літієві акумулятори

1. Історія виникнення, розвиток та особливості
2. Експлуатація та термін служби
3. Термін служби
4. процес зарядки
5. зберігання
6. Безпека
7. Утилізація
8. Плюси і мінуси літієвих акумуляторів
9. мінуси

Наша сеть партнеров Banwar

Дуже багато сьогодні використовують електронні пристрої в своєму повсякденному житті. Стільникові телефони, планшети, ноутбуки ... Всі знають, що це таке. Але мало хто знає, що ключовим елементом цих пристроїв є літієвий акумулятор. Цим типом акумуляторних батарей комплектується практично всі мобільні пристрої. Сьогодні ми поговоримо про літієвих акумуляторах. Ці АКБ і технологія їх виробництва постійно розвиваються. Істотне оновлення технології відбувається раз в 1─2 року. Ми розглянемо загальний принцип роботи літієвих батарей, а різновидів будуть присвячені окремі матеріали. Нижче буде розглянута історія виникнення, експлуатація, зберігання, переваги і недоліки літієвих акумуляторів.

Зміст статті

Історія виникнення, розвиток та особливості

Дослідження в цьому напрямку проводилися ще на початку 20 століття. «Перші ластівки» в сімействі літієвих акумуляторів з'явилися на початку сімдесятих років минулого століття. Анод цих батарей був виконаний з літію. Вони швидко стали затребувані завдяки тому, що володіли високою питомою енергією. Завдяки наявності літію, дуже активного відновника, розробникам вдалося сильно наростити номінальну напругу і питому енергію елемента. Розробка, наступні випробування і доведення технології «до розуму» зайняли близько двох десятків років.

За цей час вирішувалися в основному питання з безпеку використання літієвих акумуляторів, підбором матеріалів і т. П. Вторинні літієві елементи з апротонного електролітами і різновид з твердим катодом схожі по електрохімічним процесам, що протікають в них. Зокрема, на мінусовому електроді йде анодне розчинення літію. У кристалічну решітку плюсового електрода йде впровадження літію. Коли акумуляторний елемент заряджається, то процеси на електродах йдуть у зворотному напрямку.

Матеріали для плюсового електрода розробили досить швидко. Основна вимога до них було в тому, щоб на них проходило зворотні процеси.

Мова йде про анодної екстракції і катодного впровадження. Ці процеси ще називають анодним деінтеркалірованіем і катодних інтеркаляції. Дослідники випробовували різні матеріали як катода.

Вимога було в тому, щоб були відсутні зміни при циклировании. Зокрема, вивчалися такі матеріали, як:

• TiS2 (дисульфід титану);
• Nb (Se) n (селенід ніобію);
• сульфіди і діселеніда ванадію;
• сульфіди міді і заліза.

Всі перераховані матеріали мають шарувату структуру. Проводилися дослідження і з матеріалами більш складних складів. Для цього використовувалися добавки деяких металів в невеликих кількостях. Це були елементи має катіони більшого радіусу, ніж у Li.

Високі питомі характеристики катода були отримані на оксидах металів. Пробувалися різні оксиди на предмет оборотної роботи, яка залежить від ступеня спотворення кристалічної решітки матеріалу оксиду, коли туди впроваджуються катіони літію. У розрахунок бралася і електронна провідність катода. Завдання полягало в тому, щоб забезпечити зміни обсягу катода не більше 20 відсотків. Згідно з дослідженнями, найкращі результати показали оксиди ванадію і молібдену.

Різні види літієвих батарей

З анодом виникли головні складності при створенні літієвих акумуляторів. Точніше в процесі зарядки, коли відбувається катодного осадження Li. При цьому утворюється поверхня з дуже високою активністю. Літій осідає на поверхні катода у вигляді дендритів і в результаті утворюється пасивна плівка.

Виходить так, що ця плівка обволікає частинки літію і перешкоджає їх контакту з основою. Цей процес називається инкапсулирование і призводить до того, що після зарядки акумулятора певна частина літію виключається з електрохімічних процесів.

У підсумку після певної кількості циклів, електроди зношувалися і порушувалася температурна стабільність процесів всередині літієвий акумулятор.

