Литиевые аккумуляторы




Литиевые аккумуляторы
Li-ion и Li-Pol аккумуляторы
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]


Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы.
Техника не стоит на месте: возникают новые потребности и для их решения разрабатываются новые технологии. Так в свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас на место литий-ионных (Li-ion) пытаются выдвинуться литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени сумели потеснить NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, они не сумели обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе






Как правило, все мы при покупке мобильника или портативного компьютера совершенно не задумывается о том, какой аккумулятор у них внутри и в чем разница между различными их видами. И только уже потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами различных аккумуляторов, начинаем анализировать и выбирать. Если вы спешите и желаете сразу получить ответ на вопрос, какой аккумулятор выбрать для своего мобильника, то остановитесь сегодня на Li-ion и дальнейшие рассуждения можете пропустить. А ищущих прошу дальше.
Для начала небольшой экскурс в историю.
Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые появились в бытовых устройствах. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за возникших проблем в обеспечении их безопасной эксплуатации. Литий - самый легкий из всех металлов, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды способны обеспечить и высокое напряжение, и превосходную емкость. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах, было выяснено, что циклическая работа (заряд - разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, уменьшающим тепловую стабильность и вызывающим потенциальную возможность выхода теплового состояния из-под контроля. В случае, когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития и возникает бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения и причинения ожогов людям.
Из-за свойственной литию неустойчивости, исследователи повернули свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы.
Плотность энергии Li-ion аккумуляторов - обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd [1], а в перспективе, с применением новых активных материалов, предполагается увеличить ее еще и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости, Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристики подобна, и отличается лишь напряжением).
На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но с потребительской точки зрения отличить их по внешнему виду не представляется возможным. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам и рассмотрим причины вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.
Основные преимущества:
Высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
Низкий саморазряд.
Высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию, и зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие изготовители сегодня ориентируются на применение для сотовых телефонов именно такого одноэлементного аккумулятора (вспомните Nokia). Однако чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов), поскольку отсутствует эффект памяти и не требуются периодические циклы разряда для восстановления емкости.
И недостатки:
Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температура элемента. В результате, возможность металлизации лития практически исключена.
Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам, производители об этой проблеме умалчивают. Небольшое уменьшение емкости заметно после одного года, вне зависимости от того, находился аккумулятор в использовании или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к эксплуатации. Впрочем, и аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это - особенно справедливо для NiMH, подвергающихся воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона.
Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.
Затруднено быстрое тестирование [1] аккумуляторов (например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология их изготовления до конца еще не отработана и происходят ее постоянные изменения.
Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Примерно каждые шесть месяцев она обновляется и становится трудно оценить, как хорошо ведут себя новые аккумуляторы после длительного хранения.
Словом, всем хорош Li-ion аккумулятор, но есть некоторые проблемы в обеспечение безопасности эксплуатации и высокая стоимость. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов.
Основное их отличие от Li-ion заложено в самом названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, использовали сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.
Такая конструкция упрощает процесс изготовления, более безопасна и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы. К тому же отсутствует опасность воспламенения, поскольку нет жидкого или гелевого электролита. При толщине элемента около одного миллиметра, разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.
Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, требуемую для современных устройств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В тоже время при нагревании до 60 °C и более электропроводность увеличивается до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится.
Исследователи продолжают работать в направлении разработки Li-polymer аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Такие аккумуляторы, как ожидается, станут коммерчески доступными к 2005 году, будут стабильными, допускать1000 полных циклов заряда - разряда и более высокую плотность энергии, чем сегодняшние Li-ion аккумуляторы.
Тем временем, некоторые виды Li-polymer аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате. Например, некоторые производители специально устанавливают нагревающие элементы, с помощью которых поддерживается благоприятный температурный диапазон для аккумулятора.
