Призматический аккумулятор что это

На Токе заряженный портал

Форм-факторы аккумуляторных батарей — На токе

Форм-факторы аккумуляторных батарей

Первые электрические батарейки которые пошли в массовое производство, обладали цилиндрической формой. Именно в таком исполнении производился типоразмер F, введённый в 1896 году для фонарей и типоразмер D, появившийся в 1898 году. Но по ходу развития технологий, начали появляться требования к габаритам электронакопителей. Конкретно, речь шла об их уменьшении. Были разработаны соответствующие вариации, С и АA. Первые ввели в 1900 году, а АА — в 1907 году. Эти изделия также изготавливались в форме цилиндра.

Но, ближе к делу. Эту статью я хочу посвятить форм-факторам современных аккумуляторных батарей, их преимуществам и недостаткам.

Содержание:

Цилиндрическая форма

Начнём с цилиндрических электрокомпонентов, которые являются одними из самых востребованных для первичных и вторичных АКБ.

Большинство литиевых и никелевых электронакопителей цилиндрической формы, обладают функцией переключателя положительного теплового коэффициента. Полимер обладающий адекватной проводимостью, при воздействии на него чрезмерного тока, будет греться и приобретать резистивные свойства. Тем самым он противодействует прохождению тока и обеспечивает защиту от КЗ. Когда температура придёт в норму, полимер возвратит своё качество проводника.

Много источников питания цилиндрического типа имеют в своём распоряжении функцию сброса давления. В самой простой вариации она реализована в виде уплотнительной мембраны, которая должна разорваться под воздействием высокого давления. Однако после разрыва этой мембраны начнёт вытекать электролит, что повлечёт за собой высыхание батарейки. Во избежание подобного недоразумения было создано повторно закрывающееся отверстие в виде клапана.

Есть такие экземпляры Li-ion АКБ, в которых клапан состыкован с электронным предохранителем, подающим клапану сигнал на сброс давления когда оно достигает критических значений. На изображении приведённом далее, продемонстрировано поперечное сечение Li-ion компонента цилиндрической разновидности.

Преимущества цилиндрической формы:

✅ простота в изготовлении;

✅ достойная механическая устойчивость;

✅ выдерживают большое внутреннее давление не деформируясь при этом;

✅ хорошие циклические возможности;

✅ продолжительный срок эксплуатации;

✅ относительно высокие показатели надёжности и безопасности;

✅ экономичность (данный формат один из самых недорогих в производстве при пересчёте на цену ватт-часа).

Недостатки цилиндрической формы:

⛔ не высокая плотность размещения по причине пустот между аккумуляторными компонентами.

Где используются

Цилиндрические накопители электроэнергии применяются в основном в электрическом инструменте, медоборудовании, ноутбуках и вело на электротяге.

Для наиболее полного удовлетворения запросов, производители могут выпускать компоненты с параметрами, кратными стандартным. К примеру, длина может быть в половину либо в 1/3 от номинала. Такие манёвры касаются в основном никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов.

Кое-какие электротехнические системы обусловили появление своего собственного формата. Так, большая часть Li-ion элементов, производится в форм-факторе 18650. Данный размер применяется в электроинструменте, медприборах, портативных компьютерах и электровелосипедах. Имеет место и похожий на 18650, размер 26650, который по длине такой же, но в диаметре достигает 26-ти миллиметров.

Ранние версии 18650 предлагали пользователям ёмкость 2,2 Ah, затем появились модификации обладающие показателем 2,8 Ah. Ёмкость же современных изделий формата 18650 доходит до 3,4 Ah, при том, что разработчики постоянно трудятся над её увеличением.

Однако, не всё так радужно для цилиндрических батарей. Имеет место тенденция перехода к плоской форме электронакопителей. Такое положение дел продиктовано популярностью мобильных девайсов, которые нуждаются в плоских АКБ. График падения спроса на 18650 можно посмотреть на приведённом изображении.

Как видим, 2011 год оказался для производителей 18650 весьма удачным — они тогда сорвали куш, что называется. Обоснованное увеличение производства плоских аккумуляторных батарей, сбросило спрос на 18650. Но в то же время, этот популярнейший формат держит на плаву электротранспорт. Возьмём ту же Теслу: на электромобилях данного производителя стоят аккумуляторы 18650.

Более крупный коллега с размерами 26650, не завоевал такой популярности и на это есть свои причины — сложность изготовления и ограничения в применении из-за большего диаметра. 26-миллиметровые батарейки обслуживают в основном крупные системы с серьёзными нагрузочными характеристиками.

