Литиево-йонните батерии не са толкова "претенциозни" като техните никел-металхидридни аналози, но все пак изискват известно внимание. придържайки се към пет прости правила, възможно е не само да се удължи кръговат на животалитиево-йонни батерии, но и за увеличаване на времето за работа мобилни устройствабез презареждане.

Избягвайте пълното разреждане.Литиево-йонните батерии нямат така наречения ефект на паметта, така че те могат и освен това трябва да се зареждат, без да се чака разреждането до нула. Много производители изчисляват живота на литиево-йонната батерия според броя на циклите на пълно разреждане (до 0%). За висококачествени батерии 400-600 цикъла. За да удължите живота на вашата литиево-йонна батерия, зареждайте телефона си по-често. Оптимално, веднага щом индикаторът за батерията падне под марката 10-20 процента, можете да заредите телефона. Това ще увеличи броя на циклите на разреждане до 1000-1100 .
Експертите описват този процес с такъв показател като дълбочината на изпразване. Ако телефонът ви е разреден до 20%, тогава дълбочината на разреждане е 80%. Таблицата по-долу показва зависимостта на броя цикли на разреждане на литиево-йонна батерия от дълбочината на разреждане:

Изписване веднъж на 3 месеца.Пълното зареждане за дълъг период от време е също толкова лошо за литиево-йонните батерии, колкото и постоянното разреждане до нула.
Поради изключително нестабилния процес на зареждане (ние често зареждаме телефона според нуждите и където работи, от USB, от контакт, от външна батерия и т.н.), експертите препоръчват пълно разреждане на батерията веднъж на всеки 3 месеца и след които се зареждат до 100% и издържат на зареждане 8-12 часа. Това помага за нулиране на така наречените флагове за висока и ниска батерия. Можете да прочетете повече за това.

Съхранява частично зареден. Оптималното състояние за дългосрочно съхранение на литиево-йонна батерия е между 30 и 50 процента заряд при 15°C. Ако оставите батерията напълно заредена, нейният капацитет ще намалее значително с времето. А ето и батерията за дълго времесъбираше прах на рафта, изхвърлен до нула, най-вероятно вече не е наемател - време е да го изпратите за рециклиране.
Таблицата по-долу показва какъв капацитет остава в литиево-йонна батерия в зависимост от температурата на съхранение и нивото на зареждане при съхранение в продължение на 1 година.

Използвайте оригиналното зарядно.Малко хора знаят, че в повечето случаи зарядното устройство се вгражда директно в мобилни устройства, а външният адаптер за променлив ток само понижава напрежението и коригира тока на битовото захранване, тоест не влияе директно на батерията. Някои джаджи, като цифрови фотоапарати, нямат вградено зарядно устройство и затова техните литиево-йонни батерии се поставят във външно „зарядно устройство“. Това е мястото, където използването на външно зарядно устройство със съмнително качество вместо оригиналното може да повлияе негативно на работата на батерията.

Избягвайте прегряване.Е, най-лошият враг на литиево-йонните батерии е високата температура - те изобщо не понасят прегряване. Затова не излагайте мобилните устройства на пряка слънчева светлина и не ги оставяйте в непосредствена близост до източници на топлина, като например електрически нагреватели. Максимум допустими температури, в които е възможно да се използват литиево-йонни батерии: -40°C до +50°C

Освен това можете да видите

• Превод

Смърт на батерията: всички сме го виждали. При телефони, лаптопи, фотоапарати, а сега и при електрически автомобили, процесът е болезнен и – ако имате късмет – бавен. С течение на годините литиево-йонната батерия, която някога е захранвала вашите устройства с часове (и дори дни!), бавно губи способността си да поддържа заряд. В крайна сметка ще се примирите, може би ще прокълнете Стив Джобс и след това ще си купите нова батерия или дори нова джаджа.

Но защо се случва това? Какво се случва в батерията, което я кара да се откаже от последния си дъх? Краткият отговор е, че поради увреждането от продължителното излагане на високи температури и голям брой цикли на зареждане и разреждане, движението на литиевите йони между електродите в крайна сметка започва да се нарушава.

По-подробен отговор, който ще ни преведе през описанието на нежелани химични реакции, корозия, заплаха от високи температури и други фактори, които влияят на производителността, започва с обяснение какво се случва в литиево-йонните батерии, когато всичко работи добре.

Въведение в литиево-йонните батерии

В типичната литиево-йонна батерия ще намерим катод (или отрицателен електрод), направен от литиеви оксиди, като литиев кобалтов оксид. Ще намерим и анод или положителен електрод, който днес обикновено е направен от графит. Тънък порест разделител държи двата електрода един от друг, за да предотврати късо съединение. И електролит, направен от органични разтворители и базиран на литиеви соли, който позволява на литиевите йони да се движат в клетката.

Докато се зарежда електричествопремества литиевите йони от катода към анода. По време на разреждане (с други думи, когато използвате батерия), йоните се движат обратно към катода.

Даниел Ейбрахам, учен от Националната лаборатория в Аргон, който провежда научни изследвания върху разграждането на литиево-йонни клетки, сравнява този процес с вода във водноелектрическа система. Водата, която се движи нагоре, изисква енергия, но тече надолу много лесно. Всъщност той доставя кинетична енергия, казва Ейбрахам, по подобен начин литиево-кобалтовият оксид в катода „не иска да се откаже от своя литий“. Подобно на водата, която се движи нагоре, е необходима енергия, за да премести литиевите атоми от оксида и в анода.

По време на зареждането йоните се поставят между листовете графит, които изграждат анода. Но, както каза Авраам, "те не искат да са там, при първа възможност ще се върнат", докато водата тече надолу. Това е освобождаването от отговорност. Една дълготрайна батерия ще издържи няколко хиляди такива цикъла на зареждане-разреждане.

Кога изтощената батерия наистина е изтощена?