Вы спросите как же так, на рынке вовсю продаются Li-polymer аккумуляторы, изготовители комплектуют ими телефоны и компьютеры, а мы тут говорим, что для коммерческой эксплуатации они пока не готовы. Все очень просто. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того, чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях и для продвижения на рынке, маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку именно они на данный момент представляют для нас наибольший интерес.
Прежде всего, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обоих систем очень похожи, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности.
Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов из-за желания инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя потенциально, при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы дешевле литий-ионных.
А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов.
Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье [2]. В добавление приведу лишь график (Рис.1) из [3], иллюстрирующий стадии заряда и небольшие пояснения к нему.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.1. Стадии заряда Li-ion аккумуляторов
Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет около 3-х часов. Полный заряд достигается при достижении напряжения на аккумуляторе равного верхнему порогу и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3 % от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика общее время заряда можно разделить на две стадии. В течение первой стадии (час с небольшим) напряжение на аккумуляторе растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70 % от своей емкости. Затем, с началом второй стадии напряжение остается почти постоянным, а ток начинает уменьшаться до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3 %. После этого заряд полностью прекращается.
Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В.
Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при температуре от 5 до 45 ?C. При температуре от 0 до 5 ?C рекомендуется заряжать током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре - запрещен. Оптимальная температура при заряде от 15 до 25 градусов C.
Зарядные процессы в Li-polymer аккумуляторах почти идентичны вышеописанным, поэтому для потребителя практически совершенно ни к чему знать какой их двух типов аккумуляторов у него в руках. И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся и для Li-polymer.
А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до напряжения 3.0 В на элемент, хотя и для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Все просто: напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается и как только достигает 3.0 В, телефон предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Пусть немного, но требуется энергия для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, потребляет энергию собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен и для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, то напряжение на них упадет ниже 2.5 В. А это для них очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства после этого смогут заряжать такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается и на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе током всего в 0.1C. Словом, аккумуляторы скорее любят находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном.
Несколько слов о температурных условиях при разряде (читай во время работы).
В основном Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа при повышенной температуре драматично сокращает срок их службы. Хотя и, например, свинцово-кислотный аккумулятор может иметь самую высокую емкость при температурах более чем 30°C, но длительная эксплуатация при таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высоких температурах. Повышенная температура временно противодействуют внутреннему сопротивлению аккумулятора, увеличение которого является результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры в свою очередь способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.
Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно необходима температура от 60°C до 100°C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. В резервном состоянии они находятся в теплоизолированном корпусе с встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Применение Li-ion полимерных аккумуляторов в качестве резервных, как считают, превосходит VRLA аккумуляторы по размерам и долговечности, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.
При низких температурах, эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко понижается. В то время как температура в минус 20°C является пределом, при котором NiMH, SLA и Li-ion аккумуляторы прекращают функционировать, NiCd могут продолжать работать до минус 40°C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.
Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при холодных температурах, но это совсем не означает, что он автоматически может также быть заряжен при тех условиях. Восприимчивость к заряду большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена и ток заряда при таких условиях должен быть уменьшен до 0.1C.
Восстановление Li-ion аккумуляторов на практике
Достаточно часто  всплывает вопрос о неисправностях, возникающих при эксплуатации литий-ионных аккумуляторов. Они как правило сводятся к двум моментам:
1. аккумулятор работает, но время работы устройства от него оставляет желать лучшего. Другими словами аккумулятор потерял емкость.
2. в результате длительного хранения аккумулятора в разряженном состоянии (храните всегда заряженным и лучше отдельно от того устройства для питания которого он предназначен), напряжение на его выводах отсутствует и никакой зарядник не может его зарядить
Если в первом случае, как правило, уже ничего не поделать, то во втором - аккумулятор можно попытаться реанимировать. Вот как это предлагают делать на основе своего личного опыта некоторые умельцы.