Забыли старые добрые свинцово-кислотные источники энергии? Я напомню! Они также, в некоторых случаях, имеют цилиндрическое исполнение. Hawker Cyclon — данные цилиндры предлагают потребителям улучшенную стабильность, высокие разрядные свойства и лучшую термическую устойчивость, в сравнении с обыкновенной призматической разновидностью. Hawker Cyclon кстати, выделяется своим собственным типоразмером.

Наверняка, многих интересует вопрос — как так, при округлой форме, которая не даёт возможность занимать всё доступное пространство, литий-ион 18650 завоевал такую популярность у потребителей? Тут всё просто на самом деле получается: Li-ion 18650 имеет в своём распоряжении более высокую энергетическую плотность, это если сравнивать с Li-ion призматической либо бескорпусной разновидности.

Сравниваем: 18650 с показателем ёмкости 3 Ah демонстрирует 248 Вт/кг, а продвинутый бескорпусный компонент — 140 Вт/кг. Вот вам и ответ на вопрос. Увеличенная плотность энергии цилиндра нивелирует неэффективное использование свободного пространства между элементами, которое, в то же время, можно расценить как дополнительные возможности для охлаждения аппаратуры.

Разрушение цилиндрического компонента не всегда есть возможность предотвратить, однако распространение данного процесса вполне реально держать под контролем. Чтобы при разрушении один компонент не повреждал другие, они часто находятся на требуемом расстоянии друг от друга. Подобная схема позволяет обеспечить нормализацию общего температурного режима.

Цилиндрические системы не меняются в размерах когда их неправильно эксплуатируют. А вот к примеру 5-миллиметровый аккумулятор призматического исполнения может расшириться до 8 миллиметров, что чревато негативными последствиями для девайса, который им обслуживается.

Кнопочная (таблеточная) форма

Данная разновидность аккумуляторов обладает весьма скромными размерами, а пик её популярности можно было наблюдать в 80-х годах прошлого столетия. Высокие показатели напряжения достигались таким образом: «таблетки» накладывали друг на друга в виде трубки. Кнопочный форм-фактор можно было найти в мобильных телефонах, медаппаратуре, ручных металлодетекторах в аэропортах и в некоторых других устройствах.

Такие положительные качества как миниатюрность и дешевизна не помогли в конкурентной борьбе с другими типами электронакопителей. В лидеры вышли более привычные форматы.

Минусы кнопочных батареек такие:

⛔ деформация, причиной которой является неправильный зарядный процесс;

⛔ долгая зарядка, около 10-16 ч;

⛔ низкая безопасность, так как нет отверстий для обеспечения вентиляции.

Такие недостатки мало какому юзеру по душе придутся, радует одно, над этим форм-фактором не покладая рук трудятся специалисты и их результат, должен, как предполагается, исправить приведённые выше недоработки.

Большинство «таблеток» выпускаемых сегодня нельзя перезаряжать, а применяются они в медимплантантах, слуховой аппаратуре, брелках сигнализаций, системах обеспечения резервного копирования памяти.

На схеме ниже можно посмотреть как устроена «таблетка»:

Такие элементы в большинстве случаев первичные и используются по одиночно.

Важно! Прячьте миниатюрные кнопочные батарейки подальше от детей. Если такая «таблеточка» попадёт внутрь организма, то серьёзных проблем со здоровьем избежать скорее всего не удастся.

Призматическая форма

Была придумана в начале 90-х годов и такие конструкции лучше всего подходят для мобильников, планшетов и ноутбуков. Средний показатель ёмкости накопителей электроэнергии колеблется в пределах 800-4000 mAh. Единого универсального формата нет, каждый разработчик предпочитает те размеры, которые выгодней ему больше всего.

Выпускают призму и в довольно большом исполнении. Такие изделия заряжают в цельный алюминиевый корпус, и в сумме они выдают 20-50 Ah. Призматический форм-фактор применяют в основном в гибридах и средствах передвижения оборудованных электротягой. Обслуживают они и другие электрические силовые установки.

Поперечное сечение призматического электроаккумулятора:

Преимущества призматических АКБ:

✅ объём девайса обслуживаемого данным типом аккумулятора, будет использован более рационально;

✅ можно выбирать разные размеры, что позволяет выгодно использовать пространство девайса.

Недостатки призматического типа:

⛔ более дорогие в изготовлении;

⛔ больше подвержены температурному воздействию;

⛔ меньше служат чем цилиндрические аккумуляторы;

⛔ в процессе работы могут набухать.