Когато говорим за „мъртва“ батерия, важно е да разберем два показателя за производителност: енергия и мощност. В някои случаи скоростта, с която можете да черпите енергия от батерията, е много важна. Това е сила. При електрическите превозни средства високата мощност позволява бързо ускорение, както и спиране, което изисква зареждане на батерията в рамките на няколко секунди.

AT мобилни телефониот друга страна, високата мощност е по-малко важна от капацитета или количеството мощност, която батерията може да побере. Батериите с голям капацитет издържат по-дълго с едно зареждане.

С течение на времето батерията се влошава по редица начини, които могат да повлияят както на капацитета, така и на мощността, докато накрая просто не може да изпълнява основни функции.

Помислете за това в друга водна аналогия: зареждането на батерия е като да напълните кофа с чешмяна вода. Обемът на кофата представлява капацитета на батерията или капацитета. Скоростта, с която можете да го напълните - като завъртите крана на пълна мощност или на струйка - е мощност. Но времето, високите температури, множеството цикли и други фактори в крайна сметка ще образуват дупка в кофата.

В аналогията с кофата водата се просмуква. В батерията литиевите йони се отстраняват или „прикрепват“, казва Абрахам. В резултат на това те губят способността си да се движат между електродите. Така след няколко месеца мобилен телефон, който първоначално е трябвало да се зарежда веднъж на няколко дни, сега трябва да се зарежда всеки ден. След това два пъти на ден. В крайна сметка твърде много литиеви йони ще се „свържат“ и батерията няма да задържи полезен заряд. Кофата ще спре да задържа вода.

Какво се поврежда и защо

Активната част на катода (източникът на литиеви йони в батерията) е проектирана със специфична атомна структура, за да се гарантира стабилност и производителност. Когато йоните пътуват до анода и след това обратно към катода, в идеалния случай бихте искали те да се върнат на първоначалното си място, за да поддържат стабилна кристална структура.

Проблемът е, че кристалната структура може да се промени с всяко зареждане и разреждане. Йоните от апартамент А не е задължително да се върнат у дома, но могат да се преместят в съседния апартамент Б. Тогава йонът от апартамент B намира мястото си, заето от този скитник, и без конфронтация решава да се установи в коридора. И така нататък.

Постепенно тези "фазови преходи" в веществото трансформират катода в нова кристална структура на кристал с различни електрохимични свойства. Точното подреждане на атомите, което първоначално осигурява необходимата производителност, варира.

В батериите за хибридни автомобили, които са необходими само за захранване, когато превозното средство ускорява или спира, отбелязва Ейбрахам, тези структурни промени се случват много по-бавно, отколкото в електрическите превозни средства. Това се дължи на факта, че само малка част от литиевите йони се движат в системата във всеки цикъл. В резултат на това им е по-лесно да се върнат в първоначалните си позиции.

Проблем с корозията

Деградацията може да възникне и в други части на батерията. Всеки електрод е свързан към колектор на ток, който по същество е парче метал (обикновено мед за анода, алуминий за катода), който събира електрони и ги премества към външна верига. И така, имаме глина, направена от такъв "активен" материал като литиев кобалтов оксид (който е керамика и не е много добър проводник), както и подобен на лепило свързващ материал, нанесен върху парче метал.

Ако свързващият материал е разрушен, това води до "отлепване" на повърхността на токоотвода. Ако металът корозира, той не може да движи електроните ефективно.

Корозията в батерията може да бъде резултат от взаимодействието между електролита и електродите. Графитният анод е "светлоотделящ", т.е. той лесно "отдава" електрони на електролита. Това може да доведе до нежелано покритие върху повърхността на графита. Междувременно катодът е силно „окисляем“, което означава, че лесно приема електрони от електролита, което в някои случаи може да корозира алуминия на токоприемника или да образува покритие върху части от катода, казва Абрахам.

твърде много добро

Графитът, широко използван материал за направата на аноди, е термодинамично нестабилен в органичните електролити. Това означава, че още при първото зареждане на нашата батерия, графитът реагира с електролита. Това създава порест слой (наречен интерфейс с твърд електролит или SEI), който в крайна сметка предпазва анода от по-нататъшни атаки. Тази реакция също консумира голям бройлитий. В един идеален свят тази реакция би се случила веднъж, за да се създаде защитен слой, и това би било краят.

В действителност обаче TEI е силно нестабилен защитник. Той защитава добре графита при стайна температура, казва Абрахам, но при високи температури или когато батерията е намалена до нула („дълбоко разреждане“), EMT може частично да се разтвори в електролита. При високи температури електролитите също са склонни да се разлагат и страничните реакции се ускоряват.

Когато благоприятните условия се върнат, ще се образува друг защитен слой, но това ще изяде част от лития, което ще доведе до същите проблеми като спуканата кофа. Ще трябва да зареждаме мобилния си телефон по-често.

И така, имаме нужда от TEI, за да защитим графитен анод и в този случай наистина може да има твърде много добро. Ако защитният слой се сгъсти твърде много, той се превръща в бариера за литиевите йони, които трябва да се движат свободно напред-назад. Това се отразява на мощността, която Ейбрахам посочва, че е „изключително важна“ за електрическите превозни средства.

Изграждане на по-добри батерии

И така, какво може да се направи, за да се удължи живота на нашите батерии? Изследователи в лабораторията търсят електролитни добавки, които функционират като витамините в нашата диета, т.е. позволяват на батериите да работят по-добре и да издържат по-дълго чрез намаляване на вредните реакции между електродите и електролита, казва Абрахам. Освен това те търсят нови, по-стабилни кристални структури за електроди, както и по-стабилни свързващи вещества и електролити.

Междувременно инженери в компании за батерии и електрически автомобили работят върху кутии и системи за управление на топлината в опит да поддържат литиево-йонните батерии в постоянен, здравословен температурен диапазон. Ние, като потребители, сме оставени да избягваме екстремни температури и дълбоко разреждане и продължаваме да мърморим за батериите, които винаги изглежда умират твърде бързо.

