарядки не совсем будет соответствовать истине (температура и ограничение по времени заряда со стороны микросхемы). Исходя из этого, заряд при вообще выключенном телефоне в 4-8 раз сокращает разрушительные для аккумулятора процессы во время зарядки.

2. Аккумулятор, не используемый долгое время, должен храниться заряженным.
Понижение напряжения ниже 2.5В делает аккумулятор бесполезным. Ток саморазряда для Li-Ion аккумулятора составляет 10% в месяц, без учёта траты энергии на контроллер.
Однако в случае долгого хранения всё это не имеет никакого значения, поскольку, как было указано выше, процесс старения происходит и самопроизвольно. Типовой срок службы аккумулятора составляет не более 2-х лет.

3. Не подвергать зарядке аккумулятор, только что попавший под воздействие отрицательных температур.
При охлаждении процессы внутри аккумулятора замедляются. Поэтому при активном использовании телефона возможно преждевременное сообщение о полной разрядке, хотя запас ещё есть. Эффект аналогичен высокому внутреннему сопротивлению, но носит обратимый характер. Из-за замедленной химической реакции аккумулятор просто не успевает поставлять необходимый объём энергии, в результате чего происходит просадка напряжения.
Именно по причине замедлившихся процессов зарядка охлаждённого аккумулятора будет слабоэффективной. Более того, это наносит ему определённый вред. Следует дождаться, когда температура батареи достигнет комнатной. Энергетические свойства аккумулятора вернутся к первоначальным значениям.">

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.

Рис.1 Устройство цилиндрического Li-Ion аккумулятора.

Рис.2. Устройство призматического литий-ионного (Li-ion) аккумулятора с рулонной скруткой электродов.

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).

Рис.3. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

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.

Рис.4. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion аккумулятора.

• 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.

Этап струйной подзарядки для Li-ion аккумуляторов неприменим из-за того, что они не могут поглощать энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным током способна компенсировать небольшой саморазряд Li-ion батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устройства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда Li-ion батареи такая подзарядка может выполнятся через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует осуществлять при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и прекращать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.
Итак, Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития (в виде мелко раздробленного мшистого осадка), обладающего большой реакционной способностью к электролиту, а на катоде начинается активное выделение кислорода. Возникает угроза теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается.
Безопасной работе Li-ion аккумуляторных батарей должно уделяться серьезное внимание. В Li-ion батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предотвращающие превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения. Дополнительный элемент защиты обеспечивает завершение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты - механический выключатель, который срабатывает при увеличении внутрикорпусного давления батареи. Встроенная система контроля напряжения настроена на два напряжения отсечки - верхнее и нижнее.
Есть и исключения - Li-ion аккумуляторные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это аккумуляторные батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаряде реакции металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят настолько медленно, что стало возможным отказаться от применения устройств защиты.

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.

Рис.5. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различных токах.

Рис.6. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различной температуре.

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.

Рис.7. Изменение емкости Li-ion аккумулятора при разном предельном напряжении заряда

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.

Сегодня для мобильной, бытовой техники, инструментов применяют специальные аккумуляторы. Они отличаются эксплуатационными характеристиками. Чтобы батарея работала долго, без сбоев, нужно учитывать требования производителей представленных изделий.

Одним из самых популярных видов сегодня являются аккумуляторы Li-Ion. Как правильно заряжать этот вид батарей, а также особенности его эксплуатации следует подробно рассмотреть перед эксплуатацией прибора.

Общая характеристика

Одним из самых распространенных видов аккумуляторов сегодня является тип Li-Ion. Такие устройства отличаются относительно невысокой стоимостью. При этом они нетребовательны к условиям эксплуатации. В этом случае у пользователя редко возникает вопрос, как правильно заряжать аккумулятор Li-Ion 18650 цилиндрической формы или иной разновидности.

Чаще всего представленные батареи устанавливают в смартфоны, ноутбуки, планшеты и прочие подобные устройства. Представленные аккумуляторы характеризуются долговечностью и надежностью. Они не боятся полной разрядки.

Одной из главных особенностей представленных изделий является отсутствие «эффекта памяти». Такие батарейки можно заряжать практически в любой удобный момент. «Эффект памяти» возникает при неполном разряде аккумулятора. Если в нем оставалось небольшое количество заряда, со временем емкость аккумулятора станет падать. Это приведет к недостаточно продолжительному питанию техники. В литий-ионных батареях «эффект памяти» сведен к минимуму.