Чтобы обеспечить противостояние внутреннему давлению, призматические АКБ должны иметь в своём распоряжении крепкий корпус. В принципе, такие систему могут немного увеличиваться в размерах, но ничего страшного в данном обстоятельстве нет — это естественное явление. К примеру, призматический аккумулятор толщиной 5 миллиметров, по прошествии 500 рабочих циклов может расшириться до 8 миллиметров. Но в то же время, если расширение наносит гаджету вред, то придётся устанавливать новый аккумулятор.

Бескорпусная разновидность

Этот форм-фактор был представлен в 1995 году и нужно сказать, потребители были крайне удивлены данным изобретением! Бескорпусные АКБ — это не сложное, гибкое и лёгкое инженерное решение. Однако очень важно правильно его эксплуатировать.

Бескорпусный тип позволяет использовать батарейный отсек девайсов по максимуму. Эффективность достигает показателя в 90-95%. По этой характеристике бескорпусное исполнение обходит все существующие сегодня источники питания. Конечно, отсутствие корпуса снижает массу оборудования, но с ним придётся обращаться крайне бережно.

Бескорпусные АКБ применяются в потребительской сфере, автомобильной и военной промышленности. У них нет единого стандарта, каждый разработчик придумывает свои личные. В аккумуляторах без корпуса в большинстве случаев используют Li-Po химию.

Бескорпусные батарейки широко применяются в портативных гаджетах, где имеют место высокие токи нагрузки. За пример можно взять беспилотные летательные устройства. Электронакопители ёмкостью от 40 Ah, можно найти в энергонакопительных системах. Там нужно сокращать количество компонентов посредством повышения ёмкости отдельного компонента.

Данные элементы удобны для совместного компактного использования, но нужно учитывать, что они будут набухать по ходу эксплуатации. Компоненты без корпуса обладающие скромными габаритами могут увеличиваться на 5-10 процентов за 500 рабочих циклов, изделия побольше крупнеют на столько же, только происходит это за 5 тыс. циклов.

Такие составляющие лучше не размещать друг на друге, благоразумнее будет организовать их установку бок о бок, оставив между ними излишки пространства. Кроме того, недопустимо размещать элементы возле острых краёв, которые могут нанести расширившемуся компоненту ущерб.

Если источник энергии не обладающий корпусом расширится сверх допустимого предела, это может повлиять не безопасность оборудования. Такое давление вполне может сломать крышку аккумуляторного отсека или что ещё хуже, нанести урон экрану устройства либо его платам. Вздутый элемент питания, содержит внутри газ, который в случае приближения к источнику тепла может запросто воспламениться.

Откуда берётся это злополучное набухание? Внутреннее газообразование — вот что приводит к таким печальным последствиям. Но, технический прогресс на месте не стоит: профессора работают над уменьшением эффекта вздутия бескорпусных батарей. Если говорить о том, какие бескорпусные АКБ «дуются» меньше всего, то это элементы больших размеров.

При создании, давление внутри бескорпусных электроаккумуляторов налаживается посредством временного подсоединения дополнительной газовой оболочки. В процессе самой первой зарядки газы переместятся в это временное вместилище, понижая тем самым нагрузку на оболочку батареи.

Следующим этапом является запечатывание заряженного электронакопителя, а последующие зарядки уже не будут приводить к повышенному образованию газов. Если такой тип аккумулятора расширился по ходу эксплуатации в гарантированный период срока службы, то вам просто не повезло — скорее всего вы приобрели товар, при производстве которого не был соблюдён описанный выше технологический процесс.

В общем и целом, бескорпусные, а также призматические источники энергии имеют бОльшие перспективы по сравнению с классическим цилиндрическим исполнением. Цилиндры формата 18650 сейчас стоят меньше, но батареи без корпуса и призматические разновидности также удешевляются.

Плоская форма электронакопителей становится с каждым годом более конкурентоспособной и специалисты делают ставку на увеличение её доли на рынке. Так уж сложилось, что в производстве бескорпусные и призматические АКБ более дорогие по сравнению с цилиндрами, однако ценники должны постепенно выровняться.

Заключение

Конечно, у каждой технологии присутствуют свои преимущества и недостатки, итог которым мы будем подводить далее.

✔ Элементы цилиндрической формы обладают большим показателем удельной энергии и достойной механической стабильностью. Кроме того, данные изделия очень хорошо подходят для автоматизированного производства. Цилиндры в отличие от других форматов, предлагают пользователям более высокую безопасность. Нельзя не отметить и приличные циклические характеристики, продолжительный срок эксплуатации и доступную широким массам себестоимость. К недостаткам можно отнести низкую плотность размещения компонентов. Больше всего цилиндры применяются в портативных устройствах.