Литиево-йонните и литиево-полимерните батерии се използват днес в повечето мобилни устройства - от плейъри и телефони до лаптоп таблети

Литиево-йонните (както и литиево-полимерните батерии, различаващи се от тях само по вида на електролита) се появиха на пазара отдавна - през 1992 г. Технологията е разработена до най-малкия детайл и многократно подобрена, всички фактори, влияещи върху капацитета, стабилността и издръжливостта, са известни, взети под внимание от разработчиците на батерии и джаджи, отразени в ръководствата за преносими устройства и множество публикации за Интернет и хартиена преса. Но сред съветите за работа с батерии, които могат да се чуят от продавачи на мобилно оборудване или познати „гурута“, все още можете да чуете както просто безполезни, така и направо вредни. Нека най-накрая направим списък с правилните препоръки за удължаване на живота на батерията.

1. Заредете батерията с оригиналното зарядно. Използвайте оригинални батерии.

Характеристиките на евтините аналози на маркови батерии и памет могат да се различават значително от оригиналите в техните параметри. Изглежда, че от това - но знаете ли, че превишаването на номиналната зарядно напрежениеМоже ли батерия от само 0,15 V да намали живота на батерията наполовина?

И когато зарядното напрежение се намали с 0,1 V, капацитетът на заредената батерия намалява с около 10%. За нея това не е вредно, напротив – но няма да сте доволни от намаляването на живота на батерията, нали?

Проблемът е, че при мобилните телефони и смартфоните контролерите за зареждане на батерията се намират на платката на самия телефон. Те са „обучени“ да зареждат само „родната“ батерия и ако съвместимият аналог се различава от оригинала (и най-често го прави), тогава може да възникне една от горните ситуации. Следователно спестяването на пари и в този случай съветът за използване на „родни“ батерии и зареждане има много практично оправдание.

2. Заредете напълно батерията преди първа употреба.

Това е необходимо на първо място, така че захранваното устройство правилно да определи пълния си капацитет и впоследствие точно да покаже оставащия заряд. Но не оставяйте устройството си да се зарежда „цяла нощ“ или „за 12 часа“, както се предлага от някои доставчици. Това е безполезно, защото контролер за зареждане, вграден в телефона и вграден в батерията електронна схемазащитите просто изключват зареждането при достигане на пълния капацитет.

„Обучение“ или „натрупване“ под формата на 3-5 пълни цикъла, литиево-йонните батерии също не са необходими. След първото зареждане литиево-йонната батерия е напълно готова за употреба. Едно дълбоко изпускане ще се превърне в стрес за нея и може само да съкрати живота й. Пълен цикъл може да е необходим само за някои устройства, за да се извърши така нареченото "калибриране" на батерията и да се покаже правилно нейният заряд. Самата батерия обаче не се нуждае от това.

3. Спазвайте температурния режим.

Не съхранявайте и не използвайте литиево-йонни батерии в среда, в която вие самите не бихте се чувствали комфортно. Литиево-йонните батерии практически не могат да работят нормално при температури под -20 ° C. А при +30 °C и повече процесите на стареене в тях се ускоряват, което води до необратима загуба на част от капацитета и преждевременен отказ. Затова не излагайте смартфоните си на замръзване или прегряване.

Оптималната температура за зареждане и разреждане на батерията е около +20 °C. В същото време разреждането при отрицателни температури до -18 ° C не вреди на батерията (освен ако не се случи много по-бързо от обикновено). Но не можете категорично да го зареждате на студено - това е както вредно, така и опасно. Така че зареждайте батерията си в по-удобна среда.

4. Не изтощавайте напълно батерията си и не гонете 100% заряд.

За разлика от по-старите никел-метал хидридни батерии, за литиево-йонните батерии както пълното зареждане, така и дълбокото разреждане са вид стрес. Честите пълни цикли могат значително да съкратят живота на батерията:

Ако е възможно, заредете притурката си веднага след предупреждение за ниско (10-15%) ниво на зареждане, без да чакате да се изключи. Ако е настъпило защитно изключване, в никакъв случай не оставяйте батерията разредена за дълго време - трябва бързо да я заредите поне до 30-40% от капацитета.

Също така би било хубаво да не зареждате напълно батерията, до 100%. Но на практика тази препоръка е трудна за изпълнение, въпреки че някои производители на лаптопи (Samsung) вече предоставят този режим за своите устройства.

5. Правила за съхранение на неизползваните батерии.

Дори да лежат на рафт или магазин, батериите губят значителна част от капацитета си и скоростта на този процес зависи пряко от степента на зареждане и температурата на съхранение:

Температура на съхранение Оставащ капацитет (ресурс) на батерията след година съхранение:

при първоначално ниво на зареждане от 40% и при първоначално ниво на зареждане от 100%

0°C 98% 94%

25°C 96% 80%

40°C 85% 65%

60°C 75% 60% (след 3 месеца)

Влошаване на характеристиките на най-често срещаните литиево-кобалтови батерии в зависимост от температурата на съхранение и степента на зареждане

По този начин няма смисъл да купувате батерии "в резерв". И когато купувате нова батерия, трябва да разберете датата на нейното производство.

Препоръчват се батерии за устройства, които използвате много рядко, но искате да поддържате в работно състояние:

• Зареждане до 40-50%;

• Извадете от захранваното устройство;

• Опаковайте в херметически затворен найлонов плик (всяка батерия отделно, ако са няколко);

• Съхранявайте в хладилник (но никога в фризер!);

• Веднъж на всеки 2-3 месеца презареждайте до същите 40-50%, след като го оставите да загрее до стайна температура;

• Заредете напълно преди употреба след дълъг период на съхранение.

Литиево-йонните и литиево-полимерните батерии се предлагат в различни размери и форми, но етикетът е еднакъв за всички разновидности.

Не оставяйте батерията разредена за дълго време. След няколко седмици, поради саморазреждане, напрежението на изтощена батерия ще падне под критичното напрежение до 2,2-2,9 V. В този случай защитната верига ще постави батерията в режим на заспиване и ще се изключи. След това обикновеното зарядно устройство най-вероятно няма да може да го извади от това състояние.