У якийсь момент елемента розігрівався до точки плавлення Li і реакція переходила в неконтрольовану фазу. Так, на початку 90-х років на підприємства компаній, що займалися їх випуском, повернули багато літієвих АКБ. Це були одні з перших акумуляторів, які стали застосовуватися в мобільних телефонах. У момент розмови (струм досягає максимального значення) по телефону з цих батарей відбувався викид полум'я. Було чимало випадків, коли користувачеві обпікало обличчя. Освіта дендритів при осадженні літію, крім небезпеки пожежі та вибуху, може призводити до короткого замикання.

Тому дослідники витратили багато часу і сил на розробку методом обробки поверхні катода. Розроблялися способи введення в електроліт добавок, що перешкоджають утворенню дендритів. В цьому напрямку вчені досягли успіхів, але повністю проблема не вирішена досі. Ці проблеми з використанням металевого літію намагалися вирішити і іншим методом.

Так, негативний електрод стали виготовляти з літієвих сплавів, а не з чистого Li. Найуспішнішим виявився сплав літію і алюмінію. Коли йде процес розряду, то в електроді з такого сплаву витравлюється літій, а при заряді, навпаки. Тобто, в процесі циклу заряд-розряд змінюється концентрація Li в сплаві. Звичайно, відбулася певна втрата активності літію в сплаві в порівнянні з металевим Li.

Потенціал електрода зі сплаву знизився десь на 0,2─0,4 вольта. Робоча напруга літієвої батареї знизилося і одночасно зменшилася взаємодія електроліту і сплаву. Це стало позитивним фактором, оскільки зменшився саморазряд. Але сплав літію і алюмінію не отримав широкого розповсюдження. Проблема тут полягала в тому, що при циклировании сильно змінювався питома обсяг цього сплаву. Коли відбувався глибокий розряд, то електрод охрупчиваются і осипався. Через зниження питомих показників сплаву дослідження в цьому напрямку були припинені. Вивчалися та інші сплави.

Як показали дослідження, найкраще підходять сплав Li з важкими металами. Прикладом може служити сплав Вуда. Вони добре показали себе в плані збереження питомої обсягу, але питомі характеристики виявилися недостатніми для використання в літієвих акумуляторах.

В результаті через те, що металевий літій нестабільний, дослідження стали вести в іншому напрямку. Було вирішено виключити з компонентів батареї літій в чистому вигляді, а використовувати його іони. Так з'явилися літій─іонние (Li-Ion) акумулятори.

Енергетична щільність літій─іонних АКБ менше, ніж у літієвих. Але безпека і зручність експлуатації у них значно вище. Можете прочитати докладніше про літій-іонний акумулятор за вказаним URL.

Експлуатація та термін служби

експлуатація

Правила експлуатації будуть розглянуті на прикладі поширених літієвих акумуляторів, які застосовуються в мобільних пристроях (телефонах, планшетах, ноутбуках). У більшості випадків від «дурня» такі акумулятори захищає вбудований контроллер. Але користувачеві корисно знати базові речі про пристрій, параметрах і експлуатації літієвих АКБ.

Пристрій літієвий акумулятор

Для початку слід запам'ятати, що літієвий акумулятор повинен мати напругою від 2,7 до 4,2 вольта.Нижнє значення тут говорить про мінімальний рівень заряду, верхнє - про максимальний.

В сучасних Li батареях електроди виконуються з графіту і в їхньому випадку нижня межа напруги становить 3 вольта (2,7 - це значення для електродів з коксу). Електрична енергія, яку віддає акумулятор при падінні напруги від верхньої межі до нижньої, називається його ємністю.

Щоб продовжити термін служби літієвих акумуляторів виробники дещо звужують діапазон напруги. Часто це 3,3─4,1 вольта. Як показує практика, максимальний термін служби літієвих батарей досягається при рівні заряду 45 відсотків. Якщо акумулятор перетримувати на зарядці або сильно розряджати, то термін експлуатації скорочується. Зазвичай рекомендується ставити літієвий акумулятор заряджатися при 15─20% заряду. А припиняти зарядку треба відразу після досягнення 100% ємності.

Але, як вже говорилося, від перезарядки і глибокого розряду акумулятор рятує його контролер. Ця керуюча плата з мікросхемою є практично на всіх літієвих акумуляторних батареях. У різної споживчої електроніки (планшет, смартфон, ноутбук) роботу контролера, інтегрованого в АКБ, ще доповнює мікросхема, яка розпаяна на платі самого пристрою.

Загалом, правильна експлуатація літієвих акумуляторів забезпечується їх контролером. Від користувача в основному потрібно не встрявати в цей процес і не займатися самодіяльністю.

Термін служби

Термін служби літієвих акумуляторних батарей становить близько 500 циклів заряд-розряд. Це значення справедливо для більшості сучасних літій─іонних і літій─полімерних акумуляторів. За часом термін служби може бути різний. Це залежить від інтенсивності використання мобільного пристрою. При постійному використанні, навантаженням ресурсоємними додатками (відео, ігри) акумулятор може вичерпати свій ліміт за рік. Але в середньому термін служби літієвих акумуляторів становить 3─4 року.

процес зарядки

Відразу варто відзначити, що для нормальної експлуатації батареї, потрібно використовувати штатний зарядний пристрій, який поставляється в комплекті з гаджетом. У більшості випадків це джерело постійного струму з напругою 5 вольт. Штатні зарядки для телефону або планшета зазвичай віддають струм близько 0,5─1 * С (С - номінальна ємність батареї).
Стандартним режимом зарядки літієвий акумулятор вважається наступний. Цей режим використовується в контролерах компанії Sony і забезпечує максимальну повноту зарядки. На малюнку нижче цей процес представлений в графічному вигляді.

Етапи зарядки літієвий акумулятор

Процес складається з трьох етапів:

• тривалість першого етапу близько однієї години. При цьому струм зарядки тримається на постійному рівні до тих пір, поки напруга АКБ не досягне значення 4,2 вольта. Після закінчення ступінь зарядженості дорівнює 70%;
• другий етап також йде близько години. В цей час контролер підтримує постійну напругу 4,2 вольти, а струм зарядки при цьому знижується. Коли сила струму падає приблизно до 0,2 * C, запускається заключний етап. Після закінчення ступінь зарядженості дорівнює 90%;
• на третьому етапі ток постійно знижується при напрузі 4,2 ​​вольта. В принципі, ця стадія повторює другий етап, але має суворе обмеження за часом о 1 годині. Після цього контролер відключає батарею від зарядного пристрою. Після закінчення ступінь зарядженості дорівнює 100%.

Контролери, які здатні забезпечити таку стадийность, коштують досить дорого. Це відбивається на вартості акумулятора. З метою здешевлення багато виробників встановлюють в акумулятори контролери з спрощеної системою заряду. Часто це буває тільки перший етап. Зарядка переривається при досягненні напруги 4,2 вольта. Але в цьому випадку літієва батарея заряджається лише на 70% від ємності. Якщо літієвий акумулятор вашого пристрою заряджається 3 години і менше, то, швидше за все, він має спрощений контролер.

Варто відзначити ще ряд моментів. Періодично (раз в 2─3 місяці) робіть повний розряд АКБ (щоб телефон відключився). Потім проводиться повна зарядка до 100%. Після цього виймаєте батарею на 1─2 хвилини, вставляєте і включаєте телефон. Рівень заряду буде менше 100%. Заряджаєте повністю і так робите кілька разів, поки при вставці батареї не буде показаний повний заряд.

Пам'ятайте, що через роз'єм USB ноутбука, десктопа, перехідника від прикурювача в машині зарядка йде значно повільніше, ніж від штатного ЗУ. Це пояснюється обмеженням інтерфейсу USB по току в 500 мА.

Також пам'ятайте про те, що на холоді і при низькому атмосферному тиску літієві акумулятори втрачають частину своєї ємності. При негативних температурах цей тип батарей стає непрацездатним.

Рекомендуємо додатково прочитати про те, як правильно заряджати літій-полімерний акумулятор .

зберігання

Постійна деградація літієвий акумулятор - це одна з проблем цього типу АКБ. Деградація стартує в момент виходу АКБ з конвеєра і виражається в поступовій втраті ємності. Це втрата становить близько 10% в рік і додається до стандартної втрати ємності в результаті експлуатації. Пам'ятайте, що навіть якщо літієва батарея не використовується, процес старіння в ній все одно йде.

Швидкість деградації при зберіганні залежить від ступеня зарядженості акумулятора і температурі ОС. Температура вище 40─50 градусів протипоказана, оскільки призводить до прискореної деградації батареї. Найкращою температурою є 0─10С. Але такий режим в домашніх умовах забезпечити складно. Тому часто рекомендують зберігати літієві акумулятори при кімнатній температурі і ступеня зарядки 30─50%. Потрібно стежити за тим, щоб на нього не потрапляли прямі сонячні промені і поруч не було джерел тепла. Раз на півроку акумулятор слід заряджати.

Безпека

З причини дуже високої активності літію не рекомендується розбирати акумулятори без відповідних навичок. Якщо все ж збираєтеся цим зайнятися, то руки захищайте рукавичками, а очі захисними окулярами. Пам'ятайте, що при найменшому замиканні електродів літієвий акумулятор запалюється. Не здумайте гасити його водою. При взаємодії з літієм піде бурхлива хімічна реакція і навіть вибух.

З міркувань безпеки з 1 квітня 2016 року було введено заборону ICAO на перевезення визнали в літаках АКБ літій─іонного типу. Заборона буде діяти до тих пір, поки для них не буде створена вогнестійка упаковка. Заборона на перевезення стосується тільки акумуляторів, які перевозяться літаком в якості вантажу. Заборона не діє відносно літієвих батарей, вставлених в телефон, ноутбук, фотоапарат і т. П.

ICAO ─ це міжнародна організація цивільної авіації. Раніше ця ж організація ввела заборону на батарейки з електродами з металевого літію, використовуваними в багатьох годинах. Заборона обов'язковий для виконання у всіх країнах, які входять в ICAO. В тому числі, і для Росії.

Утилізація

Ці акумуляторні батареї мають важкі метали та інші елементи, які небезпечні для здоров'я людини і тварин, а також навколишнього середовища.

Тому літієві АКБ обов'язково потрібно утилізувати і просто так їх викидати не можна. Відходи, які містяться в літієвих акумуляторах можна віднести до другого класу небезпеки. Крім того, через наявність в своєму складі активного літію, ці батареї не раз ставали причиною пожежі на звалищах і пунктах складування сміття.

На щастя, на сьогоднішній день є всі необхідні технології і обладнання для знешкодження та утилізації Li─Ion і Li─Pol акумуляторів.

У загальному вигляді процес утилізації акумуляторів включає в себе два основних етапи:

• Витяг і нейтралізація електроліту;
• Сортування твердих речовин (метал, пластик) і їх подрібнення.

Щоб мати уявлення, можете прочитати про утилізацію автомобільних акумуляторів . У Росії ринок переробки відходів в цілому і утилізація літієвих акумуляторів поступово розвивається. Здавати свої літієві батарейки можна в пунктах прийому таких відходів або своєму управлінні ЖКГ.

Плюси і мінуси літієвих акумуляторів

плюси

• висока енергетична щільність (а значить, більш висока ємність), якщо порівнювати зі лужними акумуляторами з використанням нікелю;
• невеликий саморазряд;
• Досить велика напруга одного акумуляторного елемента (3,6 вольта у Li і 1,2 вольта у Ni─Cd і Ni─MH ). Це робить конструкцію простіше. Як правило, літієві АКБ для телефонів і планшетів мають в своїй конструкції всього одну банку. Але для забезпечення тієї ж потужності, потрібно віддавати вищу силу струму. Це, в свою чергу, вимагає невеликого внутрішнього опору акумулятора;
• Проста експлуатація, оскільки відсутній «ефект пам'яті». Тому періодичні тренування елементів не потрібні.

мінуси

• Цей тип акумуляторів не може працювати без вбудованого контролера. Це підвищує вартість АКБ. Контролер необхідний для контролю за напругою під час зарядки і розрядки. Також в його функції входить обмеження струмів заряду і розряду плюс контроль температури;
• Деградація акумулятора йде навіть при його зберіганні. Виробники про це не поширюються, але вам необхідно пам'ятати при покупці, що «годинник літієвої АКБ цокає» з момент її виробництва на конвеєрі;
• Коштують дорожче нікель─кадміевих і нікель─металлогідріднимі;
• Зберігають свої властивості у вузькому температурному інтервалі. Спека і холод для них згубними.

Ось і все про літієвих акумуляторах. Основні види цих батарей будуть розглянуті в інших статтях. Сподіваємося, що матеріал був для вас корисний. Голосуйте в опитуванні нижче, додавайте статтю в соціальні закладки та оцінюйте матеріал! Додатково можете прочитати про види акумуляторів для автомобілів.