✔ Призматическая форма помещается в корпус изготовленный из алюминия либо стали — так разработчики обеспечивают лучшую стабильность. Многослойная батарейная система больших размеров составленная из призматических компонентов, использует предоставленное её пространство более рационально, по сравнению с цилиндрическими АКБ, но в то же время, она и стоит дороже. Современные призматические накопители обслуживают электромоторы и системы хранения энергии.

✔ Отличие бескорпусных изделий от призматических заключается в отсутствии традиционной защитной оболочки. Именно поэтому они меньше весят и меньше стоят, однако являются более уязвимыми для воздействий влаги и высоких температурных режимов, что в свою очередь может сократить срок их службы. Бескорпусные аккумуляторы невыгодно увеличиваются в размерах по причине разбухания. Этот показатель доходит до уровня 8-10% после 500 рабочих циклов. Бескорпусные источники питания неуклонно набирают популярность и отбирают у своих конкурентов места на рынке.

Источник

Литий-ионные цилиндрические элементы против. Призматические клетки

Цилиндрические ячейки

Цилиндрическая ячейка продолжает оставаться одним из наиболее широко используемых сегодня стилей упаковки. Благодаря своему превосходству, они просты в производстве и обладают отличной механической стабильностью. Трубчатые цилиндры могут выдерживать высокие внутренние напряжения без деформации.

Многие цилиндрические элементы на основе лития и никеля включают переключатель с положительным тепловым коэффициентом (PTC). При воздействии чрезмерного тока нормально проводящий полимер нагревается и становится резистивным, останавливая ток и действуя как защита от короткого замыкания. После устранения короткого замыкания PTC охлаждается и возвращается в проводящее состояние.

Большинство цилиндрических ячеек также имеют механизм сброса давления, а в простейшей конструкции используется мембранное уплотнение, которое разрывается под высоким давлением. После разрыва мембраны может произойти утечка и высыхание. Вентиляционные отверстия с возможностью повторного закрытия с подпружиненным клапаном являются предпочтительной конструкцией. Некоторые потребительские литий-ионные элементы включают в себя устройство прерывания заряда (CID), которое физически и необратимо отключает элемент при активации до небезопасного повышения давления.

Призматические клетки

Представленная в начале 1990-х годов современная призматическая ячейка удовлетворяет спрос на более тонкие размеры. Упакованные в элегантные упаковки, напоминающие коробку жевательной резинки или небольшую плитку шоколада, призматические ячейки оптимально используют пространство за счет многослойного подхода. Другие конструкции наматываются и сплющиваются в псевдопризматический рулон желе. Эти ячейки в основном используются в мобильных телефонах, планшетах и ​​низкопрофильных ноутбуках емкостью от 800 мАч до 4,000 мАч. Универсального формата не существует, и каждый производитель создает свой собственный.

Призматические ячейки также доступны в больших форматах. Упакованные в сварные алюминиевые корпуса, элементы обеспечивают емкость 20–50 Ач и в основном используются для электрических трансмиссий в гибридных и электромобилях. На рис. 5 показана призматическая ячейка.

Призматические ячейки сегодня наиболее популярны из-за их большой емкости. Форма позволяет легко соединить четыре батареи одновременно, чтобы сформировать батарейный блок.

Цилиндрические преимущества

Цилиндрическая конструкция ячейки обеспечивает хорошую цикличность, длительный календарный срок службы и экономичность, но при этом она тяжелая и имеет низкую плотность упаковки из-за наличия пустот.

Цилиндрическая аккумуляторная батарея имеет сильное и надежное преимущество, поскольку ее корпус защищен. Батареи в этом случае более устойчивы к работе при высоких температурах. Стойкость к ударам тоже отличная, тогда этот аккумулятор часто привычно использовать на электромобилях. Многие элементы объединены последовательно и параллельно для увеличения напряжения и емкости батареи. Если одна ячейка повреждена, воздействие на всю упаковку невелико.

Призматические недостатки

Призматические ячейки состоят из множества положительных и отрицательных электродов, соединенных вместе, что делает возможным короткое замыкание и несогласованность. Призматические ячейки умирают быстрее, потому что терморегулирование менее эффективно и относительно чувствительно к деформации в условиях высокого давления. К другим недостаткам можно отнести ограниченное количество стандартных размеров и более высокую среднюю почасовую стоимость электроэнергии. BMS также сложно справиться с этой продажей из-за принадлежащих ей мощностей.

Выбор ячейки

Чаще всего выбор конструкции элемента литиевой батареи сводится к соображениям размера, стоимости и безопасности.

Прямо сейчас экономичная цилиндрическая модель контролирует долю рынка. Однако по мере того, как новые продукты создают потребность во все более экономичных решениях, развитие аккумуляторных технологий и изменение цен, ожидается, что спрос на призматические элементы будет расти.

Если вы все еще не уверены, какой тип литиевого элемента подходит вам, подумайте о работе с надежный партнер, способный помочь вам принять правильное решение о покупке, соответствующее вашим конкретным потребностям.

Источник

Устройство, эксплуатация и характеристики литий─ионных аккумуляторов

В современных мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах используются литий─ионные аккумуляторы. Постепенно они вытеснили щелочные аккумуляторы с рынка портативной электроники. Раньше во всех этих устройствах использовались никель─кадмиевые и никель─металлгидридные аккумуляторные батареи. Но их времена прошли, поскольку Li─Ion батареи имеют лучшие характеристики. Правда, они могут заменить щелочные не по всем параметрам. Например, для них недостижимы токи, которые могут отдавать никель─кадмиевые АКБ. Для питания смартфонов и планшетов это некритично. Однако в области портативного электроинструмента, который потребляет большой ток, щелочные аккумуляторы по-прежнему в ходу. Тем менее, работы по разработке аккумуляторов с высокими токами разряда без кадмия продолжаются. Сегодня мы поговорим о литий─ионных аккумуляторных батареях, их устройстве, эксплуатации и перспективах развития.

Как появились литий─ионные батареи?

Самые первые аккумуляторные элементы с анодом из лития были выпущены в семидесятых годах прошлого столетия. У них была высокая удельная энергоёмкость, что сразу сделало их востребованными. Специалисты давно стремились разработать источник на основе щелочного металла, который имеет высокую активность. Благодаря этому было достигнуто высокое напряжение этого типа батарей и удельная энергия. При этом сама разработка конструкции таких элементов была выполнена довольно быстро, а вот их практическое использование вызвало сложности. С ними удалось справиться только в 90-е годы прошлого века.

Это случилось после ряда несчастных случаев. В момент разговора ток, потребляемый от аккумулятора, выходил на максимум и началась вентиляция с выбросом пламени. В результате произошло много случаев получения пользователями ожогов лица. Поэтому учёным пришлось дорабатывать конструкцию литий─ионных аккумуляторов.

Металлический литий крайне нестабилен, особенно проявляется при зарядке и разрядке. Поэтому исследователи стали создавать аккумуляторную батарею литиевого типа без использования лития. Стали использоваться ионы этого щелочного металла. Отсюда и пошло их название.

Литий─ионные батареи имеют меньшую удельную энергию, чем литиевые аккумуляторы.

Но они безопасны при соблюдении норм заряда и разряда.
Вернуться к содержанию

Реакции, происходящие в Li─Ion аккумуляторе

Рывком в направлении внедрения литий─ионных аккумуляторных батарей в бытовую электронику стала разработка АКБ, у которых минусовой электрод был выполнен из углеродного материала. Кристаллическая решётка углерода очень хорошо подошла в качестве матрицы для интеркаляции ионов лития. Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, положительный электрод был выполнен из оксида кобальта. Потенциал литерованного оксида кобальта составляет примерно 4 вольта.

Величина рабочего напряжения большинства литий─ионных аккумуляторов составляет 3 вольта и более. В процессе разряда на минусовом электроде происходит деинтеркаляция лития из углерода и его интеркаляция в оксид кобальта плюсового электрода. В процесс зарядки процессы происходят наоборот. Получается, что металлического лития в системе нет, а работают его ионы, которые перемещаются с одного электрода на другой, создавая электрический ток.
Вернуться к содержанию

Реакции на отрицательном электроде

Все современные коммерческие модели литий─ионных аккумуляторов имеют минусовой электрод из углеродосодержащего материала. От природы этого материала, а также вещества электролита во многом зависит сложный процесс интеркаляции лития в углерод. Матрица углерод на аноде имеет слоистую структуру. Структура может быть упорядоченной (натуральный или синтетический графит) или частично упорядоченной (кокс, сажа и т. п.).

При интеркаляции ионы лития раздвигают слои углерода, внедряясь между них. Получаются различные интеркалаты. При интеркаляции и деинтеркаляции удельный объем матрицы углерода меняется несущественно. В отрицательный электрод, помимо углеродного материала, могут использоваться серебро, олово и их сплавы. Также пробуют использовать композитные материалы с кремнием, сульфидами олова, соединениями кобальта и т. п.