Не разглобявайте и не се опитвайте сами да ремонтирате дефектна батерия. Първо, в комбинация с контролер и защитно устройство, това е (схема) много сложно устройство, което не може да бъде разбрано без специално оборудване. Второ, може да не е безопасно. В същото време е строго забранено разглобяването (отварянето) на литиево-йонни батерийни клетки! Също така си струва да защитите батерията от механични повреди.

Не замразявайте и не прегрявайте литиево-йонните батерии, особено над 60°C.В допълнение към бързата повреда, със значително прегряване или повреда, съществува опасност от експлозия или спонтанно запалване на литиева клетка. Следователно литиево-йонните клетки са строго забранени за запояване и те се сглобяват в батерии във фабриката чрез съпротивително точково заваряване.

Източниците на захранване, базирани на литий, имат почти вековна история, но до 90-те години на миналия век те не могат да се произвеждат масово поради несъвършенството на технологията. Литиевият метал, използван в ранните разработки, е твърде реактивен, което доведе до чести пожари и експлозии на базирани на него батерии. Инженерите на SONY направиха технологичен пробив, като замениха лития с по-малко активен литиев кобалтат. Те също така представиха системата за контрол и защита BMS (Battery Management System), която контролира електрическите и физическите параметри на клетките на батерията и спира зареждането или разреждането в случай на прекъсване на нормалната работа. Оттогава технологията и материалите са значително подобрени и в момента литиево-йонните батерии са много напреднали, надеждни и безопасни устройства. Естествено, при спазване на горните препоръки.

Как да удължим живота на литиево-йонните батерии.

Литиево-йонните батерии се използват в съвременните мобилни телефони, лаптопи, таблети. Постепенно те изместиха алкалните батерии от пазара на преносима електроника. Преди това всички тези устройства използваха никел-кадмиеви и никел-метал-хидридни батерии. Но техните дни са отминали, както и литиево-йонните батерии най-доброто представяне. Вярно е, че те не могат да заменят алкалните във всички отношения. Например токовете, които могат да произвеждат никел-кадмиевите батерии, са недостижими за тях. За мощността на смартфоните и таблетите това не е критично. Въпреки това, в областта на преносимите електрически инструменти, които консумират много ток, алкалните батерии все още се използват. Въпреки това работата по разработването на батерии с високи разрядни токове без кадмий продължава. Днес ще говорим за литиево-йонни батерии, техния дизайн, работа и перспективи за развитие.

Първите акумулаторни клетки с литиев анод са произведени през седемдесетте години на миналия век. Те имаха висока специфична енергийна интензивност, което веднага ги направи търсени. Експертите отдавна се стремят да разработят източник, базиран на алкален метал, който е силно активен. Благодарение на това се постигна високото напрежение на този тип батерии и специфичната енергия. В същото време разработването на дизайна на такива елементи беше извършено доста бързо, но практическото им използване предизвика трудности. Те успяха да се справят едва през 90-те години на миналия век.

През тези 20 години изследователите стигнаха до извода, че основният проблем е литиевият електрод. Този метал е много активен и по време на работа са протичали редица процеси, които в крайна сметка са довели до запалване. Това се нарича вентилация с пламък. Поради това в началото на 90-те години производителите бяха принудени да изтеглят батерии, произведени за мобилни телефони.

Това се случи след поредица от инциденти. В момента на разговора консумираният ток от акумулатора достигна максимума и започна вентилация с изхвърляне на пламъка. В резултат на това има много случаи на изгаряния на лицето от потребители. Затова учените трябваше да прецизират дизайна на литиево-йонните батерии.

Литиевият метал е изключително нестабилен, особено при зареждане и разреждане. Затова изследователите започнаха да създават батерия от литиев тип без използването на литий. Започват да се използват йони на този алкален метал. От там идва името им.

Литиево-йонните батерии имат по-ниска специфична енергия от . Но те са безопасни, ако се спазват нормите за зареждане и разреждане.

Реакции, протичащи в литиево-йонна батерия

Пробив в посоката на въвеждане на литиево-йонни батерии в потребителската електроника беше разработването на батерии, в които отрицателният електрод беше направен от въглероден материал. Кристалната решетка на въглерода е много подходяща като матрица за интеркалиране на литиеви йони. За да се увеличи напрежението на батерията, положителният електрод е направен от кобалтов оксид. Потенциалът на отпечатания кобалтов оксид е приблизително 4 волта.

Работното напрежение на повечето литиево-йонни батерии е 3 волта или повече. По време на разреждането при отрицателния електрод литият се деинтеркалира от въглерода и се интеркалира в кобалтовия оксид на положителния електрод. По време на процеса на зареждане процесите протичат в обратен ред. Оказва се, че в системата няма метален литий, но работят неговите йони, които се движат от един електрод към друг, създавайки електрически ток.

Реакции на отрицателния електрод

Всички съвременни търговски модели литиево-йонни батерии имат отрицателен електрод, изработен от материал, съдържащ въглерод. Сложният процес на интеркалиране на литий във въглерод до голяма степен зависи от естеството на този материал, както и от електролитното вещество. Въглеродната матрица на анода има слоеста структура. Структурата може да бъде подредена (естествен или синтетичен графит) или частично подредена (кокс, сажди и др.).

По време на интеркалирането литиевите йони раздалечават въглеродните слоеве, прониквайки между тях. Получават се различни интеркалати. При интеркалиране и деинтеркалиране специфичният обем на въглеродната матрица се променя незначително. В отрицателния електрод, в допълнение към въглеродния материал, могат да се използват сребро, калай и техните сплави. Те също така се опитват да използват композитни материали със силиций, калаени сулфиди, кобалтови съединения и др.

Реакции на положителния електрод

Първичните литиеви клетки (батерии) често използват най-много различни материали. При батериите това не може да се направи и изборът на материал е ограничен. Следователно положителният електрод на литиево-йонна батерия е направен от литиран никелов или кобалтов оксид. Могат да се използват и литиево-манганови шпинели.

Днес се провеждат проучвания върху материали от смесени фосфати или оксиди за катода.Както успяха да докажат специалистите, такива материали подобряват електрическите характеристики на литиево-йонните батерии. Разработват се и методи за отлагане на оксиди върху повърхността на катода.

Реакциите, протичащи в литиево-йонна батерия по време на зареждане, могат да бъдат описани със следните уравнения:

положителен електрод

LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe -

отрицателен електрод

C + xLi + + xe - → CLi x

По време на процеса на разреждане реакциите протичат в обратна посока.

Фигурата по-долу схематично показва процесите, протичащи в литиево-йонна батерия по време на зареждане и разреждане.

Устройство с литиево-йонна батерия

Според дизайна си литиево-йонните батерии се произвеждат в цилиндричен и призматичен дизайн.Цилиндричният дизайн е ролка от електроди с разделителен материал за разделяне на електродите. Тази ролка е поставена в алуминиева или стоманена обвивка. Отрицателният електрод е свързан към него.

Положителният контакт се показва под формата на подложка в края на батерията.

Литиево-йонните батерии с призматичен дизайн са направени чрез подреждане на правоъгълни плочи една върху друга. Такива батерии позволяват да се направи опаковката по-плътна. Трудността се състои в поддържането на силата на натиск върху електродите. Има призматични батерии с ролков комплект от електроди, усукани в спирала.

Всички литиево-йонни батерии са проектирани с мерки за осигуряване на тяхната безопасна работа. На първо място, това се отнася до предотвратяването на нагряване и запалване. Под капака на батерията е монтиран механизъм, който увеличава устойчивостта на батерията с увеличаване температурен коефициент. Когато налягането вътре в батерията се повиши над допустимата граница, механизмът прекъсва положителния полюс и катода.

В допълнение, за повишаване на безопасността на работа в литиево-йонните батерии е задължителна електронната платка. Целта му е да контролира процесите на зареждане и разреждане, да изключва прегряване и късо съединение.

Сега се произвеждат много призматични литиево-йонни батерии. Намират приложение в смартфони и таблети. Дизайнът на призматичните батерии често може да се различава от производителя до производителя, тъй като няма нито една унификация. Електродите с противоположна полярност са разделени със сепаратор. За производството му се използва порест полипропилен.

Дизайнът на Li-Ion и други видове литиеви батерии винаги е запечатан. то задължително изискване, тъй като изтичането на електролит не е допустимо. Ако изтече, електрониката ще се повреди. В допълнение, запечатаният дизайн предотвратява навлизането на вода и кислород в батерията. Ако попаднат вътре, те ще разрушат батерията в резултат на реакция с електролита и електродите. Производство на компоненти за литиеви батериии сглобяването им е в специални сухи кутии в аргонова атмосфера. В този случай се използват сложни методи за заваряване, запечатване и др.

Що се отнася до количеството активна маса на литиево-йонна батерия, тук производителите винаги търсят компромис. Те трябва да постигнат максимален капацитет и да гарантират безопасността на работа. Връзката се основава на:

A o / A n \u003d 1.1, където

A o е активната маса на отрицателния електрод;

И p е активната маса на положителния електрод.

Този баланс предотвратява образуването на литий (чист метал) и елиминира запалването.

Параметри на Li-Ion батерии

Произвежданите днес литиево-йонни батерии имат висока енергийна плътност и работно напрежение. Последното в повечето случаи е от 3,5 до 3,7 волта. Енергийната интензивност е от 100 до 180 ватчаса на килограм или от 250 до 400 на литър. Преди известно време производителите не можеха да произвеждат батерии с капацитет по-висок от няколко амперчаса. Сега проблемите, пречещи на развитието в тази посока, са отстранени. И така, в продажба започнаха да се намират литиеви батерии с капацитет от няколкостотин амперчаса.

Токът на разреждане на съвременните Li─Ion батерии варира от 2C до 20C. Работят в температурния диапазон околен святот -20 до +60 по Целзий. Има модели, ефективни при -40 по Целзий. Но си струва веднага да кажем, че специални серии батерии работят при отрицателни температури. Обикновените литиево-йонни батерии за мобилни телефони стават неработещи при ниски температури.

Саморазрядът на този тип батерии е 4-6 процента през първия месец. След това намалява и възлиза на процент на година. Това е значително по-малко от това на никел-кадмиевите и никел-металхидридни батерии. Срокът на експлоатация е приблизително 400-500 цикъла на зареждане-разреждане.

Сега нека поговорим за характеристиките на работата на литиево-йонните батерии.

Работещи литиево-йонни батерии

Зареждане на Li─Ion батерии

Зареждането на литиево-йонните батерии обикновено е комбинирано. Първо, те се зареждат при постоянен ток от 0,2-1C, докато получат напрежение от 4,1-4,2 волта. И след това зареждането се извършва при постоянно напрежение. Първата стъпка продължава около час, а втората около два. За да заредите батерията по-бързо, използвайте импулсен режим. Първоначално се произвеждаха литиево-йонни батерии с графит и за тях беше зададено ограничение на напрежението от 4,1 волта на клетка. Факт е, че при по-високо напрежение в клетката започнаха странични реакции, намаляващи живота на тези батерии.

Постепенно тези недостатъци бяха елиминирани чрез легиране на графит с различни добавки. Съвременните литиево-йонни клетки зареждат без проблеми до 4,2 волта.Грешката е 0,05 волта на клетка. Има групи литиево-йонни батерии за военния и индустриалния сектор, където се изисква повишена надеждност и дълъг експлоатационен живот. За такива батерии издържат максимално напрежениена елемент 3,90 волта. Те имат малко по-ниска енергийна плътност, но удължен експлоатационен живот.