Конструкция

Конструкция аккумулятора литий-ионного типа зависит от типа прибора, для которого она предназначена. Для мобильного телефона применяется батарея, которая называется «банкой». Она имеет прямоугольную форму и включает в себя один конструкционный элемент. Его номинальное напряжение составляет 3,7 В.

Совсем иную конструкцию имеет батарея представленного типа для ноутбука. Отдельных аккумуляторных элементов в ней может быть несколько (2-12 штук). Каждый из них имеет цилиндрическую форму. Это аккумуляторы Li-Ion 18650. Как правильно зарядить их, подробно указывает производитель техники. Такая конструкция имеет в своем составе специальный контроллер. Он выглядит в виде микросхемы. Контроллер управляет процедурой зарядки, не допускает превышения номинального значения емкости батареи.

В современных аккумуляторах для планшетов, смартфонов также предусмотрена функция контроля заряда. Это значительно продлевает срок эксплуатации батареи. Она защищена от различных неблагоприятных факторов.

Особенности зарядки

Рассматривая, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы телефона, ноутбука и прочей техники, необходимо обратить внимание на особенности работы представленного устройства. Следует сказать, что литий-ионные батареи не терпят глубокого разряда и перезаряда. Этим управляет специальное устройство, которое добавляется в конструкцию (контроллер).

Идеально поддерживать заряд представленного типа батареи на уровне от 20 до 80% от полной емкости. За этим следит контроллер. Однако специалисты не рекомендуют оставлять устройство подключенным к зарядке постоянно. Это значительно сокращает срок эксплуатации батареи. На контроллер действует в этом случае постоянная нагрузка. Со временем его функциональность из-за этого может снижаться.

При этом контроллер также не допустит глубокого разряда. Он просто в определенный момент отключит батарею. Эта защитная функция крайне необходима. В противном случае пользователь мог бы случайно перезарядить или слишком сильно разрядить батарею. Также в аккумуляторах современного образца предусмотрена качественная защита от перегрева.

Принцип работы батареи

Чтобы понимать, как правильно заряжать Li-Ion аккумулятор (новый или бывший в употреблении), необходимо рассмотреть принцип его работы. Это позволит оценить необходимость контролировать уровень разряда и заряда устройства.

Ионы лития в аккумуляторе представленного типа перемещаются от одного электрода к другому. В этом случае появляется электрический ток. Электроды могут быть изготовлены из разных материалов. Этот показатель в меньшей степени влияет на эксплуатационные характеристики прибора.

Ионы лития нарастают на кристаллической решетке электродов. Последние, в свою очередь, меняют свой объем и состав. Когда батарея заряжена или разряжена, на одном из электродов ионов становится больше. Чем выше нагрузка на металлические элементы конструкции, которую оказывает литий, тем короче будет срок эксплуатации прибора. Поэтому лучше не допускать высокого процента оседания ионов на одном или другом электроде.

Варианты зарядки

Перед эксплуатацией батареи нужно рассмотреть, как правильно заряжать Li-Ion аккумулятор смартфона, планшета и прочей техники. Для этого существует несколько способов.

Одним из самых правильных решений будет применение зарядного устройства. Его поставляет в комплекте с электронной техникой каждый производитель.

Вторым вариантом является зарядка батареи от стационарного компьютера, подключенного к бытовой сети. Для этого применяется USB-кабель. В этом случае процедура зарядки будет более длительной, чем при использовании первого способа.

Можно выполнить эту процедуру при помощи прикуривателя в автомобиле. Еще одним менее популярным способом является зарядка литий-ионного аккумулятора при помощи универсального устройства. Его еще называют «лягушкой». Чаще всего такие приборы применяют для подзарядки батарей смартфонов. Контакты этого прибора можно отрегулировать по ширине.

Зарядка новой батареи

Новый аккумулятор нужно правильно ввести в эксплуатацию. Для этого телефон, планшет или иное оборудование нужно полностью разрядить. Только когда устройство выключится, его можно будет подключить к сети. Контроллер не даст батарее слишком сильно разрядиться. Именно он отключает устройство, когда аккумулятор теряет емкость до заданного уровня.

Далее нужно подключить электротехнику к сети при помощи штатного зарядного устройства. Процедуру выполняют до того времени, пока индикатор не загорится зеленым светом. Можно оставить прибор в сети еще на несколько часов. Такую процедуру проводят несколько раз. При этом специально разряжать телефон, планшет или ноутбук не нужно.

Обычная зарядка

Зная, как правильно заряжать аккумуляторы Li-Ion, можно значительно продлить срок работы батареи. Специалисты рекомендуют провести правильную процедуру этого процесса для нового элемента питания. После этого не желательно разряжать аккумулятор полностью. Когда индикатор покажет, что емкость батареи имеет заряд всего на 14-15%, его нужно подключить к сети.