Реакции на положительном электроде

В первичных литиевых элементах (батарейках) для изготовления плюсового электрода часто используются самые разные материалы. В аккумуляторах этого сделать не получается и выбор материала ограничен. Поэтому плюсовой электрод Li─Ion аккумулятора выполняется из литированного оксида никеля или кобальта. Также могут применяться литий─марганцевые шпинели.

Сегодня ведутся исследования материалов из смешанных фосфатов или оксидов для катода. Как удалось доказать специалистам, такие материалы улучшают электрические характеристики литий─ионных АКБ. Также разрабатываются способы нанесения оксидов на поверхность катода.

Реакции, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде, можно описать следующими уравнениями:

С + xLi + + xe — → CLi_x

В процессе разряда реакции идут в обратном направлении.

На рисунке ниже схематично показаны процессы, протекающие в литий─ионном аккумуляторе при заряде и разряде.

Реакции, протекающие в Li-Ion аккумуляторе

Устройство литий─ионных аккумуляторов

По своему исполнению Li─Ion аккумуляторы выполняются в цилиндрическом и призматическом исполнении. Цилиндрическая конструкция представляет рулон электродов с сепараторным материалом для разделения электродов. Этот рулон помещён в корпус из алюминия или стали. С ним соединён минусовой электрод.

Положительный контакт выводится в виде контактной площадки на торец аккумулятора.

Цилиндрический литий─ионный аккумулятор

Li─Ion аккумуляторы призматической конструкции делаются с помощью укладывания пластин прямоугольной формы друг на друга. Такие батареи дают возможность сделать упаковку более плотной. Сложность заключается в поддержке сжимающего усилия на электродах. Есть призматические АКБ с рулонной сборкой электродов, скручиваемых в спираль.

Призматический литий─ионный аккумулятор

Кроме того, для увеличения безопасности эксплуатации в Li-Ion аккумуляторах в обязательном порядке используется электронная плата. Её назначение – это контроль за процессами заряда и разряда, исключение перегрева и короткого замыкания.

Сейчас выпускается много призматических литий─ионных аккумуляторов. Они находят применение в смартфонах и планшетах. Конструкция призматических батарей часто может отличаться у различных производителей, поскольку не имеет единой унификации. Электроды противоположной полярности разделяются сепаратором. Для его производства используется пористый полипропилен.

Конструкция Li-Ion и прочих разновидностей литиевых АКБ всегда выполняется герметичной. Это обязательное требование, поскольку вытекания электролита не допустимо. Если он вытечет, то электроника будет повреждена. Кроме того, герметичное исполнение не допускает попадания внутрь АКБ воды и кислорода. Если они попадут внутрь, то в результате реакции с электролитом и электродами разрушат аккумулятор. Производство комплектующих для литиевых аккумуляторов и их сборка находится в специальных сухих боксах в атмосфере аргона. При этом используются сложные приёмы сваривания, герметизации и т. п.

А_о – активная масса отрицательного электрода;

А_п — активная масса положительного электрода.

Такой баланс не допускает образование лития (чистого металла) и исключает возгорание.
Вернуться к содержанию

Параметры Li-Ion аккумуляторов

Выпускаемые сегодня литий─ионные аккумуляторы имеют высокую удельную энергоёмкость и рабочее напряжение. Последнее в большинстве случаев составляет от 3,5 до 3,7 вольта. Энергоёмкость составляет от 100 до 180 ватт-час на килограмм или от 250 до 400 на литр. Некоторое время назад производители не могли выпустить АКБ с ёмкостью выше нескольких ампер-час. Сейчас проблемы, сдерживающие развитие в этом направлении, устранены. Так, что в продаже стали встречаться аккумуляторы литиевого типа с ёмкостью в несколько сотен ампер-час.

Саморазряд этого типа батарей равен 4─6 процента в течение первого месяца. Далее он уменьшается и в год составляет до процентов. Это значительно меньше, чем у никель─кадмиевых и никель─металлогидридных батарей. Срок службы примерно 400─500 циклов заряд-разряд.

Теперь поговорим об особенностях эксплуатации литий─ионных аккумуляторов.
Вернуться к содержанию

Эксплуатация литий─ионных батарей

Зарядка Li─Ion аккумуляторов

Заряд литий─ионных АКБ обычно комбинированный. Сначала они заряжаются при постоянном токе величиной 0,2─1С пока не наберут напряжение 4,1─4,2 вольта. А затем зарядка ведётся при постоянном напряжении. Первая ступень продолжается примерно около часа, а вторая около двух. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используется импульсный режим. Первоначально выпускались Li─Ion аккумуляторы с графитом и для них устанавливалось ограничение напряжения 4,1 вольта на одну банку. Дело в том, что при более высоком напряжении в элементе начинались побочные реакции, сокращающие срок эксплуатации этих аккумуляторов.