Ако зареждате литиево-йонна батерия с ток от 1C, тогава времето за пълен набор от капацитет ще бъде 2-3 часа. Батерията се счита за напълно заредена, когато напрежението се повиши до максимум и токът падне до 3 процента от стойността в началото на процеса на зареждане. Това може да се види на графиката по-долу.

Графиката по-долу показва етапите на зареждане на литиево-йонна батерия.

Процесът на зареждане се състои от следните стъпки:

• Етап 1. На този етап водата тече през батерията максимален токзареждане. Продължава до достигане на праговото напрежение;
• Етап 2. При постоянно напрежение на батерията токът на зареждане постепенно намалява. Този етап се прекратява, когато токът намалее до 3 процента от първоначалната стойност;
• Етап 3. Ако батерията се постави на съхранение, тогава на този етап има периодично зареждане, за да се компенсира саморазреждането. Прави се приблизително на всеки 500 часа.
  От практиката е известно, че увеличаването на зарядния ток не намалява времето за зареждане на батерията. С увеличаването на тока напрежението нараства по-бързо до праговата стойност. Но тогава вторият етап на зареждане продължава по-дълго. Някои зарядни устройства (зарядни устройства) могат да заредят литиево-йонна батерия за един час. В такава памет няма втори етап, но в действителност батерията в този момент е заредена някъде с 70 процента.

Що се отнася до струйното зареждане, то не е приложимо за литиево-йонни батерии. Това е така, защото този тип батерия не може да абсорбира излишната енергия при презареждане. Презареждането на струята може да доведе до преминаване на част от литиевите йони в метално състояние (валентност 0).

Кратко зареждане добре компенсира саморазреждането и загубата на електрическа енергия. Зареждането в третия етап може да се извършва на всеки 500 часа. По правило се извършва, когато напрежението на батерията падне до 4,05 волта на един елемент. Зареждането се извършва, докато напрежението се повиши до 4,2 волта.

Заслужава да се отбележи слабата устойчивост на литиево-йонните батерии към презареждане. В резултат на прилагане на излишен заряд върху въглеродната матрица (отрицателен електрод) може да започне отлагането на метален литий. Има много висока химическа активност и взаимодейства с електролита. В резултат на това на катода започва отделянето на кислород, което заплашва да повиши налягането в корпуса и да намали налягането. Ето защо, ако зареждате литиево-йонна клетка, заобикаляйки контролера, не позволявайте напрежението да се покачва, когато зареждате, по-високо от препоръчаното от производителя на батерията. Ако непрекъснато презареждате батерията, нейният живот ще се съкрати.

Производителите обръщат сериозно внимание на безопасността на литиево-йонните батерии. Зареждането спира, когато напрежението се повиши над допустимото ниво. Монтиран е и механизъм за изключване на заряда, когато температурата на батерията се повиши над 90 по Целзий. някои модерни моделибатериите имат механичен тип превключвател в дизайна си. Задейства се от повишаване на налягането вътре в корпуса на батерията. Механизмът за контрол на напрежението на електронната платка изключва буркана от външния свят чрез минимално и максимално напрежение.

Има литиево-йонни батерии без защита. Това са модели, съдържащи в състава си манган. Този елемент, когато е презареден, допринася за инхибирането на литиевата метализация и освобождаването на кислород. Следователно в такива батерии защитата става ненужна.

Характеристики на съхранение и разреждане на литиево-йонни батерии

Литиевите батерии се съхраняват доста добре и саморазреждането на година е само 10-20%, в зависимост от условията на съхранение. Но в същото време разграждането на клетките на батерията продължава, дори ако не се използва. Като цяло, всички електрически параметри на литиево-йонна батерия могат да се различават за всеки конкретен случай.

Например, напрежението по време на разреждане варира в зависимост от степента на заряд, ток, температура на околната среда и т.н. Животът на батерията се влияе от токове и режими на цикъла на разреждане-зареждане, температура. Един от основните недостатъци на литиево-йонните батерии е тяхната чувствителност към режима заряд-разряд, поради което осигуряват много различни видовезащита

Графиките по-долу показват характеристиките на разреждането на литиево-йонните батерии. Те разглеждат зависимостта на напрежението от разрядния ток и температурата на околната среда.

Както може да се види, с увеличаване на разрядния ток спадът на капацитета е незначителен. Но в същото време работното напрежение е значително намалено. Подобна картина се наблюдава при температури под 10 градуса по Целзий. Заслужава да се отбележи и първоначалният спад на напрежението на батерията.