Amicell, 17-01-2002. Для начала попробуйте по простому. На стандартном источнике установите максимальное напряжение 4.2 (4.1) вольта и ограничение по току например 200 мА и подключите на контакты батареи, соблюдая полярность. Если плата защиты откроется и потечет ток оставьте в заряде на часик. Потом можно перейти на стандартное зарядное устройство. Если нет тока, надо открыть и проверить в чем дело в батарее или плате защиты. Из опыта - до 70 процентов открываются и работают нормально. После цикла заряда желательно проверить внутреннее сопротивление аккумулятора или поставить его на разряд током при котором он должен эксплуатироваться. Если напряжение в норме под током - аккумулятор можно вернуть к работе. Единственное что мы не сделали - не проверили емкость, те не знаем - а сколько времени он будет работать. Фактически мы оценили состояние аккумулятора на конкретный момент. Для полной оценки надо конечно провести проверку емкости тоже.
олегМ 18-04-2002. Несколько раз было такое: нулевое напряжение на LI-Ion- ных аккумуляторах, любые попытки распознать Кадексом были безрезультатны.Помогло вскрытие умерших, кратковременное подключение (с соблюдением полярности) источника постоянного тока непосредственно на элементы . После минуты "терапии" небольшое напряжение на элементах распознается Кадексом.Ну а далее либоExt.Prime (что предпочтительнее на мой взгляд), либо Prime. Результат был положительным. Полагаю, что при разряде ниже минимального,схема управления не дает подключиться к элементам даже для заряда. Если упустить момент, то можно лишиться АКБ, в Li-Ion-ных происходят необратимые процессы.
ricardas 20-04-2002. Я посоветовал бы податъ 4V ( больше не надо толъко испортите ячейку ) на выводы Li - ion ячейки. Надо открыть корпус аккумулятора. 1 - 2 минуты и если на ячейке напряжение поднимется до 3,4 V ........ 3,8V схема упровления должна начатъ срабатыватъ и от нормалънай подачи питания.
Комментарии к вышеприведенным цитатам:
Как известно внутри Li-ion аккумулятор состоит из собственно элемента (ячейки) и схемы управления, которая обеспечивает защиту элемента от превышения и понижения напряжения при заряде и разряде выше и ниже допустимых значений соответственно, а также защиту по току. Запитывается схема управления непосредственно от самого элемента. Поскольку при глубоком разряде элемента - напряжения питания для работы схемы управления не хватает, то она перестает работать.
Исправить такую ситуацию можно аккуратным вскрытием корпуса умершего аккумулятора.
Убедитесь с помощью вольтметра, что напряжение непосредственно на элементе аккумулятора находится ниже 2...2.5 вольт. Если напряжение на элементе выше 2.5 вольт причина неисправности аккумулятора скорее всего в схеме управления и ее необходимо заменить на аналогичную от подобного аккумулятора.
Кратковременно подайте прямо (минуя схему управления) на элемент (ячейку) аккумулятора постоянное напряжение 4,0 с соблюдением полярности "+" на "+", "-" на "-". При этом ток источника напряжения необходимо ограничить на уровне (как описано выше) примерно 200 мА (можно и меньше). При работоспособном элементе напряжение на нем возрастет до нормального уровня (>3 вольт), обеспечивающего включение схемы управления.
Откуда взять постоянное напряжение? Для этой цели хорошо годятся различного рода лабораторные источники питания с регулирумым напряжением на выходе и наличием режима стабилизации по току. Также можно приспособить для этой цели самодельный или готовый стабилизатор напряжения, выходной ток которого можно ограничить через гасящее сопротивление (надо считать с применением закона Ома).
Li-ion аккумуляторы (элементы), вышедшие из строя, не могут быть восстановлены циклической тренировкой или какими-либо другими способами. Снижение емкости, повышение внутреннего сопротивления у них в процессе эксплуатации необратимо, потому что металлы, применяемые в их элементах разработаны для работы только в течение определенного времени. Это сделано, в частности, по причинам экологической безопасности, т.к. некоторые компоненты, используемые для увеличения емкости Li-ion аккумуляторов, высоко токсичны. В процессе работы уровень токсичности уменьшается до разумно низкого уровня.
Заряд литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов
Зарядное устройство для Li-ion аккумуляторов подобно зарядному устройству для свинцово-кислотных аккумуляторов (SLA) в части ограничения напряжения на аккумуляторе. Основные различия между ними заключаются в том, что у зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов - выше напряжение на элемент (номинальное напряжение элемента 3.6 V против 2 V для SLA), более жесткий допуск на это напряжение и отсутствие тонкоструйного или плавающего подзаряда по окончании полного заряда.
В то время как для SLA аккумуляторов допустима некоторая гибкость в установке значения напряжения прекращения заряда, то для Li-ion аккумуляторов изготовители очень строго подходят к выбору этого напряжения. Порог напряжения прекращения заряда для Li-ion аккумуляторов с графитовым электродом - 4.10 V, с коксовым электродом - 4.20 V, допуск на установку для обоих типов + - 0.05 V на элемент. Для вновь разрабатываемых Li-ion аккумуляторов, вероятно, будут другие значения этого напряжения. Следовательно, зарядные устройства для них должны быть адаптированы к требуемому напряжению заряда.
Более высокое значение порога напряжения обеспечивает большее значение емкости, поэтому в интересах изготовителя выбрать максимально возможный порог напряжения без нарушения безопасности. Однако на величину этого порога влияет температура аккумулятора, и его устанавливают достаточно низким для того, чтобы допустить повышенную температуру при заряде. Вмешательство потребителя в любое Li-ion зарядное устройство не рекомендуется.
В зарядных устройствах и анализаторах аккумуляторов, которые позволяют изменять порог напряжения, правильная установка этого порога должна соблюдаться при обслуживании любых аккумуляторов Li-ion типа. Однако большинство изготовителей не обозначают тип Li-ion аккумулятора. И если напряжение установлено неправильно, то коксовый аккумулятор выдаст более низкое значение емкости, а графитовый будет немного перезаряжен. При умеренной температуре, никакого повреждения не происходит, и более низкое напряжение разряда не повредит графитовому аккумулятору. Ниже приведена таблица, позволяющая сравнить варианты исполнения элементов аккумуляторов с коксовым и графитовым электродами.
Параметры
Технология изготовления


