steaven

Аккумуляторы: Li-ion, Li-Pol, Li-ion-pol и правила их эксплуатации

1 post in this topic

56ee91f096ac1_.jpg.b5089dc8ae8f862e5e634

 

 

Аккумуляторы: Li-ion, Li-Pol, Li-ion-pol и правила их эксплуатации

 

Немного истории и теории:

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 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.

 

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. 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, который используется в литий-ионных аккумуляторных батареях.

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.

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. Называются они литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях и для продвижения на рынке, маркируют их просто как Li-polymer.

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.

 

 

Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе: литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Такие аккумуляторы имеют замечательную ёмкость и сроки службы, но требуют очень жёсткого следования определённым правилам эксплуатации.

 

Эти правила можно разделить на две группы:

 

  • Не зависящие от пользователя
  • Зависящие от пользователя.

 

В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся в самом устройстве. Эти правила просты:

 

  • Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда. Минимальное напряжение, указанное выше, применимо к аккумуляторам с электродами, выполненными из кокса, однако большинство современных аккумуляторов имеет электроды из графита. Для них минимальное напряжение равно 3 вольта.
  • Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0%, - это его ёмкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живёт подольше, но его ёмкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0-3.3 вольт, в зависимости от материала электродов, с такими же последствиями.
  • Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не значительно.
  • Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и переразряд и являются очень опасными для аккумулятора.

 

Контроллеры аккумуляторов, предназначенные для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи, могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Так, в аккумуляторе, предназначенном для, скажем, шуруповёрта или моторчика модели автомобиля, минимальное напряжение, скорее всего, будет действительно минимально допустимым, а для КПК или смартфона - повыше, ибо минимального напряжения в 2.7-3.0 вольт может просто не хватить для работы электроники девайса. Поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу контроллера, встроенного в сам аккумулятор, дополняет контроллер в самом устройстве.

Поговорим о процессе заряда литиевых аккумуляторов. Зарядное устройство любого литиевого аккумулятора представляет собой источник постоянного напряжения в 5 вольт, способный отдавать для заряда ток, равный примерно 0.5-1.0 емкости аккумулятора. Так, если емкость аккумулятора равна 1000 mA•h, зарядное устройство должно обеспечить ток заряда не менее 500 mA, а номинально - 1 ампер.

Существует несколько режимов заряда литиевых аккумуляторов.

Начнём с режима, являющегося стандартным в компании Sony. Этот режим требует длительного времени заряда, сложного контроллера, но обеспечивает наиболее полный заряд аккумулятора.

На первом этапе зарядки, длящемся приблизительно 1 час, аккумулятор заряжается током постоянной величины до достижения напряжения в 4.2 вольта на аккумуляторе. После этого начинается второй этап, длящийся также около часа, во время которого контроллер, поддерживая напряжение на аккумуляторе ровно в 4.2 вольта, постепенно уменьшает зарядный ток. При уменьшении зарядного тока до определённой величины (порядка 0.2 от ёмкости аккумулятора) начинается третий этап зарядки, в течение которого зарядный ток продолжает уменьшаться, а напряжение на клеммах аккумулятора сохраняется на прежнем уровне - 4.2 вольта. Третий этап, в отличие от первых двух, имеет строго определенную длительность, определяемую встроенным в контроллер таймером, - 1 час. По истечении третьего этапа контроллер полностью отключает аккумулятор от зарядного устройства.

Степень заряженности аккумулятора в конце первого этапа равна 70%, в конце второго - 90%, а в конце третьего - 100%.

Многие компании, стремясь к удешевлению своих устройств, используют упрощенные режимы заряда аккумуляторов, например, прекращая заряд при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, то есть используя только первый этап зарядки. В этом случае аккумулятор заряжается быстро, но, увы, только до 70% своей реальной емкости. Определить, что в вашем устройстве именно такой, упрощенный контроллер нетрудно, - для полноценной зарядки требуется примерно 3 часа, не меньше.

Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:

 

  • нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и, тем более, до состояния, когда машинка сама выключается, ну, а если так случилось, то нужно зарядить аккумулятор как можно скорее.
  • не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается - аккумулятору это не вредит.

 

вопреки сложившемуся у многих пользователей мнению, перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер, конечно, ограничивает максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что ёмкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если, например, мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании машинки степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно. Такие ситуации встречаются при эксплуатации машинки, длительное время находящейся в кредле. Во время работы температура девайса и вместе с ним аккумулятора повышается, а ведь заряд уже полный…

В связи с этим правило гласит: если Вам необходимо работать в кредле, сначала отсоедините машинку от зарядки, поработайте на ней, а когда она выйдет на “боевой” температурный режим, подключайте зарядку.

Кстати, это правило также касается владельцев ноутбуков и прочих гаджетов.

Идеальные условия для длительного хранения аккумулятора - это нахождение вне девайса с зарядом примерно 50%. Исправный аккумулятор при этом не требует заботы о себе месяцами (порядка полугода).

И напоследок еще немного информации.

 

  • - Вопреки сложившемуся мнению, литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают “эффектом памяти”, поэтому, так называемая, “тренировка” нового литиевого аккумулятора практически не имеет смысла. Для собственного успокоения достаточно один-два раза полностью зарядить-разрядить новый аккумулятор. Это нужно для калибровки дополнительного контроллера.
  • - Владельцы устройств знают, что можно заряжать батарею как от зарядного устройства, так и от USB. При этом зачастую вызывает недоумение невозможность зарядки от USB. Дело в том, что по “закону” USB-контроллер должен отдавать периферийным устройствам, подключенным к нему, ток около 500 mA. Однако бывают ситуации, когда либо сам контроллер не может обеспечить такой ток, либо устройство подключают к USB контроллеру, на котором уже висит какая-то периферия, потребляющая часть мощности. Вот и не хватает тока для зарядки, особенно если аккумулятор разряжен слишком сильно.
  • - Литийсодержащие аккумуляторы ОЧЕНЬ НЕ ЛЮБЯТ ЗАМОРАЖИВАНИЕ. Всегда старайтесь избегать пользования машинкой на сильном морозе - увлечетесь, и аккумулятор придётся менять. Конечно, если Вы достали машинку из тёплого внутреннего кармана куртки и сделали пару заметок или звонков, а потом положили зверька обратно, проблем не будет.
  • - Практика показывает, что литиевые батареи (не только аккумуляторы) снижают свою ёмкость при уменьшении атмосферного давления (в высокогорье, в самолете). Вреда батареям это не приносит, но знать об этом следует.
  • - Бывает, что после приобретения аккумулятора повышенной ёмкости (скажем, 2200 mA•h вместо штатных 1100 mA•h) машинка через пару дней пользования новым аккумулятором начинает странно себя вести: виснет, отключается, зарядка аккумулятора, вроде, происходит, но как-то странно, и т.п. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на “родном” аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой ёмкости. Выход - приобретение зарядного устройства с большим отдаваемым током (скажем, 2 ампера вместо прежнего 1 ампера).

 

6 people like this

Share this post


Link to post
Share on other sites

  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.