Постепенно эти минусы удалось устранить за счёт легирования графита различными добавками. Современные литий─ионные элементы без проблем заряжают до 4,2 вольта. Погрешность составляет 0,05 вольта на элемент. Существуют группы Li─Ion аккумуляторных батарей для военной и промышленной сферы, где требуется повышенная надёжность и длительный срок службы. Для таких АКБ выдерживают максимальное напряжение на элемент 3,90 вольта. У них несколько ниже энергетическая плотность, но увеличенный срок службы.

Зависимость тока заряда и напряжения Li─Ion аккумулятора при заряде

На графике ниже представлены этапы зарядки Li─Ion батареи.

Этапы зарядки литий─ионного аккумулятора

Что касается струйной подзарядки, то для литий─ионных батарей она неприменима. Это объясняется тем, что этот тип АКБ не может при перезарядке поглощать избыточную энергию. Струйная подзарядка может привести к переходу части ионов лития в металлическое состояние (валентность 0).

А непродолжительный заряд хорошо компенсирует саморазряд и потери электрической энергии. Зарядка на третьем этапе может делаться каждые 500 часов. Как правило, выполняется при снижении напряжения АКБ до 4,05 вольта на одном элементе. Заряд ведётся до поднятия напряжения до 4,2 вольта.

Стоит отметить слабую стойкость литий─ионных аккумуляторов к перезаряду. В результате подачи лишнего заряда на углеродной матрице (минусовой электрод) может начаться осаждение металлического лития. Он имеет очень высокую химическую активность и взаимодействует с электролитом. В результате на катоде начинается выделение кислорода, что грозит ростом давления в корпусе и разгерметизацией. Поэтому если вы заряжаете Li─Ion элемент в обход контроллера, не допускайте подъёма напряжения при заряде выше, чем рекомендует производитель батареи. Если постоянно перезаряжать аккумулятор, срок его службы сокращается.

Безопасности Li-Ion АКБ производители уделяют серьёзное внимание. Заряд прекращается при увеличении напряжения выше допустимого уровня. Также установлен механизм выключения заряда при увеличении температуры батареи выше 90 Цельсия. Некоторые современные модели батарей имеют в своей конструкции выключатель механического типа. Он срабатывает при росте давления внутри корпуса АКБ. Механизм контроля напряжения электронной платы отключает банку от внешнего мира по минимальному и максимальному напряжению.

Существуют литий─ионные батареи без защиты. Это модели, содержащие в своём составе марганец. Этот элемент при перезаряде способствует торможению металлизации лития и выделению кислорода. Поэтому в таких аккумуляторах защита становится не нужна.

Хранение и разрядные характеристики литий─ионных АКБ

Аккумуляторы литиевого типа хранятся достаточно хорошо и саморазряд в год составляет всего 10─20% в зависимости от условий хранения. Но при этом деградация элементов батареи продолжается даже, если она не используется. Вообще, все электрические параметры литий─ионного аккумулятора могут отличаться для каждого конкретного экземпляра.

К примеру, напряжение при разряде меняется в зависимости от степени зарядки, тока, температуры окружающей среды и т. п. На срок эксплуатации АКБ оказывают влияние токи и режимы цикла разряд-заряд, температура. Один из главных недостатков Li-Ion батарей ─ это чувствительность к режиму заряд-разряд, из-за чего в них и предусматривается много разных видов защит.

На графиках ниже представлены разрядные характеристики литий─ионных аккумуляторов. На них рассмотрена зависимость напряжения от тока разряда и температуры окружающей среды.

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при разных разрядных токах

Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при различных температурах

Безопасность

В целом к настоящему времени проблема защиты литий─ионных аккумуляторов уже решена. Электронная защита держит под контролем процесс заряда и разряда. К тому же постоянно дорабатывается материал катода, в том числе, в направлении термической стабильности.

Li-Ion аккумуляторы имеют встроенную защиту от внутреннего короткого замыкания. Некоторые категории АКБ также оснащают защитой от внешнего короткого замыкания. Внутренняя защита реализована в виде двухслойного сепаратора. Один слой выполнен из полипропилена, а второй из аналога полиэтилена. Если в результате появления литиевых дендритов происходит короткое замыкание, то этот второй слой из-за разогрева оплавляется. В результате он становится непроницаемым, что предотвращает дальнейший рост дендритов лития к положительному электроду.
Вернуться к содержанию

Защита литий─ионных батарей

Выше мы несколько раз упоминали о защите Li─Ion аккумуляторов. Давайте, суммируем всю информацию.