NiCd - никел-кадмиеви батерии
Алкалната никелова технология е въведена през 1899 г., когато Валдмар Юнгнер изобретява първата никел-кадмиева батерия (NiCD). Материалите, използвани в тях, бяха скъпи по това време и използването им беше ограничено до специално оборудване. Батериите от този тип имат никелов анод и кадмиев катод. През 1932 г. активните материали са въведени в порестия пластинчат никелов електрод, а от 1947 г. започват изследвания върху запечатани NiCD батерии, в които вътрешните газове, освободени по време на зареждане, се рекомбинират вътре и не се освобождават навън, както в предишните версии. Тези подобрения доведоха до модерната запечатана NiCD батерия, която се използва днес.
В момента NiCD батериите все още са най-популярни за захранване на преносими радиостанции, медицинско оборудване, професионални видеокамери, записващи устройства и мощни инструменти. Така че над 50% от всички батерии за преносимо оборудване са NiCD. Появата на по-нови батерии по отношение на електрохимичната система, въпреки че доведе до намаляване на използването на NiCD батерии, обаче, идентифицирането на недостатъците на новите видове батерии доведе до подновяване на интереса към NiCD батериите.
NiCD батерията е като силен и тих работник, който работи здраво и не създава много проблеми. Той предпочита бързото зареждане пред бавното зареждане и импулсното зареждане пред зареждането постоянен ток. Подобряването на ефективността се постига чрез разпределяне на разрядните импулси между зарядните импулси. Този метод на зареждане, обикновено наричан обратно зареждане, поддържа висока активна повърхност на електродите, като по този начин увеличава ефективността и живота на батерията. Обратното зареждане също подобрява бързото зареждане, т.к спомага за рекомбинацията на газове, отделени по време на зареждане. В резултат на това батерията се нагрява по-малко и се зарежда по-ефективно, отколкото при стандартния метод на зареждане с постоянен ток.
Друг важен проблем, който се решава при използване на обратно зареждане е намаляването на кристалните образувания в клетките на акумулатора, което повишава ефективността и удължава живота му. Изследване, проведено в Германия, показва, че обратното зареждане добавя около 15% към живота на NiCD батерия.
Вредно е да има NiCD батерии зарядно устройстводо няколко дни. Всъщност NiCD батериите са единственият тип батерии, които работят най-добре, когато периодично се подлагат на пълно разреждане. Всички други видове батерии според електрохимичната система предпочитат плитък разряд. Така че периодичното пълно разреждане е важно за NiCD батериите и ако не се извършва, NiCD батериите постепенно губят ефективност поради образуването на големи кристали върху клетъчните плочи, феномен, наречен ефект на паметта.
Сред недостатъците на NiCD батерията е необходимостта от периодично пълно разрежданезапазване на експлоатационните свойства (елиминиране на ефекта на паметта), висок саморазряд (до 10% през първите 24 часа) и големи размери в сравнение с други видове батерии. Освен това батерията съдържа кадмий и изисква специално изхвърляне. В редица скандинавски страни по тази причина той вече е забранен за употреба. Поради големия размер и проблемите с изхвърлянето на NiCD батерията постепенно напуска пазара на мобилни телефони.

NiMh - никел метал хидридни батерии
Още в края на 60-те години на 20 век учените откриха редица сплави, способни да свързват атомен водород в обем 1000 пъти по-голям от техния собствен. Те се наричат ​​хидриди и обикновено са химически съединения на метали като цинк, литий и никел. Използвани разумно, хидридите могат да съхраняват достатъчно водород, който да се използва в обратими реакции вътре в батериите. Те имат хидриден катод и никелов анод. Изследванията на технологията за NiMH батерии започнаха през 70-те години на миналия век и бяха предприети като опит за преодоляване на недостатъците на никел-кадмиевите батерии. Използваните по това време метални хидридни съединения обаче са нестабилни и необходимите характеристики не са постигнати. В резултат на това развитието на NiMH батериите се забави. Нови метални хидридни съединения, достатъчно стабилни за приложения в батерии, бяха разработени през 1980 г. От края на осемдесетте години NiMH батериите непрекъснато се подобряват, главно по отношение на плътността на съхранение на енергия. Техните разработчици отбелязаха, че NiMH технологията има потенциала да постигне още по-висока енергийна плътност.
Броят цикли на зареждане/разреждане за NiMH батерии е приблизително 500. Предпочита се плиткият, а не дълбокият разряд. Животът на батерията е пряко свързан с дълбочината на разреждане.
NiMH батерия генерира значително повече топлина по време на зареждане от NiCd батерия и изисква по-сложен алгоритъм за откриване на пълно зареждане, ако не се използва контрол на температурата. Повечето NiMH батерии са оборудвани с вътрешен температурен сензор, за да осигурят допълнителни критерии за откриване на пълен заряд. Освен това NiMH батерията не може да се зарежда толкова бързо - времето за зареждане обикновено е два пъти по-голямо от това на NiCD. Плаващият заряд трябва да бъде по-контролиран, отколкото при NiCd батериите.
Препоръчителният разряден ток за NiMH батерии е много по-малък, отколкото за NiCD. Затова производителите препоръчват ток на натоварване от 0,2C до 0,5C (една пета до половината от номиналния капацитет). Този недостатък не е критичен, ако необходимият ток на натоварване е нисък. За приложения, които изискват голям ток на натоварване или имат импулсно натоварване, като преносими радиостанции и мощни инструменти, се препоръчват NiCD батерии.
Както NiMH, така и NiCD батериите имат приемливо висок саморазряд. NiCD батерия губи около 10% от капацитета си през първите 24 часа, след което скоростта на саморазреждане е около 10% на месец. Саморазрядът на NiMH батериите е 1,5–2 пъти по-висок от този на NiCD. Използването на хидридни материали, които подобряват водородното свързване за намаляване на саморазреждането, обикновено води до намаляване на капацитета на батерията.
Капацитетът на NiMH батериите е приблизително 30% по-голям от този на стандартна NiCD батерия със същия размер. NiCD клетките с много голям капацитет осигуряват ниво на капацитет, близко до това на NiMH.
Цената на NiMH батериите е с около 30% по-висока от NiCD. Въпреки това, цената не е основният проблем, ако потребителят се нуждае голям капацитети малки размери. За сравнение NiCD клетките с много голям капацитет са само малко по-скъпи от стандартните NiCD клетки. По отношение на капацитет/цена, NiCD батериите с много голям капацитет са по-икономични от NiMH.

Li-Ion - литиево-йонни батерии
Литият е най-реактивният метал. Въз основа на него работят модерни захранвания за лаптопи. Почти всички захранващи устройства с висока плътност използват литий поради неговата химични свойства. Един килограм литий може да съхранява 3860 амперчаса. За сравнение, индексът на цинка е 820, докато този на оловото е 260. В зависимост от вида на анода, литиевите клетки могат да създадат напрежение от един и половина до 3,6 волта, което е по-високо от това на всеки друг елемент.
Проблемът беше, че литият е твърде активен. Литият е най-лекият метал, но има и много отрицателен електрохимичен потенциал. Поради това литият се характеризира с най-висока теоретична специфичност електрическа енергия. Вторичните източници на ток на базата на литий имат високо разрядно напрежение и значителен капацитет.
Първата работа върху литиеви батерии е извършена от G.N. Луис през 1912 г. Въпреки това едва през 1970 г. се появяват първите комерсиални копия на първични литиеви източници на ток. Опитите за разработване на акумулаторни литиеви източници на ток бяха направени още през 80-те години, но бяха неуспешни поради невъзможността да се осигури приемливо ниво на безопасност при работа с тях.
В резултат на проучвания, проведени през 80-те години, беше установено, че по време на цикъла на източник на ток с метален литиев електрод се образуват дендрити на повърхността на лития. Растежът на дендрита към положителния електрод и появата на късо съединение вътре в литиевия източник на ток е причината за повреда на клетката. В този случай температурата вътре в батерията може да достигне точката на топене на лития (180 ° C). В резултат на бурното химично взаимодействие на лития с електролита се получава експлозия. Например, голям брой литиеви батерии, изпратени до Япония през 1991 г., бяха върнати на производителите, след като няколко души бяха изгорени в резултат на експлозии в батериите на мобилни телефони.

Принципът на работа на литиево-йонна батерия

Производителите на батерии са се опитали да използват литий под формата на йони. В опит да се създаде безопасен източник на ток на базата на литий, изследванията доведоха до замяната на лабилния на цикли литиев метал в батерията с литиеви интерстициални съединения във въглерод и оксиди на преходни метали. Така те успяха да получат всички полезни електрохимични качества, без да се забъркват с капризната метална форма.
В литиево-йонните клетки литиевите йони са свързани с молекули от други материали.Най-популярните материали за създаване на литиево-йонни батерии в момента са графитът и литиевият кобалтов оксид (LiCoO2). В такъв източник на ток, по време на заряд-разряд, литиевите йони преминават от един интерстициален електрод към друг и обратно. Въпреки че тези електродни материали имат няколко пъти по-ниска специфична електрическа енергия в сравнение с литиевите, базираните на тях батерии са доста безопасни, при условие че се вземат определени предпазни мерки по време на зареждане и разреждане. През 1991 г. фирмата Sony старттърговско производство на литиево-йонни батерии и в момента е най-големият им доставчик.
Специфичните характеристики на литиево-йонните батерии са поне два пъти по-високи от тези на никел-кадмиевите батерии и се характеризират добре при работа на големи токовекоето е необходимо, например, когато се използват тези батерии в мобилни телефони и преносими компютри. Литиево-йонните батерии имат доста нисък саморазряд (2-5% на месец).
За да се гарантира безопасност и издръжливост, всяка батерия трябва да бъде оборудвана с електрическа веригаконтроли за ограничаване на пиковото напрежение на всяка клетка по време на зареждане и предотвратяване на падане на напрежението на клетката под приемливите нива при разреждане. В допълнение, максималният ток на зареждане и разреждане трябва да бъде ограничен и температурата на клетката трябва да бъде контролирана. При спазване на тези предпазни мерки възможността за образуване на метален литий върху повърхността на електродите по време на работа (което най-често води до нежелани последствия) е практически елиминирана.
Според материала на отрицателния електрод литиево-йонните батерии могат да бъдат разделени на два основни типа:
- с отрицателен електрод на основата на кокс (Sony)
- и на базата на графит (повечето други производители).
Базираните на графит източници на ток с отрицателен електрод имат по-плавна крива на разреждане с рязък спад на напрежението в края на разряда, в сравнение с по-плоската крива на разреждане на коксова електродна батерия. Ето защо, за да се получи възможно най-висок капацитет, крайното напрежение на разреждане на батерии с коксов отрицателен електрод обикновено се задава по-ниско (до 2,5 V) в сравнение с батерии с графитен електрод (до 3 V). В допълнение, батериите с графитен отрицателен електрод са в състояние да осигурят по-висок ток на натоварване и по-малко топлина по време на зареждане и разреждане, отколкото батериите с коксов отрицателен електрод.
Производителите непрекъснато подобряват технологията на литиево-йонните батерии. Има постоянно търсене и подобряване на електродните материали и електролитния състав. Успоредно с това се полагат усилия за подобряване на безопасността на литиево-йонните батерии, както на ниво отделни източници на енергия, така и на ниво управляващи вериги.
Литиево-йонните батерии са най-скъпите налични на пазара днес. Подобряването на технологията на производство и замяната на кобалтовия оксид с по-евтин материал може да доведе до намаляване на разходите им с 50% през следващите няколко години.
Други литиево-йонни технологии продължават да се развиват, както се вижда от публикуваните резултати от изследвания. По този начин, според FujiFilm, аморфният композитен оксиден материал на базата на калай за отрицателния електрод, разработен от тази компания, е в състояние да осигури 1,5 пъти по-висока електрически капацитетв сравнение с батерии със стандартен въглероден електрод. Възможните предимства на батериите с този материал са по-голяма безопасност, по-бързо зареждане, добри разрядни характеристики и висока ефективностпри ниска температура. Недостатъците в ранните етапи на изследването обикновено не се споменават.
Литиево-йонните батерии имат много висока енергийна плътност. Бъдете внимателни при работа и тестване. Не свързвайте накъсо батерията, не презареждайте, смачквайте, разглобявайте, пробивайте с метални предмети, включвайте в обратна полярностне ги излагайте на високи температури. Това може да Ви причини физическо увреждане.

Li-Pol - литиево-полимерни батерии
Това е най-новата иновация в литиевата технология. Анодът е отделен от катода чрез полимерна преграда, композитен материал като полиакрилонитрит, който съдържа литиева сол. В резултат на това става възможно да се опрости конструкцията на клетката, тъй като всяко изтичане на гелообразния електролит е невъзможно. По този начин, при същото специфично тегло, оптимално оформените литиево-полимерни батерии могат да съхраняват 22% повече енергия от подобни литиево-йонни батерии. Това се постига чрез запълване на "мъртвите" обеми в ъглите на отделението, които биха останали неизползвани при цилиндрична батерия.
В допълнение към тези очевидни предимства, литиево-полимерните клетки са екологични и по-леки, поради липсата на външен метален корпус.