При этом также не рекомендуется применять иные устройства для наполнения емкости аккумулятора, кроме штатного. Оно имеет максимально приемлемые показатели тока, допустимые для конкретной модели батареи. Прочие варианты можно использовать только в случае крайней необходимости.

Калибровка

Существует еще один нюанс, который нужно узнать, изучая вопрос, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы. Эксперты рекомендуют периодически проводить калибровку этого устройства. Она проводится раз в три месяца.

Сначала в обычном режиме нужно разрядить электротехнику до ее выключения. Далее его подключают к сети. Зарядка продолжается до тех пор, пока индикатор не станет гореть зеленым светом (батарея заряжена на 100%). Эту процедуру нужно выполнять для правильной работы контроллера.

При проведении подобной процедуры печатная плата аккумулятора определяет предельные рамки зарядки и разрядки. Это необходимо для обеспечения нормальной работы контроллера, позволяет избежать сбоев. При этом применяется штатное зарядное устройство, которое поставляется производителем в комплекте с телефоном, планшетом или ноутбуком.

Хранение

Чтобы батарея проработала максимально долго и эффективно, нужно рассмотреть также вопрос, как правильно зарядить Li-Ion аккумулятор для хранения. В некоторых случаях может возникнуть ситуация, когда прибор для питания техники временно не эксплуатируется. В этом случае его нужно правильно подготовить для хранения.

Аккумулятор заряжают до 50%. В таком состоянии его можно хранить достаточно долго. Однако температура окружающей среды должна быть около 15 ºС. Если она повысится, скорость потери батареей своей емкости будет увеличиваться.

Если аккумулятор нужно хранить достаточно длительное время, его нужно раз в месяц полностью разряжать и заряжать. Батарея набирает 100% своей заданной емкости. Затем прибор снова разряжают и заряжают уже до 50%. При регулярном проведении такой процедуры можно хранить аккумулятор очень долго. После этого он будет полностью пригоден для эксплуатации.

Рассмотрев, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы, можно значительно продлить срок эксплуатации батареи этого типа.

Его устанавливают во всех ноутбуках, планшетах, мобильных телефонах и прочей технике. Номинальное напряжение такого элемента питания составляет 3,7-3,8 В, максимальное - до 4,4 В, а минимальное - от 2,5 до 3,0 В.

Из истории создания

Li-ion аккумуляторы впервые появились в начале 90-х годов. Ведущим их производителем изначально стала компания Sony. В состав такой батареи входят два электрода. Катод помещен на фольгу из алюминия, а анод расположен на фольге из меди. Между электродами помещены разделители (сепараторы), содержащие жидкий или гелеобразный электролит. Ионы лития c зарядом «+» являются носителями тока, ионами, способными проникать в другие химические элементы, давая, тем самым, ход электрохимической реакции, обеспечивающей питание того или иного устройства.

Литиевые аккумуляторные батареи прошлого поколения «славились» повышенной взрывоопасностью по причине использования в них анода металлического лития и возникновения газообразных химических соединений внутри АКБ. При множественных циклах «заряда-разряда» могло произойти замыкание, а затем и взрыв литиевого аккумулятора. Взрывы случались и по причине того, что ионы лития вступали в опасную реакцию с другими веществами, входившими в состав батареек.

Когда химическое вещество для анода окончательно заменили графитом, это удалось полностью исправить. Кстати, все современные устройства для зарядки, посредством которых батарейки получают электропитание, предохраняют их от перегревания и «перебора» тока. В литий-феррум-фосфатных АКБ этот серьезный недостаток полностью устранен. Однако для разработки безопасных аккумуляторных устройств понадобилось около 20 лет.

Во избежание самовозгорания литиевой батареи при ее зарядке производители стали встраивать в корпус контроллер заряда аккумуляторов. Контроллер регулирует температуру внутри АКБ, глубину разрядки и количество потребляемого тока. Но не все литиевые аккумуляторы снабжены контроллером. Часто производитель не устанавливает его - в целях экономии и увеличения емкости. Именно по этой причине некоторые батареи и взрываются до сих пор.

Однако, в отличие от своих предшественников в виде и элементов питания, ионные аккумуляторы имеют гораздо лучшие характеристики. Низкий уровень саморазряда в таких батареях обеспечивает их более длительный срок годности, а высокая емкость позволяет им работать гораздо дольше. К тому же ни одному литиевому элементу не требуется дополнительное обслуживание, а при окончательном выходе из строя лучше его не восстанавливать, а заменить.

Как правильно эксплуатировать и хранить литий-ионный аккумулятор

Важно следить за тем, чтобы в батарее всегда находилось хотя бы минимальное количество заряда. Любую ионную батарейку нельзя доводить до полного разряда. Если она не используется и будет полностью разряжена, это приведет к короткому . На сохранность АКБ сильно действует температурный фактор. Не заряжайте и не храните литиевые аккумуляторы при чрезмерно высоких и низких температурах, так как показатель их емкости быстро начнет падать.

Li-ion чувствительны к перемене напряжения. Если U в зарядном устройстве повысить даже незначительно (например, всего на 4%), АКБ будет терять емкость с каждым циклом «заряда-разряда».

Лучшие условия хранения Li-ion: заряд должен составлять, как минимум, 40% от емкости ионного элемента, а температура - от 0 до +10°С.

Несмотря на все положительные характеристики, приобретать Li-ion впрок не имеет смысла: батарея за 2 года теряет около 4% своей емкости. Во время покупки обязательно нужно обратить внимание на дату изготовления. Если с момента производства прошло больше времени, такой аккумулятор покупать не рекомендуется.

Обычный - 2 года, но сейчас фирмы-производители изобрели способ, позволяющий хранить их более длительное время. В батарею добавляется специальный консервант, позволяющий хранить ее больше двух лет. При наличии консерванта в электролите перед первым использованием АКБ следует полностью разрядить, проведя ей своеобразную тренировку в виде двух или трех циклов «заряд-разряд». При таком расконсервировании электролит в аккумуляторе постепенно распадается, и батарея выходит на свой обычный уровень емкости.

Если с литиевыми элементами этого не делать, АКБ приобретет «эффект памяти», а далее, поскольку консервант до сих пор находится внутри, при подаче заряда и увеличении аккумуляторного тока он начнет быстро распадаться, и может произойти вздутие аккумулятора.

Если с ионными АКБ обращаться внимательно и аккуратно, соблюдая все условия хранения, при правильной эксплуатации они будут служить долго, а уровень емкости в таких аккумуляторах длительное время останется на высоком уровне.

Литий-полимерный аккумулятор как альтернатива Li-ion

Полимерные аккумуляторы - это усовершенствованный вариант литий-ионных. Технический прогресс не стоит на месте, и сейчас они уже рассматриваются как серьезная альтернатива предыдущим АКБ на литиевой основе. Целью создания батарей на основе полимерных материалов стало, прежде всего, возможное устранение недостатков Li-ion в виде высокой стоимости и повышенного риска самовозгорания.

Главное отличие полимерного аккумулятора от Li-ion заключается в том, что в качестве электролита при его изготовлении используются не жидкость или гель, а твердые полимеры. Смена электролита является большим достижением, потому что такие батареи более безопасны, и теперь можно гораздо меньше думать о потенциальном взрыве при их эксплуатации.

Твердые материалы и раньше выполняли серьезную роль в плане проводимости тока - например, с помощью пленки из пластика, а их использование внутри Li-pol аккумулятора вместо пористого разделителя двух его полюсов, пропитанного жидкостью, стало значительным шагом вперед.

Li-pol аккумулятор также имеет улучшенные характеристики в плане удобной формы, так как полимеры дают возможность получать разные размеры и виды таких батарей. Минимальная толщина, которой обладают полимерные аккумуляторы, может составлять всего 1 мм.

Наряду с отличиями, есть и сходства между Li-ion и Li-pol. Большей частью, это означает, что не все недостатки устранены, и возможности дальнейшей работы производителей еще не исчерпаны до конца. Например, между ними нет особой разницы в сроках службы и проблеме «старения» в случае, если они не используются.

Полимерные аккумуляторы, как и Li-ion, применяются в сотовых телефонах, радиоуправляемой технике, портативных электрических инструментах, например, в электродрелях и шуруповертах.

Некоторые производители полимерных АКБ утверждают, что у них отсутствует эффект памяти, а также они якобы могут работать в более широком температурном спектре: от -20 до +40-60°С, что делает возможным их применение, эксплуатируя в условиях жаркого тропического климата. Поскольку опасность самопроизвольного возгорания устранена еще не до конца, полимерные аккумуляторы, как правило, снабжены встроенной электросхемой, предупреждающей перезаряд и перегрев.

Как восстановить Li-ion аккумулятор

Несмотря на то, что срок службы многих современных АКБ достаточно долгий, приходит время, когда заряд любого химического источника тока истощается. Емкость падает, и АКБ уже не может работать долго и исправно. Особенно, если разряженный источник питания долго хранился без подзарядки. Существует несколько распространенных способов вернуть его к жизни. Восстановленная батарея будет работать недолго, но это поможет выиграть время до ее замены.

В Интернете описываются самые неожиданные и порой абсолютно нелогичные методы . Например, есть статьи о том, что можно эффективно раскачивать батарею, если заряжать и разряжать ее несколько раз подряд. Безусловно, это миф, и применять такой «способ» не стоит. Также на одном из популярных форумов описывается реальный жизненный пример о том, как один человек раскачивал батарею, положив ее в холодильник. Она вздулась до огромных размеров и лопнула после того, как была изъята из морозилки - естественно, от перепада температуры.

На серьезный вопрос о том, как действительно раскачать заново батарею сотового, можно дать простой и ясный ответ: взять любую аккумуляторную зарядку с напряжением 5-12 В и резистор сопротивлением от 330 Ом до 1 килоОм. Схема подключения предельно проста: «минус» источника питания подсоединяется к «минусу» аккумулятора, а «плюс» - к «плюсу, через резистор. Теперь нужно включить зарядное устройство в сеть и регулярно проверять рост напряжения с помощью мультиметра в течение 10-15 минут. Напряжение постепенно растет, и при достижении его числа приблизительно в 3,31 В телефон «находит» батарею и принимает ее.

Раскачка Li-ion, отключенного контроллером, с быстрым приведением АКБ в рабочее состояние тоже возможны. В данном случае, при замерах текущего напряжения его показатель будет равен около 2,5 В. Аккумулятор «жив» и может еще поработать некоторое время, хотя, на первый взгляд, он выглядит почти разряженным. Восстанавливаем его так: для этого понадобятся «народный зарядник» Imax B6 и мультиметр. У АКБ отпаивается защитная схема, она подключается к Imax. А как проверить напряжение - уже понятно: оно всегда контролируется мультиметром.

Раскачиваем АКБ максимально осторожно. Программа заряда ставится на Li-Po, режим зарядки выбирается в зависимости от вида АКБ: для Li-ion - 3,6 В, либо 3,7 В для Li-pol. Важно: в процессе восстановления выставить параметр Autо - без него запуск не начнется по причине низкого заряда АКБ. Значение тока выбирается с помощью кнопок «+» и «–». 1 А - это самый безопасный и оптимальный ток для раскачки.

Когда напряжение достигнет 3,2-3,3 В, АКБ начнет свою полноценную работу.

Можно ли починить вздутую батарею

На эту тему в Интернете есть большое количество популярных статей и даже видео типа «Восстанавливаю вздувшиеся батареи простым способом». Далее следует описание или съемка процесса разборки АКБ, протыкание ее иголкой или шилом с целью «выпустить газы», чтобы затем вставить аккумулятор обратно в телефон.

К сожалению, незадачливые авторы подобных видео и публикаций не объясняют людям, почему аккумулятор вздулся, а смело приступают к весьма сомнительным действиям, которые могут быть небезопасными как для человека, так и для устройства, в которое помещается такая батарея.

«Тренировать интеллект» и заниматься подобным восстановлением настоятельно не рекомендуется. Следует понимать, что любой литий-ионный аккумулятор - это, прежде всего, источник химических реакций, которые могут быть и токсичными, и взрывоопасными.

Вздутие АКБ может произойти как вследствие нарушения химических процессов внутри нее по причине заводского брака, так и по вине владельца гаджета, если эксплуатация была неправильной.

Если, к примеру, дешевый аккумулятор вздулся по причине дефекта при его изготовлении, следует задуматься, проверенным был производитель, и в следующий раз лучше приобрести батарею по более высокой цене, но с гарантией качества.

Также батареи вздуваются при попадании влаги внутрь, что, чаще всего, происходит по неосторожности владельца телефона или планшета. Если при зарядке телефона использовать неподходящее устройство, АКБ рано или поздно вздуется по причине высокого уровня тока, из-за которого нарушается скорость химических процессов внутри нее. Если телефон рассчитан на ток в 1А, зарядку с подачей тока в 2А использовать уже нельзя. Как альтернативу можно взять устройство с меньшим, но никак не с большим показателем тока - в случае, если «родная» зарядка утеряна, либо вышла из строя.

Использование АКБ в жарких климатических условиях тоже может стать причиной ее вздутия. Нельзя оставлять полностью заряженный телефон на жаре, а если батарея по каким-либо причинам вздулась, ее следует не разбирать и протыкать, а и заменить на новую.