В аккумуляторных батареях литиевого типа применяется полевой транзистор для размыкания цепи, когда напряжение банки возрастает до 4,3 вольта. Термическая защита разъединяет цепь при нагреве АКБ выше 90 градусов Цельсия. Ещё в литий─ионных батареях можно встретить предохранитель, срабатывающий при увеличении давления в корпусе до 1034 кПа. Также устанавливаются схемы, предохраняющие элемент от глубокого разряда. Их назначение – разорвать цепь при снижении напряжения элемента до 2,5 вольта.

Как функционирует защита АКБ?

Схема защиты литий─ионной аккумуляторной батареи при включённом телефоне имеет сопротивление 0,05─0,1 Ом. Это два ключа, которые соединены последовательно. Первый предназначен для срабатывания на верхнем, а второй ─ на нижнем значении напряжения АКБ. Сопротивление увеличивает в 2 раза внутреннее сопротивление АКБ. Аккумулятор отдаёт максимальный ток при низком внутреннем сопротивлении. Схема защиты сделана, как препятствие для бесконтрольного роста тока (как зарядки, так и разрядки) аккумулятора.

Также схема защиты может быть реализована с помощью химических добавок. Для этого используется марганец. В таких АКБ вместо схемы защиты ставится только предохранитель. И всё это не сказывается на безопасности. Марганец не даёт аккумулятору перегреться и воспламениться. В результате отказа от электронной схемы снижается цена литий─ионных батарей, но это порождает другую проблему. Такую АКБ пользователь может заряжать «неродной» зарядкой. И в этом случае может случиться так, что ЗУ не остановит процесс при полной зарядке. Тогда без схемы пойдёт перезаряд и выход аккумулятора из строя. Такие вещи заканчиваются вздутием корпуса.
Вернуться к содержанию

Деградация Li─Ion аккумуляторов

Из-за чего происходит деградация Li-Ion аккумуляторов и какие факторы приводят к снижению ёмкости? Это:

Зависимость ёмкости литий-ионного аккумулятора при различном пороговом напряжении заряда

Стоит отметить, что при уменьшении «амплитуды циклирования» увеличивается срок эксплуатации. Что это значит? То есть, не нужно разряжать телефон до выключения и заряжать его до 100%. Благодаря этому уменьшается механическая нагрузка на электроды, которая вызвана изменением объёма из-за внедрения ионов лития. Чем глубже разряд и полнее заряд, тем большие механические напряжения испытывают электроды.
Вернуться к содержанию

Перспективы развития литий─ионных аккумуляторных батарей

Литий─ионные аккумуляторы уже превратились в полноценное семейство батарей, как щелочные или автомобильные. От остальных групп АКБ они выделяются своей высокой энергоёмкостью, режимами заряд-разряд и рядом других характеристик. Их эксплуатация требует использования электронных схем контроля заряда-разряда и некоторых других средств защиты.

В случае с литиевыми аккумуляторами задача их безопасного использования усложняется требованиями к габаритам. Они должны быть максимально компактными, поскольку используются в портативной электронике. Из-за близкого расположения электродов и стремления добиться максимальной удельной ёмкости литий─ионные аккумуляторы долго не могли вывести на рынок для коммерческого использования.

Сейчас активно ведутся разработки новых материалов для электродов. Причём при использовании нового материала проходит долгое время до того момента, как его удаётся внедрить в серийное производство.

На рынке наблюдается довольно большой разброс литиевых батарей по электрическим характеристикам, габаритам и т. п. Отчасти это происходит из-за того, что пока нет единых стандартов в этом направлении. Кроме того, рынок наводнила продукция из Китая и других стран азиатского региона. Эти производители зачастую не придерживаются никаких норм, стараясь выпустить максимально доступные аккумуляторы.

Кроме того, усовершенствование литий─ионных аккумуляторов будет вестись в направлении уменьшения размеров, увеличения энергоёмкости, более гибкие решения в плане формы и т. п. Также работы ведутся в направлении разработки материалов для катода на базе соединений лития. Их цель – создание моделей литиевых АКБ, способных заменить никель─кадмиевые аккумуляторы в устройствах, потребляющих большой ток (портативный электроинструмент).
Вернуться к содержанию

Источник