Литий ионный аккумулятор: из чего делают, устройство, основные виды

Принцип действия и технические характеристики

Когда батарея подключена к электроцепи, на аноде активируется химическая реакция, продуктом которой являются свободные электроны. Они устремляются к катоду, но быстро достигнуть цели им мешает электролит. Свободным остается путь через электрическую цепь. В результате батарея питает энергией устройство.

Как только все электроны достигают катода, аккумулятор разряжается. Однако этот процесс обратимый, и батарею можно зарядить, направив электроны в противоположном направлении. С каждым новым циклом перезарядки электроды деградируют, что приводит к сокращению количества свободных ионов. В такой ситуации АКБ не может удерживать первоначальный заряд, и в итоге полностью его теряет. В корпусе прибора установлен специальный контроллер, позволяющий следить за уровнем заряда.

Стандартный процесс зарядки литий-ионной батареи выглядит следующим образом:

Благодаря контроллеру, в начале зарядки подается ток, величина которого не превышает 10% от номинального значения. В результате напряжение увеличивается до 2,8 вольт.
На следующем этапе ток увеличивается до номинального, и напряжение возрастает до показателя в 4,2 В.
Затем сила тока постепенно уменьшается, а напряжение остается прежним и батарея заряжается.

Современные литий-ионные батареи имеют показатель удельной энергоемкости в 100−180 ватт-час/кг (250−400 ватт-час/л) при рабочем напряжении 3,5−3,7 В

Это основные характеристики литий-ионных аккумуляторов, на которые следует обращать внимание. Первые модели этих устройств имели более скромные показатели, например, их емкость не превышала нескольких ампер в час

Какому производителю отдать предпочтение?

Если вам нужны исключительно высококачественные изделия, то специалисты советуют выбирать аккумуляторы набранные из элементов таких ведущих мировых брендов как Panasonic, LG, Samsung, Sony, Sanyo.

Одними из самых крутых считаются Li-ion накопители LG. Их продукция обслуживает корейские электрокары марок КИА и Хёндей, отменное качество которых, вряд ли вызывает у кого-то сомнения. Кроме того, LG поставляет свои батарейки американскому автогиганту GM, чьё имя в представлении не нуждается. А как насчёт такого известного производителя как Porsche? Знаете кого они выбрали в качестве поставщика Li-ion аккумуляторов? Правильно — LG! Немцы ставят эти батареи на свою новейшую электрическую разработку — модель Taycan. А как обстоят дела с законодателем электрокаровской моды — Теслой? Ранее на модели Tesla ставили продукцию Панасоник, а сейчас, элитный производитель электромобилей отдаёт предпочтение LG. Как вам перечень марок? Думаете просто так именитые производители выбрали LG?

Как восстановить литий ионный акб

Даже большой срок службы литий ионного аккумулятора не спасает от истощения батареи. В таком случае есть проверенный способ как восстановить литий ионный аккумулятор, но он проработает не долго.

Необходимо взять зарядку с напряжением в 5-12 В, а также резистор 330-1 кОм. Минус источника подключить к АКБ, плюс подключается аналогично только через резистор. После чего включить подачу тока и замерять рост показателей напряжения в следующие 10-20 минут. Как только показатель выдаст 3.31 В, смартфон покажет, что пошел процесс заряда. Повышение напряжения, а затем последующее его снижения до рекомендуемых параметров поможет немного восстановить емкость li ion аккумулятора.

Памятка по хранению и обслуживанию литий-ионных аккумуляторов (Li-ion)

Внимание: если вы приобрели себе электротранспортное средство, то очень важно правильно обслуживать и хранить аккумулятор. На поленитесь ознакомиться с данными правилами для аккумуляторных Li-ion батарей

Хранение:

Рекомендуемая температура хранения для большинства батарей 0°C -20°C; экстремальная допустимая температура -40°C к 50°C в крайних диапазонах вызывающая большие необратимые потери емкости. Аккумуляторы, изготовленные из литиевых элементов должны храниться в состоянии как минимум 40-процентного заряда. Это минимизирует деградацию анода и катода, сохраняет батарею готовой к эксплуатации при этом оставляя возможность для саморазряда.

Пример:

o Литий-ионный аккумулятор номинального напряжения 36 Вольт необходимо зарядить до 38 Вольт, в то время как заряженный он должен выдавать 42 Вольта.

o 48 Вольт – надо зарядить до 49,5 Вольт, заряженный должен выдавать 54,6 Вольт.

o Обратите внимание, что 40% состояние заряда используется для хранения, а 30% используется для транспортировки

Чем ближе температура хранения к 0 градусов, тем меньше необратимые потери емкости.
Хранить аккумуляторные батареи необходимо отключенными от потребителей в сухом и прохладном месте.
Необходимо поддерживать состояние заряда на заданном уровне, периодически проверяя его. Проверка и фиксация напряжения должна выполняться не реже чем раз в 2 месяца.
Если за 2 месяца напряжения опустилось на 3 Вольта для 36 Вольтовой АКБ и ниже (т.е. на 0,3 Вольта на ячейку), необходимо проводить проверку 1 раз в месяц. Если тенденция к падению напряжения продолжилась, передать аккумулятор в сервисный центр.

Контроллер аккумулятора:

Работа аккумулятора регулируется специальным контроллером — БМС, который монтируется при производстве внутри корпуса аккумулятора.
БМС (BMS-Battery Management System) предназначен для текущего контроля разряда и заряда аккумулятора и балансировки элементов между собой. В процессе разряда и заряда контроллер БМС может нагреваться в разумных пределах (30-45 С).
БМС защищает аккумулятор от перезаряда и переразряда.

Предупреждения:

Обращайтесь с аккумулятором осторожно, избегайте сильной вибрации и ударов, попадания внутрь жидкости. Не замыкайте положительный и отрицательный полюса как на силовых, так и на зарядных проводах, чтобы не сделать короткое замыкание аккумулятора и не вывести из строя зарядный или разрядный блоки контроллера БМС

Данный случай не является гарантийным. Не повредите элементы, поскольку это может привести к короткому замыканию и потере емкости

Кроме того, электролит в элементах может навредить здоровью человека. Не оставляйте аккумулятор на солнце или вблизи нагревательных приборов, хранение при высоких температурах приводит к потере элементами емкости. Если аккумулятор поврежден, деформирован, протекает или чрезмерный нагрев во время работы, прекратите его использование немедленно. Обратитесь за консультацией к продавцу или производителю. Держите аккумулятор на негорючем материале до передачи в сервисный центр.

Зарядка:

В процессе эксплуатации, если подача напряжения с аккумулятора прекратилась, значит он разряжен. Для его зарядки сначала подключите зарядное устройство (ЗУ) к розетке 220в, затем подключите АКБ к ЗУ (не наоборот!).
После окончания зарядки возможен этап балансировки. При балансировке происходит включение – выключение ЗУ, необходимо оставить АКБ и ЗУ еще на некоторое время, затем отсоединить ЗУ от аккумулятора. Не оставляйте заряжаться АКБ без присмотра на долгое время.

Как продлить срок службы аккумулятора?

Элемент (аккумулятора) является независимой единицей, которая содержит полный очаг химической реакции внутри. Для начала использования необходимо убедиться, что элементы/аккумулятор эксплуатируется при определенных условиях, о чем написано в технических характеристиках. Для литиевых аккумуляторов предлагается эксплуатация только в диапазоне рабочей температуры (LiFePO4 от -30 до +45). Если АКБ заряжать на 95-97% и разряжать до 5-10% остаточной емкости, жизненные циклы (количество циклов «зарядразряд») аккумулятора могут быть значительно продлены.
Зарядка малым током также может продлить срок эксплуатации аккумулятора.
Хранение при температуре 0-5 С также способствует сохранению емкости и увеличению срока службы АКБ

О жизни аккумуляторов ноутбуков

А как быть обладателям ноутбуков? Какими способами они могут сохранить важную деталь своего «помощника»?

Для них также существует ряд правил, чтобы приспособление исправно служило в течение долгого времени:

Работу нужно производить от сети, отсоединяя питание.

Неработающая запчасть стареет, поэтому ей необходимы тотальные разрядка и зарядка хотя бы раз в пять дней.

Лучше не отсоединять питание при заряде ниже 80% и не разряжать девайс до планки ниже 20%.

Важно хранить ноутбук подальше от солнца и не заслонять процессор с вентиляцией.

Наверно, каждый второй сравнивает аккумулятор ноутбука с обычным расходным материалом, из разряда «что-то не так с батареей — бегу покупать новую». Аккумуляторы способны менять свои свойства. Они могут потерять свои первичные качества под воздействием массы факторов — от высокой температуры хранения и использования до преклонного возраста самой АКБ.

На деле батарея может испортиться намного раньше положенного срока. Правда, везде бывают исключения: ноутбуки Apple MacBook оснащаются литиевыми аккумуляторами, рассчитанными на более чем 1000 циклов разряд/заряд, и работают без перебоя от 2 до 5 лет. Сравните: обычные Li-Ion АКБ для ноутбуков выдерживают лишь 300 циклов и служат максимум 2-3 года. А потом перед их владельцами стоит выбор — или заняться восстановлением аккумулятора ноутбука, или отправить его на утилизацию.

Шаг 2: Оптимизируйте температуру

18650 рекомендуют эксплуатировать при температуре 20-25°С.

Отклонение от этих цифр влечет падение способности держать заряд. Отклонение на 10°С уменьшает емкость на 20, а то и 30 мА/ч.

Экстремальные температуры (ниже 0° и выше 70°С) ведут к быстрой деградации. Эксплуатация аккумуляторной батареи при температуре, выходящей за обозначенные границы, быстро испортит батарею.

Никогда не заряжайте батареи при температуре ниже 0, это очень быстро разрушит структуру аккумулятора.

Если во время использования батареи вы заметили, что она нагрелась, дайте ей отдохнуть. При нормальной эксплуатации батарея не нагреется очень сильно, и ее температура никогда не повысится до 60°С. Если она быстро нагревается, значит вы ее слишком нагружаете.

Особенности зарядки Li-ionаккумуляторов

Такие источники питания заряжаются в комбинированном режиме CC/CV. Изначально процесс зарядки идет при постоянном значении тока величиной от 0,2С до 1С. Когда напряжение достигает установленного производителем максимума (обычно 4,2 В), начинается 2-й этап зарядки – при неизменном напряжении и плавно снижающемся токе. Когда его значение достигнет 3% от начальной величины, процесс зарядки завершается.

Литий-ионныеэлементы не имеют эффекта памяти, поэтому разряжать их «в ноль» перед зарядкой не нужно и даже вредно. Лучше подключать АКБ к зарядному устройству после каждого применения. Перед длительным хранением Li-ionаккумуляторы рекомендуется заряжать примерно наполовину.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

Одноразовые литиевые батарейки заряжать нельзя! аккумуляторные батарейки используют со специальным зарядным устройством. Они могут выдержать до 1000 перезарядов, существенно сэкономив бюджет на покупку одноразовых элементов.

Как определить, что перед вами, аккумулятор или одноразовая батарейка? Сведения перед глазами. На аккумуляторе указывается емкость в mAh, на литиевой батарейке такой информации нет. Намекнет на аккумулятор цена, она высокая. На изделии обязательно найдется маркировка «rechargeable» – перезаряжаемая.

Если вы профессионально работаете с фотовспышкой и другой мощной аппаратурой, купите плоскую полимерную или цилиндрическую заряжаемую литиевую батарейку. Это выгоднее, чем приобретать в большом количестве одноразовые элементы.

Характеристика литий-ионных батарей

Основными характеристиками для любого элемента питания, являются:

напряжение;
ёмкость;
диапазон рабочих температур;
саморазряд;
срок эксплуатации.

Рабочее напряжение

Главный фактор, влияющий на диапазон рабочего напряжения – это материал, из которого сделаны электроды. В литиевых устройствах минимум этого показателя составляет 2,2-2,5 В, а максимум 4,25-4,35 В.

Ёмкость

Ёмкость элемента питания – это максимальное количество ионов металла, которые способны добраться до отрицательного и положительного электродов. В процессе эксплуатации, анод и катод постепенно теряют способность удерживать прежнее число ионов, и ёмкость батареи уменьшается.
Максимальная ёмкость Li-ion аккумулятора напрямую зависит от типоразмера и может составлять десятки или тысячи мАч. Самые популярные батареи типа 18650, могут иметь ёмкость 1000-3600 мАч, а АКБ 14500, имеющие габариты «пальчиковой» батарейки (АА) – 900 мАч.

Литий-ионные аккумуляторы.

Рабочая температура

Диапазон рабочих температур у литиевых батареек шире, чем у многих других типов устройств, и колеблется от -20°С до +50°С. Максимальную производительность АКБ способен выдавать лишь при комфортной температуре – около +20°С.

При температуре ниже +4°С энергоёмкость работающего АКБ начинает снижаться, а при отрицательных значениях может утратить до 50% и разряжаться прямо на глазах. Для хранения аккумуляторов лучше подойдёт температура – от 0 до +10°С.

Под саморазрядом имеется ввиду уменьшение ёмкости АКБ при бездействии (во время хранения). Для литиевых устройств, этот показатель составляет всего 6-10 % за год.

При условии полного разряда, максимальное количество циклов составляет 500-1000, но, если соблюдать все правила по зарядке и эксплуатации, можно продлить «жизнь» аккумулятора в несколько раз.

Почему срок эксплуатации литий-ионных аккумуляторов никого не должен волновать?

Смартфон — это микрокомпьютер, который работает тем дольше, чем больше позволяет ему батарея меж зарядками. Сколько телефон держит заряд — это наиболее распространённый вопрос после выхода каждой новой модели. Но мало, кто интересуется непосредственно потреблением энергии этим же самым телефоном.

→ Вместе с вами мы уже научились, что нельзя полагаться только на мАч при выборе смартфона для долгой автономной работы.

Телефон использует энергию в основном для связи и для экрана. На заре эпохи мобильных телефонов экран не был проблемой. Инженеры тогда использовали лучшие разработки индустрии калькуляторов. В основном там были многострочные ЖК-экраны, которые практически не потребляли энергии.

→ Связь же высасывала из батареи телефона все соки.

Можно было укротить аппетиты радиопередатчика, проверяя ближайшую сотовую вышку каждые несколько секунд. Тем временем самым большим успехом мобильной отрасли стали изменения в технологии передачи данных и рост числа станций мобильных операторов. Для передачи сигнала требовалось всё меньше энергии, батарея работала дольше.

Со временем мы подошли к моменту, когда телефоны могли обладать 300 часами в режиме ожидания. Правда к тому времени люди начинали делать другие вещи со своими телефонами, например, смотреть на экран.

Производители устремились увеличивать сами батареи в размерах. Вот только когда это произошло (телефоны стали работать ещё дольше), люди потребовали более высокого разрешения на своих экранах.

→ Новые дисплеи неожиданно потребляли гораздо больше энергии!

Приведём пример. В Nokia 3310 использовалась батарея емкостью 950 мАч — в режиме разговора она дотягивала до 5 часов. А современный смартфон имеет батарею 3000 мАч, и вы можете разговаривать по нему уже в течение 20 часов.

Вот только веб-сёрфинг на крутых экранах с мощным процессором и в режиме соединения 4G или WiFi 802.11ac длится лишь 10 часов.

История появления

Первый литий ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Ведущей компанией по производству данного типа АКБ стала Sony. Но батареи были разработаны в 70-х. Это были первые устройства с высокой энергоёмкостью, что сделало их востребованными. Но не было возможности применять их практически в массовом масштабе.

В составе батареи присутствует два электрода. На фольге из алюминия размещен катод, анод же поместили на медную. Их разделяет специальный сепаратор, который состоит из жидкого электролита, в некоторых случаях материал гелеобразный. Положительные заряды переносятся ионами лития. Они способы проникать внутрь других материалов и химических элементов, что провоцирует электрохимическую реакцию. Этим свойством они и обеспечивают заряд или питание устройств (телефонов, ноутбуков и т.д.).

В первые годы после создания литиево ионного накопителя они были известны своей взрывоопасностью. Это происходило из-за использования в конструкции накопителя металлического лития, а также по причине образования химических соединений в виде газа. При большом количестве разряда и заряда происходило замыкание, что влекло за собой взрыв аккумулятора.

Также взрывы происходили и потому, что ионы лития реагировали с другими соединениями и веществами в составе батарейки. Реакция была опасной и влекла за собой выделение большого количества тепла, после чего происходило возгорание и взрыв АКБ. В ходе улучшения было принято решение заменить анод на графитовый аналог. Такая рокировка позволила устранить проблему с взрывоопасностью аккумулятора. А производителю после выявления недостатка пришлось отозвать всю партию для мобильных телефонов.

Чтобы разработать полностью безопасную литий ионную батарейку понадобилось более чем 20 лет активных исследований и совершенствований. Это привело к выпуску более инновационного вида АКБ, а именно литий фосфатных. Они не перегреваются, а также в составе отсутствуют компоненты с опасными реакциями друг на друга. Также многие производители встраивают в корпус контроллер для заряда аккумуляторов во избежание эксцессов с возгоранием.

СВОЙСТВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЛИТИЕМ

Батарейки с литиевым отрицательным электродом выпускаются в цилиндрическом, дисковом и призматическом корпусах.

Производство литиевых батареек началось в семидесятых годах в нескольких странах. Наилучшие результаты удалось получить при использовании лития в сочетаниях с твердыми и органическими электролитами. Улучшить эксплуатационные и энергетические параметры позволил отказ от водного электролита.

Литий в слитках в виде секторной формы. При обычных условиях литий реагирует с кислородом и азотом воздуха, покрываясь пленкой темного цвета.

Литий – мягкий, пластичный металл, расположен первым в ряду электродных потенциалов. Его электродный потенциал составляет – 3,045 вольта. Подробнее об электродных потенциалах рассказано в статье “Разность электродных потенциалов – возможность работы батарейки”. Это позволяет создавать батарейки напряжением около трех вольт, что упрощает реализацию питания многих приборов. Одна литиевая батарейка может заменить две щелочных или солевых. Напряжение 3 вольта литиевой батарейки, вместо привычных 1,5 вольт кроме преимуществ имеет недостатки в виде некоторых особенностей применения. Литиевые батарейки производятся в стандартных корпусах, поэтому с их появлением требуется внимательно проверять напряжение устанавливаемых батареек. Литий самый легкий металл. Батарейки, имеющие литиевые электроды на одну треть легче щелочных батареек. Химически литий очень активен. Эти свойства лития позволяют создавать химические источники тока минимальных размеров и массы. Главное преимущество литиевых источников тока – очень высокая плотность энергии, гарантирующая большой заряд. Это позволяет литиевым батарейкам обеспечивать наибольшую продолжительность работы по сравнению с другими химическими элементами. Также среди преимуществ этого типа батареек работа в условиях экстремальных температур.

Литиевые электроды во всех электролитах покрываются пассивной пленкой толщиной несколько нанометров. Пленка обладает свойствами твердого электролита, проводящего ионы лития. Образование пленки предотвращает самопроизвольную реакцию литиевого электрода с электролитом, поэтому литиевые элементы имеют низкий саморазряд. Снижения заряда составляет 1-2 % в год. Срок хранения литиевых батареек составляет 10 лет, а некоторых типов до пятнадцати лет. При различных токах разряда емкость батареек почти не изменяется. В начале работы батарейки желательно провести депассивацию, разрушающую пленку на литиевом электроде.

Недостатком батареек является высокая цена из-за используемого лития, но с течением времени потребление этого типа батареек будет возрастать, а с увеличением добычи и переработки лития цена будет снижаться. Большая часть лития добывается в восьми странах.

Добыча лития.

Объем запасов лития на территории России приблизительно оценивается как 1 миллион тонн. Более половины сосредоточенно в месторождениях Мурманской области. Производителями лития и его солей в Росси являются Новосибирский завод химконцентратов и Красноярский химико-металлургический завод.

Литий способен вызвать ожоги из-за постоянно присутствующей на коже влаги. Работать с литием можно только в защитной одежде и очках. Высокая активность лития усложняет технологию производства батареек. Хранить литий можно только под слоем минерального масла. Для уничтожения отходов лития их обрабатывают этиловым спиртом.

В литиевых батарейках цилиндрической формы используются электроды ленточного типа. Преимущества рулонной конструкции электродов: низкое сопротивление и сниженный нагрев. Такая конструкция позволяет увеличить ток разряда батарейки.

Рулонные электроды цилиндрической литиевой батарейки. Для отрицательного электрода используется литиевая фольга.

Батарейки обладают высокой степенью герметичности, для повышения безопасности эксплуатации в конструкцию входят клапаны, предотвращающие критическое повышение давления. Производство происходит в герметичных объемах в сухой атмосфере инертных газов. В этих батарейках нет вредных веществ, содержащихся в других типах. Исключено содержание ртути, кадмия, свинца.

Применяются в компьютерах, промышленной автоматике, медицинских приборах, различных переносных и карманных устройствах, электронных часах и играх, измерительных приборах, счетчиках расхода газа, фото и видеотехнике и во многих других областях, где востребована герметичность батареек и эксплуатация в течении многих лет.

ДИОКСИД МАРГАНЦА

Наиболее распространен и изучен из литиевых батареек тип, имеющий твердый положительный электрод, изготовленный из термообработанного диоксида марганца MnO2. В результате реакции разряда образуется оксид лития. Этот тип батареек в наименовании имеет буквы СR. Напряжение составляет 3 вольта. Батарейки сохраняют работоспособность до десяти лет, могут отдавать большой ток и имеют значительную емкость. К этому типу принадлежит батарейка «Корунд» напряжением 9В, состоящая из трех элементов.

Корпус батарейки выполнен из нержавеющей стали. Мембрана, разделяющая электроды, выполнена из полипропилена.

Конструкция диоксид марганцевой Конструкция катушечной диоксид батарейки со спиральными электродами, марганцевой батарейки, герметизация герметизация крышки закатыванием . крышки лазерной сваркой

Батарейки со спиральными электродами имеют закатанную крышку или приваренную лазером, батарейки катушечной конструкции имеют крышку, приваренную лазером.

Закатанная крышка батарейки. Крышка батарейки приварена лазером. Диапазон температуры Батарейки работают в интервале эксплуатации от – 20 до 60 °C. температуры от – 40 до 85 °C.

Для защиты от перегрева и короткого замыкания в конструкции закатанной батарейки присутствует терморезистор с положительной температурной характеристикой. При нагревании его сопротивление увеличивается незначительно, но при достижении температурой значения 85 °C сопротивление резко возрастает, что приводит к снижению тока через батарейку до минимального значения.

Расположение терморезистора в конструкции положительного полюса батарейки.

Батарейки катушечного типа в цилиндрическом корпусе рекомендуются для применения в устройствах с низким потреблением мощности: 5 миллиампер при непрерывном потреблении и 20 миллиампер в импульсном режиме. Это могут быть резервные запоминающие устройства, часы, календари, счетчики воды, счетчики газа, автомобильная электроника. Батарейки со спиральными электродами предназначены для токов непрерывного потребления 1,5 ампера, а в импульсном режиме 4 ампера.

Диоксид марганцевая батарейка Varta CR AA катушечной конструкции и разряд нагрузками различного сопротивления при температуре 21 °C.

История возникновения

Первые упоминания о разработках литиевых аккумуляторных батарей датируются началом прошлого века. Первые полноценные модели вошли в эксплуатацию в 70-ых годах 20 века и включали в себя анод из лития. За счет отличных рабочих показателей и большого срока службы они быстро стали пользоваться большой популярностью и заняли лидерскую нишу на рынке батарей.

Являясь хорошим восстановителем, литий позволил производителям достичь максимального напряжения и удельной энергии батарей. При этом процесс усовершенствования технологии занял ещё около 20 лет, и только недавно литиевые аккумуляторы вошли в широкий обиход и стали применяться в самых различных сферах человеческой деятельности.

Вторичные литиевые модели, имеющие апротонные электролиты, а также модели с твёрдым катодом работают по тому же принципу, что и классическая разновидность. Минусовой электрод обеспечивает анодное растворение вещества, а в кристаллическую решетку элемента с плюсовым зарядом подаётся литий. При осуществлении зарядки процессы идут в обратном порядке.

Для разработки материалов под плюсовой электрод понадобилось немного времени. Основная задача, которая преследовалась производителем, заключалась в протекании обратимых процессов. Речь идет об идее анодной экстракции и катодном внедрении. На официальном языке такие этапы носят названия деинтеркалирования и интеркалирования. При проведении опытов исследователи внедряли самое различное сырье.

В идеале нужно было достичь отсутствия изменений при циклировании процессов

Особое внимание уделялось таким материалам:

TiS2 (дисульфид титана).
Nb (Se)n (селенид ниобия).
Сульфиды и диселениды ванадия;
Сульфиды меди и железа.

Достичь максимальных удельных показателей катода удалось с помощью оксидов металлов. Для этого исследователи проводили массу экспериментов с разными оксидами, пытаясь определить оптимальную обратимую работу. Задача заключалась в том, чтобы изменения объема катода не превышали 20 процентов.

История появления

Первые подобные аккумуляторы появились еще в 70-е гг. прошлого века. Они сразу получили востребованность благодаря более совершенным характеристикам. Анод элементов был изготовлен из металлического лития, свойства которого позволили повысить удельную энергию. Так появились литиевые аккумуляторы.

У новых батарей был весомый недостаток — повышенная опасность взрыва и воспламенения. Причина крылась в образовании на поверхности электродов литиевой пленки, которая приводила к нарушению температурной стабильности. В момент максимальной нагрузки батарея могла взорваться.

Доработка технологии привела к отказу от чистого лития в компонентах АКБ в пользу использования его положительно заряженных ионов. Литий-ионный аккумулятор оказался удачным решением.

Данному типу ионных аккумуляторов свойственна более высокая безопасность, которая получена за счет небольшого снижения энергетической плотности, но постоянный технологический прогресс позволил свести проигрыш по этому показателю к минимуму.

Виды АКБ для шуруповертов и их особенности

В современных аккумуляторных шуруповертах и дрелях используются три типа батарей:

Никель-кадмиевые (NiCd, Ni-Cd).
Никель-металлогидридные (Ni-MH или NiMH).
Литий-ионные (Li-ion).

Рассмотрим особенности каждого из типов аккумуляторов подробно.

Никель-кадмиевые

Этот тип источников энергии, пожалуй, самый старый. Появились кадмиевые аккумуляторы в 70-х годах, и это был настоящий прорыв. По сравнению с кислотно-свинцовыми и щелочными батареями никелевые оказались намного компактнее при той же электрической емкости и имели умеренную цену.

Как и свинцово-кислотные, Ni-Cd элементы могут отдавать довольно большой ток в нагрузку и выдерживать до 1 000 циклов заряд/разряд. Причем такое количество циклов – всего лишь гарантия производителя. Фактически батарея продолжает служить и по достижении этой цифры.

Время зарядки Ni-Cd батареи в среднем составляет 6-8 часов, что, к сожалению, многовато, но все же меньше, чем у его кислотных и щелочных собратьев. Отличаются никелевые АКБ и своей «морозоустойчивостью» — они отлично работают при температурах до -20 градусов Цельсия. Дополнительно кадмиевая технология допускает глубокую разрядку, а срок службы батареи зависит в основном от количества циклов заряд/разряд. Храниться же такая батарейка может долго – до 7-8 лет.

Но есть у этого типа аккумуляторов и недостатки, причем существенные. Один из них – большой саморазряд, который может достигать 10% в месяц. Таким образом, если шуруповерт пролежал без дела, скажем, полгода, то перед использованием его придется зарядить.

Еще один недостаток – так называемый «эффект памяти». Если батарею постоянно подзаряжать, не разряжая в ноль, то она «запомнит», до какого уровня ее разряжали и по достижении этого порога просто откажется работать, «сказав», что разряжена. Именно поэтому аккумуляторы данного типа нужно периодически «гонять» — полностью разряжать и тут же заряжать до 100%.

Никель-металлогидридные

Этот тип аккумуляторов появился чуть позже – в начале 90-х годов прошлого века. Ni-MH элементы обладают сходными с кадмиевыми характеристиками, но эффект памяти проявляется у них намного слабее (но все же проявляется) и, главное, в таких аккумуляторах отсутствует кадмий.

Ni-MH батарея аккумуляторов для шуруповерта

Никель-металлогидридная батарея способна отдавать приличный ток, хорошо работает на морозе, а ее саморазряд составляет те же 7-10% в месяц. Что касается стоимости, аккумуляторы этого типа несколько дороже кадмиевых, количество же циклов заряд/разряд, от которого зависит срок службы, составляет всего 300-500 раз, что является существенным минусом. Срок хранения таких элементов – 6-7 лет. Соотношение габариты/емкость, как и время заряда — до 8 часов, сходны с кадмиевыми. Металлогидридные элементы, как и кадмиевые, хорошо переносят глубокий разряд.

Литий-ионные

Li-Ion технология на сегодняшний день является передовой. Литиевые элементы намного компактнее и легче предыдущих при той же электрической емкости и, что очень удобно, могут заряжаться повышенным током. При этом время полной зарядки литий-ионных АКБ может быть сокращено до 1-2 часов.

Li-Ion батарея аккумуляторов для шуруповерта

Большим преимуществом батареек этого типа является и практически полное отсутствие эффекта памяти – инструмент можно подзаряжать когда угодно и до любого уровня. Саморазряд Li-Ion батарейки относительно невелик и составляет примерно 2-3% емкости в месяц.

Что касается недостатков, то до относительно недавнего времени это были высокие степени пожаро- и взрывоопасности. При неправильной эксплуатации батарея могла загореться, а то и взорваться. Причем горящий элемент практически невозможно потушить водой – это только усиливает горение.

Еще один серьезный недостаток элементов этого типа – они не терпят глубокого разряда и перезаряда. В первом случае АКБ тут же выходит из строя, во втором — может загореться. Но эту проблему тоже легко решили все тем же контроллером, который отключает элемент питания от нагрузки при критическом разряде и от зарядного устройства, если АКБ зарядилась.

Обычный ресурс Li-Ion батареек составляет 600 циклов заряд/разряд, но он также сильно зависит и от «возраста». Храниться литий-ионная АКБ может не более 2-3 лет независимо от того, работает она или просто лежит в столе.

Выбирая инструмент с такими элементами питания, следует учитывать, что они будут плохо вести себя на морозе (сильное снижение емкости, которая, впрочем, восстановится в тепле). В дополнение они не смогут отдать большой ток при любой температуре, а значит, не обеспечат большой крутящий момент, необходимый для работы с плотными материалами. И стоимость Li-Ion элементов намного выше, чем у никелевых собратьев.

Разновидности аккумуляторов

Наиболее распространены следующие виды литий-ионных батарей:

Литий-кобальтовая. Популярный тип в ноутбуках, смартфонах и цифровых камерах. В состав входит катод из кобальтового оксида и графитовый анод. К преимуществам относят высокий показатель удельной энергоёмкости, а к недостаткам: низкий срок годности, ограниченную нагрузку и невысокую термическую стабильность.
Литий-маргенцевая. Основная область применения – электроинструменты, медицинское оборудование и электрические силовые устройства. Катод представляет собой литий-марганцевую шпинель, обеспечивающей низкое сопротивление.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидная. Сочетание металлов, входящих в состав, позволяет использовать сильные стороны каждого элемента. Применяется как в частных областях, так и в более крупных – промышленных, например, в системах безопасности и аварийного освещения.
Литий-железно-фосфатная. Популярный вариант для стационарных специализированных устройств. К преимуществам относят стойкость к неправильным условиям эксплуатации, высокую безопасность и термическую стабильность, а к минусам причисляют малое значение ёмкости.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидная. Дороговизна оправдывается долговечностью и хорошими показателями энергоёмкости. Используют в промышленных целях и медицинском оборудовании.
Литий-титановая. Можно встретить в сфере уличного освещения и автомобильных агрегатах. Дорогие и обладают низкой удельной энергоёмкостью, однако имеют долгий срок годности, работают в широком температурном диапазоне, производительны и безопасны.

Особенности хранения

Не секрет, что практически все литиевые аккумуляторы подвергаются постоянной деградации. Этот необратимый процесс начинается непосредственно со снятия батареи с конвейера. За год усердной работы емкость АКБ может снизиться вплоть до десяти процентов, если учесть несоблюдение базовых правил эксплуатации и хранения.

Интенсивность деградации определяется многими факторами, включая степень заряженности и температуру ОС.

Если допускать повышение температурного режима до 40−50 градусов Цельсия, то деградация будет невероятно быстрой. Наиболее оптимальный рабочий режим — 0−10 градусов. Однако найти такие показатели в домашней обстановке проблематично. Поэтому лучше всего хранить оборудование при комнатной температуре и средней заряженности.

Учитывая специфику конструкции, не стоит самостоятельно разбирать аккумулятор и пытаться восстановить его. Только при наличии соответствующих навыков и опыта можно выполнить такую работу

Однако важно помнить о технике безопасности и не забывать использовать перчатки и защитные очки

Правильный уход за литиевыми аккумуляторами — залог их долгой и надежной работы.