Коксовая
Графитовая-1
Графитовая -2

Максимальное напряжение заряда
4.20 V
4.10 V
4.20 V

Напряжение окончания разряда
2.50 V
3.00 V
2.50 V

Рекомендуемый ток заряда
0.2 C
0.2 C - 0.5 C
0.2 C - 0.5 C

Повышение температуры при заряде
На 5° C - 8° C
От 2° C до 3° C
От 2° C до 3° C

Основные изготовители
Sony, Asahi-Toshiba
Sanyo, Panasonic, Hitachi Maxell, Saft
Asahi-Toshiba, Panasonic, Moli, Sony

Время заряда Li-ion аккумуляторов приблизительно 3 часа и аккумулятор остается прохладным во время заряда. Полный заряд достигается после того, как напряжение достигнет верхнего порога напряжения, и (and the current has dropped and leveled off to a low plateau ) ток уменьшится до некоторого низкого уровня.
Увеличение зарядного тока в Li-ion зарядном устройстве не намного сокращает время заряда, особенно для коксового исполнения. Хотя и пик напряжения достигается быстрее, все же лучше более длительный заряд. На рисунке приведены стадии заряда Li-ion аккумулятора. Наблюдайте сходство с SLA зарядным устройством.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рисунок. Стадии заряда Li-ion аккумуляторов
При основном методе заряд оканчивается, как только уровень напряжения достигнут. Такое зарядное устройство более быстрое и простое, чем зарядное устройство с двумя стадиями, но оно может зарядить аккумулятор только до 70 % емкости.
Тонкоструйный заряд не применяется, потому что Li-ion аккумулятор не терпит перезаряда. Тонкоструйный заряд может вызвать металлизацию лития, что приводит к нестабильности элемента. Вместо этого, время от времени для компенсации маленького саморазряда аккумулятора из-за небольшого тока потребления устройством защиты, может применяться кратковременный заряд.
Коммерческие Li-ion аккумуляторы содержат несколько встроенных устройств защиты. Обычно, плавкий предохранитель срабатывает, если напряжение заряда любого элемента достигает 4.30 V или температура элемента достигает 100° C (212° F). Переключатель давления в каждом элементе прекращает заряд, если превышен некоторый порог давления; а внутренняя схема управления отключает аккумулятор в нижней и верхней точках напряжения.
Большинство изготовителей продают Li-ion элементы только в составе аккумулятора вместе с устройством защиты. Эта предупредительная процедура вызвана возможной опасностью взрыва и воспламенения в случае, если аккумулятор заряжается и разряжается вне безопасных ограничений.
 Потенциально может возникнуть проблема, если корпуса аккумуляторов, зарезервированные для NiCd и NiMH аккумуляторов, приспособлены к Li-ion элементам. Такие аккумуляторы могут заряжаться на не предназначенных для них зарядных устройствах и могут быть причиной опасности, если нет защиты против заряда на таком зарядном устройстве. Рекомендуется изготавливать выводы Li-ion аккумуляторов несовместимыми с выводами NiCd и NiMH аккумуляторов.
Незаряжаемые литиевые аккумуляторы занимают значительную долю рынка среди таких приложений как видеокамеры, часы и маленькие электронные устройства. Из-за их длительного периода работоспособности и высокой плотности энергии, литиевые аккумуляторы также используются для военных приложений и аварийных устройств.
Меры предосторожности: Никогда не пытайтесь заряжать незаряжаемый литиевый аккумулятор! Попытка зарядить эти аккумуляторы может вызывать взрыв и воспламенение, которые распространяют ядовитые вещества и могут причинить повреждения оборудованию.
Меры безопасности: В случае разрушения, утечки электролита и попадания его на кожу или глаза, немедленно промойте эти места проточной водой. Если электролит попал в глаза, промойте их проточной водой в течение 15 минут и обратитесь к врачу.
Эта информация - отрывок из книги “Batteries in a Portable World “by Isidor Buchmann.
Перевод и техническая редакция Владимира Васильева
Дополнительная информация:
Заряд Li-ion (Li-polymer) аккумуляторов первоначально осуществляется постоянным током до момента достижения напряжения на аккумуляторе 4.2 В, а затем при постоянном напряжении до момента уменьшения тока до величины, равной 0.05С. После этого заряд полностью прекращается. Типовые характеристики быстрого заряда Li-ion и Li-polymer аккумуляторов в зависимости от тока заряда приведены на рисунке.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Типовые характеристики быстрого заряда Li-ion (Li-polymer) аккумуляторов
Li-ion-ные аккумуляторные батареи, как и следовало ожидать, кроме своих бесспорных положительных качеств имеют и плохие стороны. Но рассмотрим все по очереди...
Во-первых, это несомненно прогресс техники - создание Li-Ion аккумуляторов. По сравнению с предыдущими типами аккумуляторов, они имеют большую емкость при меньших размерах (и весе) - то есть мы можем обеспечить такое же время работы устройства от такой аккумуляторной  батареи, и при этом она будет меньше весить и занимать меньше места! Кроме того, несомненным положительным признаком (свойством) таких батарей является нетребовательность в выборе режимов зарядки-разрядки. Аккумуляторные батареи такого типа можно заряжать когда угодно (при любой степени раряда) и разряжать произвольно. Почти... Но, все же, для тех, кто хочет из своей батареи получить максимум, мы постараемся описать набор правил, или рекомендаций, каких следует придерживаться для того, чтобы дать возможность своей батарее работать на вас верой и правдой.
Литий является самым легким металлом, в то же время он обладает и сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением и значительной емкостью.
Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н.Льюисом (G. N. Lewis) в 1912 году. Однако, только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними.
В результате исследований, проведенных в 80-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом, на поверхности лития формируются дендриты. Прорастание дендрита до положительного электрода и возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока является причиной выхода элемента из строя. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв. Так, большое количество литиевых аккумуляторов поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек.
В попытке создать безопасный источник тока на основе лития, исследования привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Наиболее популярными материалами для создания литий-ионноых аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). В таком источнике тока в ходе заряда-разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и наоборот. Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда-разряда. В 1991, фирма Sony начала коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов и в настоящее время является их самым крупным поставщиком.
Удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов по крайней мере вдвое превышают аналогичные показатели никель-кадмиевых аккумуляторов и хорошо характеризуют себя при работе на больших токах, что необходимо, например, при использовании данных аккумуляторов в сотовых телефонах и портативных компьютерах. Литий-ионные аккумуляторы имеют достаточно низкий саморазряд (2-5% в месяц).
 Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей, возможность образования металлического лития на поверхности элетродов в ходе эксплуатации (что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям), практически устранена.
По материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (фирма Sony) и на основе графита (большинство других изготовителей). Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда, по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом (см. рисунок). Поэтому, в целях получения максимально возможной емкости, конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым отрицательным электродом обычно устанавливают ниже (до 2.5 V), по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом (до 3.0 V). Кроме того, аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с коксовым отрицательным электродом.
Напряжение окончания разряда 3.0 V для аккумуляторов с графитовым отрицательным электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств.
Производители непрерывно совершенствуют технологию литий-ионных аккумуляторов. Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литий ионных аккумуляторов как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем.
Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее дорогими из доступных сегодня на рынке. Совершенствование технологии производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материалом может приведет к уменьшению их стоимость на 50 % в течение ближайших нескольких лет.
Продолжается развитие других литий-ионных технологий, о чем говорят опубликованные результаты исследований. Так, согласно данным Fujifilm, разработанный этой фирмой аморфный композиционный окисный материал на основе олова для отрицательного электрода способен обеспечить в 1,5 раза более высокую электрическую емкость по сравнению с аккумуляторами со стандартным углеродным электродом. Дополнительные возможные преимущества аккумуляторов с этим материалом заключаются в большей безопасности, более быстром заряде, хороших разрядных характеристиках и высокой эффективности при низкой температуре. Недостатки на ранних этапах исследований обычно не упоминаются.
 Меры безопасности: Литий-ионные аккумуляторы обладают очень высокой удельной энергией. Соблюдайте осторожность при обращении и тестировании. Не допускайте короткого замыкания аккумулятора, перезаряда, разрушения, разборки, протыкания металлическими предметами, подключения в обратной полярности, не подвергайте их воздействию высоких температур. Это может нанести Вам физический ущерб.
Эта информация - отрывок из книги “Batteries in a Portable World “by Isidor Buchmann.
Перевод Владимира Васильева

Следует отметить, что в разных устройствах такие батареи ведут себя по-разному. Но некоторые общие свойства у них всех одинаковы. Если Вы приобрели новое устройство, то аккумулятор, скорее всего там разряжен, или заряжен не полностью. Первое, что Вам необходимо сделать - это полностью его зарядить. И первое, что Вам на этот счет посоветует продавец - "Заряжайте его целую ночь, или лучше сутки!". Чушь. Причем полная! Ведь всем известно, что литиевая батарея - "интеллектуальная". Внутри нее содержатся специальные контроллеры, которые отключают батарею от зарядки при определенном уровне напряжения. И дальше она не заряжается. Поэтому и нет смысла заряжать ее после полной зарядки. Единственное, что бывает у новых батарей - так это если она отключается от зарядки аномально рано (до часа, например - в зависимости от емкости и от зарядного устройства). В таких случаях советуют вынуть батарею из устройства (отсоединить) и снова вставить, после чего проследить, чтобы она нормально заряжалась. Также если батарея у Вас заряжается аномально долго (до суток, например) - то она однозначно неисправна и нуждается в немедленном ремонте. После полной зарядки новый аккумулятор должен быть полностью разряжен. Цикл полной зарядки - разрядки рекомендуют повторить раза 3 - 4. Это называют "раскачкой" батареи, в результате чего она приобретает максимальную емкость. Увлекаться, однако, нельзя. Необходимо помнить, что такого типа батареи боятся как перезаряда, так и переразряда. Как уже упоминалось, в них уже встроены контроллеры, которые предостерегают от перезаряда. Также туда встроены и контроллеры, предостерегающие от переразряда. У мобильных телефонов, например, производителем закладывается некоторый процент емкости, ниже которого происходит отключение телефона контроллерами, несмотря на то, что реально батарея разряжена не полностью. В то же время в ноутбуках также есть и те, и другие контроллеры, но контроллер, предостерегающий от переразряда - управляемый. В настройках энергосбережения системы мы можем установить, при достижении какого процента заряда батареи необходимо произвести отключение либо переход в спящий режим. Рекомендуемый предел - 5-10 %. Настоятельно рекомендуют не понижать этот предел ниже 3 %, а тем более не отключать его! Потому что отключение системы при полном разряде батареи может повлечь за собой кроме простой неисправности батареи также и неисправность всей системы энергосбережения компьютера. При этом всем утверждают, что нельзя проводить полную аналогию между батареями одинаковых типов в разных устройствах. Обусловлено это опять - таки, разностью между расположением вышеупомянутых контроллеров в каждом конкретном устройстве. Например, в мобильных телефонах, сам аккумулятор имеет небольшой размер, и поэтому технологически проще расположить контроллеры напряжения в самом телефоне, в то время как аналогичные контроллеры в ноутбуках помещаются в саму батарею - там, конечно, она и больше, и тяжелее. Естественно, что в этих изделиях работа устройств, контролирующих уровень напряжения в батарее, будет различной. Из-за непонимания этого момента можно часто встретить утверждение, что режим эксплуатации литиевой батареи в мобильном телефоне, проверенный на личном опыте, также будет максимально подходящим и для ноутбука с литиевой батареей. Повторимся - это ошибочное мнение. Так, литиевые батареи в ноутбуках нужно стараться использовать максимально редко. Имеется ввиду, если у Вас есть выбор - работать от сети либо же в автономном режиме, "для тренировки" - однозначно склоняйтесь в сторону последнего. При всем этом рекомендуется раз в несколько месяцев (иногда говорят раз в месяц) проводить цикл разряд (до 5-10 %) - полный заряд. Это поможет батарее максимально сохранять свою емкость. Также нужно обратить внимание на некоторые особенности, связанные с эксплуатацией батарей в ноутбуках (мы не говорим о мобильных телефонах - там структура батарей намного проще и особенностей в работе меньше). Следующие утверждения могут показаться тривиальными и смешными опытному пользователю - однако начинающему незнание некоторых простых моментов может вылиться в проблемы посерьезней, или просто беспокойство... Итак
При зарядке и разрядке (т.е. автономной работе) аккумуляторная батарея нагревается - это абсолютно нормально и обусловлено выделением тепла в результате химических процессов, которые происходят в батарее.
При постоянной работе от сети, заряд аккумулятора может незначительно уменьшаться. Это происходит также, если батарея не используется некоторое время и отсоединена от компьютера. Явление это называют саморазрядом батареи и тоже считают это нормальным, не приносящим вред батарее процессом.
Эксплуатировать батареи данного типа можно только в интервале температур +(5 -- 45) градусов по Цельсию (оптимально - + (15 -- 25) градусов). Ни в коем случае не включайте ноутбук на морозе! Также после длительного пребывания на морозе батарея должна успеть нагреться до нормальной температуры. Не включайте ноутбук сразу после прихода домой, если на дворе - зима!
Также литиевые батареи портятся от повышенной температуры. Поэтому при эксплуатации ноутбука размещать его нужно таким образом, чтобы была возможность нормального теплоотвода (свободное выдувание воздуха кулером на процессоре). Ибо ухудшение теплоотвода влечет за собой повышение температура внутри корпуса ноутбука, а это и процессор, и батарея, и жесткий диск... Особое внимание на проблему перегрева должны обращать владельцы небольших ноутбуков.
Ни в коем случае нельзя допускать замыкания между клеммами батареи! Это с необходимостью повлечет за собой неисправность последней. Поэтому, извлекая батарею из устройства, помещайте ее в отдельную упаковку (полиэтиленовый пакет) для избегания любых контактов с другими предметами.
Для длительного хранения (от месяца) батарею рекомендуется отсоединять от ноутбука и хранить отдельно в прохладном месте в полузаряженном состоянии (40 -- 80) %. То же самое рекомендуют и в случае мобильных телефонов.
Если Вы заметили неисправность батареи - нужно немедленно нести ее в ремонт. Недельное промедление может стоить Вам новой батареи!
Не пытайтесь заряжать свою батарею от неоригинальных зарядных устройств.

Теперь рассмотрим еще один интересный момент. Для разных марок и емкостей литиевых аккумуляторных батарей существует гарантированное производителем количество циклов заряд - разряд, которые аккумулятор должен отработать при соблюдении правил его эксплуатации.
Цифры встречаются разные, но колеблются они в основном от 400 до 1000. Что же получается? Наивно хотелось бы думать, что если работать постоянно от сети, то батарея никогда не придет в непригодность! Однако, это не так. К сожалению, все литиевые батареи имеют также и временное ограничение. Встречаются цифры от 1 до 4 лет. Таким образом, независимо от способа эксплуатации, ваша батарея придет в негодность по истечении не более 4 лет с момента производства. Но, как показывает практика, батареи теряют почти всю свою емкость гораздо ранее. Наверное, основной причиной для этого является несоблюдение всех правил эксплуатации. Считается нормальным, если батарея прослужила Вам год - полтора. Посмотрим, что же утверждается, когда говорится о ресурсе батареи в терминах количества циклов заряд - разряд. Здесь имеется ввиду количество полных циклов заряда - разряда, т.е. заряда до 100% и разряда до 3% (тут о цифрах можно говорить только с некоторой степенью приближения). Таким образом, производя раз в месяц плановую "профилактику" батарее, мы осознанно лишаем ее еще одного цикла в ее жизни. Но не стоит этого пугаться. Если мы разрядили батарею наполовину, а потом зарядили, то мы забрали у нее лишь полцикла. При последующей разрядке, скажем на 25%, мы списываем с ее жизни еще четверть полного цикла. Таким образом, если есть возможность подзаряжать батарею, не допуская ее большего разряда - именно так нужно и поступить. Другими словами, литиевую батарею можно как моно чаще заряжать и стараться держать в зараженном состоянии, нежели в полуразряженном.

Версия для печати"Версия для печати"Стадии заряда Li-ion аккумуляторовСтадии заряда Li-ion аккумуляторов Типовые характеристики быстрого заряда Li-ion (Li-polymer) аккумуляторов Заголовок 2 Заголовок 4 Заголовок 615

Приложенные файлы

  • doc 1949437
    Размер файла: 174 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий