Литий-ионные аккумуляторы — преимущества использования

Литиевые источники питания требуются для многих электронных приборов. В статье будут рассмотрены распространенные ионно-литиевые батареи li-ion.

Вопросы эксплуатации: зарядка, раскачка, балансировка

Итак, рассмотрим радиоуправляемые игрушки, как полигон, на котором обкатываются новые технологии хра­не­ния электрического заряда. Отметим преимущества и недостатки литий-полимерных аккумуляторов, нако­пив­ши­еся в процессе их эксплуатации.

Li-Pol батарея требует особого режима зарядки. Время, ког­да ее можно было просто подключить к первому по­пав­ше­му­ся источнику тока не только безвозвратно прошло, но, по большому счету, и не начиналось.

Еще один фактор, связанный с восстановлением кондиций батареи – балансировка. Это означает, что батарея по­сле­до­ва­тель­но включенных элементов питания заряжается не чо­хом. Каждому элементу уделяется особое внимание: мо­ни­то­рит­ся ток зарядки и готовность элемента принять его.

Несоблюдение этих правил приведет к ухудшению характеристик аккумулятора, в крайнем и самом неприятном случае – к взрыву или возгоранию. Неплохой иллюстрацией к этому служит отчет Федерального управления гражданской авиации США об инцидентах с батареями.

Последнее замечание – весомый аргумент к тому, что не оставлять без присмотра литий-полимерный ак­ку­му­ля­тор. Естественный нагрев может стать миной замедленного действия, если устройство расположить в непро­вет­ри­ва­е­мом, теплом или закрытом месте. К счастью, батарея приходит в готовность к новому циклу эксплуатации достаточно быстро. Это несомненный плюс для устройств с таким электрохимическим процессом.

Еще одно следствие, связанное с нагревом в процессе заряда, – необходимость охлаждения аккумулятора перед началом эксплуатации. Дать остыть до температуры окружающей среды – это не только хороший тон, но и удо­воль­ствие от батареи в процессе работы, которое увеличивается пропорционально времени остывания 🙂

По большому счету Li-Pol аккумулятор – лакомство для ис­ку­шён­ных. Он не «любит» полного разряда, ему не «нра­вит­ся» длительное время нахождения под напряжением, когда, по сути, зарядка уже состоялась. Так называемая «пере­за­ряд­ка» неимоверное зло для него. При первых признаках то­го, что батарея начинает «садится», стоит прервать ее ис­поль­зо­ва­ние, отключить, дать остыть и только затем по­ста­вить ее заряжаться.

Наивно предполагать, что использование литий-по­ли­мер­ных батарей не влечёт за собой никаких обязательств. Но уж точно среди них нет того, что называется «раскачкой» ак­ку­му­ля­тора. Под этим процессом понимается несколько цик­лов полной разрядки с последующей полной зарядкой. Если для батарей с NiCd и/или NiMH гальваникой такие трю­ки были оправданы, то Li-Pol процесс только ухудшится после подобного «улучшения».

Технические характеристики батарей

Технические характеристики LiFePO4:

  • номинальное напряжение батареи – вольта;
  • нижний порог напряжения – 2 вольта;
  • полностью заряженный – 3.6 В;
  • температурный диапазон работы – от -30 до +50.

Для сравнения, Li-Ion имеет следующие характеристики:

  • номинальное напряжение батареи – В;
  • нижний порог напряжения – 3.0 В (для емких аккумуляторов нижний предел составляет 2.5 вольт);
  • полностью заряженный – В (для емких аккумуляторов – В);
  • температурный диапазон работы – от -20 до +60 (с уменьшением температуры теряется емкость, оптимальная температура работы составляет от +20 до +25 градусов).

Но не спешите сразу клеймить железо-фосфатные батарейки из-за показателей напряжения. У них есть ряд преимуществ. В аккумуляторе LiFePO4 используется структура оливина (высокотемпературный минерал, способный выдерживать температуру до 1900 градусов). Материал не токсичный и имеет низкую стоимость. Более того, к достоинствам аккумулятора можно отнести следующие свойства:

  • длительный срок эксплуатации – 5000-7000 циклов у литий-железо-фосфатного аккумулятора против 500-1000 для литий-ионного, при этом потеря емкости LiFePO4 составляет всего 20%;
  • срок хранения батареи – 12-15 лет (литий-ионные хранятся всего 3-5 лет, потом они начинают деградировать);
  • высокая плотность энергии и устойчивость к низким температурам (у Li-Ion просадки составляют порядка 3-4 вольт при нагрузке, а емкость падает в 2-3 раза при отрицательной температуре);
  • устойчивость к переразряду (если напряжение выйдет за пределы максимально допустимого, LiFePO4 получит лишь незначительные внутренние повреждения, сохранив при этом свою работоспособность. Li-Ion аккумулятор при перенапряжении становится очень опасен, происходит разгерметизация с выбросом лития в атмосферу, вплоть до взрыва);
  • не горит при повреждении элементов (только дымит и нагревается, литий-ионные при повреждении взрываются с сопровождением в виде яркого пламени).
Читайте также:  Xiaomi Redmi 8 — полный обзор смартфона

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы можно встретить в форм-факторе 18650, также, как и литий-ионные. Из них можно сделать батарею практически любой формы, расположив отдельные элементы любым удобным способом. Отличие будет лишь в весе готовой сборки всего блока аккумуляторов – при одинаковом напряжении LiFePO4 будет несколько тяжелее и габаритнее, поскольку ячейки имеют разное номинальное напряжение.

Для зарядки и тех, и других аккумуляторов нужно иметь специальную плату BMS (контроллер заряда), без контроллера риск угробить батареи близка к 100 процентам, а в случае с литий-ионными добавится еще и риск возникновения пожара. Но при покупке контроллера нужно учитывать, для какого типа аккумуляторов он предназначен по величине номинальных напряжений. Контроллер не просто заряжает батарею, но еще балансирует ячейки аккумуляторов между ними.

Аккумуляторы LiFePO4 стоят дороже традиционных Li-Ion, но взамен вы получаете безопасность при эксплуатации и длительный срок службы – аккумулятор, которого хватит на долгие годы. Но единственный недостаток это все же вес и меньшая емкость по сравнению с Li-Ion.

Состав литиумного источника питания

Литиевая батарейка основана на работе необратимо-окислительной реакции. Анодом выступает металлический литий, твердым катодом могут использоваться оксид марганца, дисульфид железа, оксид меди, из жидких стоит отметить оксид серы, тионилхлорид. При этом из окислителей применяется активный литий, эффективно отделяющий электроны.

Типы литиевых батареек

Одним из признаков классификации накопителей выступает вид основного активного вещества:

  • Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные источники (NCA)
  • Литий-марганцевые АКБ
  • Литий-кобальтовые АКБ.
  • Литий-железо-фосфатные накопители
  • Литий-титанатные источники
  • Литий-полимерные аккумуляторы
  • Батарейка литий-тионилхлоридная

Одним из важных показателей выбора аккумулятора является рабочее напряжение.

Рассмотрим лишь некоторые из них.

Литиевые батарейки 3В используют только в специально предназначенных гаджетах, их нельзя использовать в дистанционных пультах управления или обычных домашних часах.

Литиевая батарея 6В может применяться в источниках бесперебойного питания, детских машинках аккумуляторного типа и многих других.

Литиевая батарея 12 вольт применяется помимо установки в ИБП в автономных инструментах, например в шуруповерте.

Маркировка

Какая же должна быть маркировка у ионно-литиевых батарей? Согласно требованиям организации IEC на корпусе АКБ должны обозначаться следующие показатели:

  1. Емкость литиумной батарейки
  2. Размеры литиевых батареек
  3. Состав
  4. Класс
  5. Напряжение

Обозначение литиевых батареек – сочетание букв «CR». Следующая цифра указывает типоразмер. Таблица ниже показывает их калибровку.

Наименование Маркировка Напряжение, В
Большие круглые, D 20 1,5
Малые круглые, С 14 1,5
Пальчиковые, АА 6 1,5
Микропальчиковые, ААА 03 1,5
«Крона», РР3 6/22 9,0

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы имеют ряд преимуществ:

Долгий срок службы.

Полностью необслуживаемый аккумулятор.

Сверхбыстрый заряд.

Подзарядка в любое время.

Альтернатива ёмкости свинцово-кислотных при режиме загрузки техники до 18 моточасов в сутки

Безвредность и безопасность.

Экономия на содержании зарядной комнаты и дополнительного персонала. Отсутствие выделения водорода устраняет необходимость строительства зарядной комнаты, содержание дополнительного персонала и оборудования для обслуживания. Удобство использования.

Безотказная работа при любой температуре

Зависимость рабочих характеристик от температуры

Отсутствие падения напряжения.

Эффект падения напряжения

Сохранение ёмкости

Соответствие ёмкости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов

А также ряд других преимуществ:

  • Высокое КПД.
  • Можно хранить в разряженном состоянии.
  • Разрядка до 10% от номинальной емкости.
  • Зарядное устройство 220В.

Устройство аккумулятора.

Заряд аккумулятора.

Важной особенностью литий-железо-фосфатных аккумуляторов является их способность заряжаться высоким током, что позволяет полностью зарядить аккумулятор менее чем за 2 часа. Отсутствие эффекта памяти также позволяет осуществлять дробные циклы заряда любой продолжительности при любом уровне заряда. Дробный заряд продлевает срок жизни аккумулятора. Подзарядка аккумулятора осуществляется во время технического или обеденного перерыва от источника электропитания. Индикатор уровня заряда литиевого аккумулятора может располагаться как на самом аккумуляторе так и отдельно на панеле приборов погрузчика

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 сроку ее службы. 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».

Читайте также:  Обзор GSM-телефона Samsung SGH-N500

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.

Как правильно эксплуатировать и хранить литий-ионный аккумулятор

Обычный срок хранения АКБ — 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.

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Безопасность

Аккумуляторы литиевого типа в целом, и полимерные в частности, требуют довольно деликатного обращения при эксплуатации. Что требуется запомнить при эксплуатации Li─Pol аккумуляторных батарей:

  • Вреден излишний заряд аккумулятора (выше 4,2 вольта на один аккумуляторный элемент);
  • Нельзя допускать короткого замыкания;
  • Недопустим разряд токами, которые приводят к нагреву аккумулятора более 60 градусов Цельсия;
  • Нельзя разгерметизировать АКБ;
  • Нельзя разряжать аккумулятор ниже 3 вольт;
  • Недопустим нагрев выше 60 градусов;
  • Не допускается хранение в разряженном виде.

Если не соблюдать эти правила, то это может привести к пожару в худшем, и значительной потере ёмкости в лучшем случае.

В связи с этим можно дать несколько рекомендаций по безопасному использованию литий─полимерных аккумуляторов. Для начала следует приобрести качественное зарядное устройство и выставлять на нём корректные настройки. Кроме того, рекомендуется применять разъёмы, которые не допускают короткое замыкание. Обязательно контролируйте ток, который потребляется устройством.

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Стоит также отметить, что нужно соблюдать температурный режим и не допускать перегрева полимерной батареи. Это слабое место всех аккумуляторов литиевого типа. Если аккумулятор нагреется до 70 градусов, то в нём начинается самопроизвольная реакция, которая энергию превращает в тепло. В результате воспламенение, а иногда и взрыв. Если есть возможность контролировать напряжение аккумулятора, то за ним особенно пристально нужно следить в конце разрядки.

Ещё одной причиной выхода литиевых АКБ из строя, является разгерметизация. Внутрь полимерной аккумуляторной банки ни в коем случае не должен проникнуть воздух. Изначально корпус герметичен и его не следует подвергать ударам, ронять. Если вы занимаетесь пайкой выводов, то делать это нужно крайне аккуратно.

Перед тем как отправить на хранение полимерную батарею, её рекомендуется зарядить наполовину. Хранить аккумулятор следует в прохладном месте без попадания на него солнечных лучей. Как и все аккумуляторные батареи, литий─полимерные имеют саморазряд, но он меньше, чем у свинцовых или щелочных.

 

Зарядка

Процесс зарядки полимерных аккумуляторов аналогичен зарядке ионных и выполняется достаточно просто. Это делается при постоянном напряжении 4,2 вольта на один элемент с верхним порогом по току 1C. Некоторые «силовые» модели АКБ можно заряжать током до 5C. Зарядка завершается после падения тока до 0,2С. При токе 1C набирается около 80 процентов ёмкости батареи. На полную зарядку Li─Pol аккумулятора требуется примерно 2 часа. Зарядное устройство должно обеспечивать высокую точность поддерживаемого напряжения в конце процесса зарядки. Допуск не более 0,01 вольта. На рынке зарядных устройств (ЗУ) имеется две категории. Простые зарядки по цене 20─50$, которые заряжают только литиевые АКБ. И универсальные ЗУ по цене 80─400$, с помощью которых можно заряжать несколько типов аккумуляторов.

Читайте также:  Лучшие смартфоны до 30000 рублей в 2021 году. Топ 5

Недорогие ЗУ имеют индикацию на светодиодах. Число банок и ток заряда ставится при помощи переключателей или установки аккумуляторов в разные разъёмы. Их несомненным плюсом является цена. К главным недостаткам следует отнести проблемы с корректным определением завершения зарядки. Такие устройства только отличают переход от стадии заряда постоянным током к заряду постоянным напряжением.

Эксплуатация литий─полимерных аккумуляторных батарей

Более дорогие устройства имеют расширенные возможности. Они отслеживают и выводят на информационный дисплей ток, напряжение, ёмкость, набранную аккумулятором.

Это позволяет им более точно отслеживать стадии процесса зарядки и его завершение. Пользователю остаётся только установить число банок и ток заряда. Остальное ЗУ сделает самостоятельно.

статью о том, как правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор.

 

Эксплуатация литий-полимерных аккумуляторов

Данный тип аккумуляторов довольно капризен и есть несколько обязательных требований, которые продлят жизнь ваших батарей, а так же сделают работу с ними более безопасной. Зарядка таких батарей сопряжена с рядом трудностей, не разобравшись в которых вы рискуете устроить пожар или даже взрыв.

Правила эксплуатации литий-полимерных батарей:

  • Рекомендованный порог разряда батареи – 3,6 вольта на банку. Считается, что именно в таком режиме батарея прослужит дольше.
  • Периодически проверяйте напряжения  на каждой ячейке аккумулятора. Опытные моделисты делают это после каждого десятого цикла разряда. Просевшая, несбалансированная ячейка может стать причиной взрыва при зарядке. Считается, что напряжение на ячейках должно отличатся не более чем на 0,1 В. Т.е. после разряда аккумулятора на всех ячейках должно быть примерно одинаковое напряжение. Если это не так, то аккумулятор использовать в дальнейшем не рекомендуется.
  • Не используйте вольтметр при контроле напряжения на банках аккумулятора. В теории здесь все правильно, а вот на практике щупы соскальзывают и замыкают банки. Для этих целей используются индикаторы напряжения для LiPo батарей.
  • Используйте датчик температуры при зарядке LiPo батарей. Повышение температуры на аккумуляторе – первый предвестник пожара.
  • Не заряжайте аккумулятор без присмотра, даже если вы соблюли все меры предосторожности. Я с взрывами еще не сталкивался, но бывалые говорят, что следить надо.
  • Батареи следует заряжать в специальных огнеупорных пакетах. В случае возгорания, это оградит окружающие предметы от огня. В магазинах можно найти специальные конверты или коробки для хранения и зарядки Lipo аккумуляторов – огнеупорные боксы. Старый дедовский способ – хранить и заряжать Lipo аккумуляторы в кастрюле.
  • Используйте только специальные зарядные устройства для LiPo батарей. Но иметь правильную зарядку, еще не гарантирует успех. Необходимо правильно выбрать параметры зарядки. Пример, как заряжать  Li-po батарею, можно посмотреть здесь.
  • Механическое повреждение батареи может вызвать пожар. Так что будьте внимательное при транспортировке и после аварий квадрокоптера. Периодически проверяйте свою батарею на механические повреждения.
  • Вздутые батареи считаются неисправными. Их дальнейшее использование опасно и нежелательно.
  • Не допускайте перезаряд батареи. Это ситуация когда напряжение на одной из банок превысит 4,2 вольта. Такая ситуация может возникнуть если выставить неправильные параметры заряда на зарядном устройстве.
  • Если допустить полный разряд батареи, то она выходит из строя. В интернете есть инструкции, по которым есть вероятность восстановить такую батарею, но полностью ее реанимировать нельзя. За порог глубокого разряда принимают 3 вольта. Т.е. если разрядить одну из банок ниже порога в 3 вольта, то в ней начинаются необратимые химические процессы вызывающие разрушение батареи. На многих форумах говорят о пороге в ,3 вольта, я ориентируюсь именно на эту цифру.
  • Не допускайте  перегрев батареи. Перегрев может возникнуть при перезаряде, при коротком замыкании или просто от солнечных лучей. Посмотрел данные на различных источниках и теперь могу сказать, что критической температурой можно считать порог в 60°С. Ну, а контроль нужно вести так, чтобы температура на аккумуляторе не превышала +40°С. Данные эти приблизительные и для разных батарей они могут отличаться.
  • Для того чтобы избежать пожара необходимо использовать специализированные зарядные устройства, желательно в связке с датчиком температуры и с возможностью балансировки. Бывалые моделисты рекомендуют использовать только качественные и оригинальные зарядные устройства.

(function(w,n){w[n]=w[n]||[];w[n].push(function(){({blockId:»R-A-511850-2″,renderTo:»yandex_rtb_R-A-511850-2″,async:false});});(»);})(this,»yandexContextSyncCallbacks»);

Расскажете об этой статье своим друзьям: