От какво е направена литиева батерия? Видове съвременни литиеви батерии. Правила за съхранение на неизползвани батерии.

Как правилно да зареждате литиево-йонна батерия и защо изобщо е необходима? Нашите модерни устройстваработа поради наличието на независими източници на енергия. И няма значение какви устройства са: електрически бормашини, винтоверти, смартфони или лаптопи. Ето защо е толкова важно да знаете отговора на въпроса как правилно да зареждате литиево-йонна батерия.

Единственият проблем е, че повечето батерии работят много бързо и освен ако не използвате специализиран зарядно устройство, ще трябва да ги изхвърлите. Тежко за джоба ви и вредно за околната среда: всяка година по света изхвърляме милиарди батерии за еднократна употреба. Акумулаторните батерии помагат за решаването на този проблем и използват по най-добрия начин технологията, наречена литиево-йонна. погледнете отблизо как работят!

Проблемът с конвенционалните батерии

Снимка: Литиево-йонна батерия като този лаптоп се състои от поредица от захранващи блокове, наречени клетки. Тази батерия е оценена на 8 волта и има три клетки вътре. Свържете двата края на батерията към нещо като фенерче и химичните реакции започват: химикалите вътре в батерията бавно, но систематично се разграждат и комбинират заедно, за да направят други. химически вещества, създавайки поток от положително заредени частици, наречени йони и отрицателно заредени електрони. Йоните се движат през батерията; Електроните преминават през веригата, към която е свързана батерията, осигурявайки електрическа енергия, който управлява фенерчето.

Малко за това какво е литиево-йонна батерия

Автономните източници на захранване, които се използват в съвременните смартфони и други устройства, обикновено се разделят на няколко различни групи. Има ги достатъчно. Вземете същото Но именно в преносимата технология, тоест в смартфоните и лаптопите, най-често се инсталират батерии от литиево-йонен тип (английско обозначение Li-Ion). Причините довели до това са от различно естество.

Единственият проблем е, че тази химическа реакция може да се случи само веднъж и само в една посока: ето защо конвенционалните батерии обикновено не могат да се презареждат. Снимка: Конвенционалните батерии като тази въглеродно-цинкови не могат да се презареждат, тъй като химическите реакции, които генерират енергия, не са обратими.

Акумулатори = обратими реакции

В акумулаторните батерии се използват различни химикали и те се разпадат при напълно различни реакции. Голямата разлика е, че химическите реакции в акумулаторната батерия са обратими: когато батерията се разреди, реакциите протичат в една посока и батерията доставя енергия; Когато батерията се зарежда, реакциите протичат в обратна посока и батерията абсорбира енергията. Тези химични реакции могат да се случват стотици пъти и в двете посоки, така че акумулаторната батерия обикновено ще ви даде всичко от две или три до десет години. полезно използване.

Предимствата на тези видове батерии


На първо място, трябва да се отбележи колко просто и евтино е производството на тези енергийни източници. Техните допълнителни предимства са отличните експлоатационни характеристики. Загубите от саморазряд са много малки и това също играе роля. Но запасът от цикли за зареждане и разреждане е много, много голям. Заедно всичко това прави литиево-йонните батерии лидери сред други подобни устройства в областта на тяхното използване в смартфони и лаптопи. Въпреки че има изключения от правилото, те са около 10 процента от общия брой случаи. Ето защо много потребители задават въпроса как правилно да зареждат литиево-йонна батерия.

Как работят литиево-йонните батерии

Снимка: Литиево-йонните батерии са по-малко вредни за околната среда от батериите, съдържащи тежки метали, като кадмий и живак, но повторното им използване все още е за предпочитане пред изгарянето или депонирането. Както всяка друга батерия, литиево-йонната батерия се състои от един или повече захранващи блокове, наречени клетки. Всяка клетка има по същество три компонента: положителен електрод, отрицателен електрод и химикал, наречен електролит между тях.

Важни и интересни факти


Батерията за смартфон има своите специфични характеристики. Следователно, трябва да знаете определени правила и да сте запознати със съответните инструкции, дори преди да започнете да участвате в процеса на принудително зареждане или разреждане. Преди всичко трябва да се отбележи, че повечето батерии от този тип са специално оборудвани с допълнително устройство за управление. Използването му се дължи на необходимостта от задържане на заряда на определено ниво (което също се нарича критично). По този начин контролното устройство, вградено, между другото, в батерията на смартфона, не ни позволява да преминем тази фатална линия, след която батерията просто ще „умре“, както обичат да казват сервизните специалисти. От гледна точка на физиката всичко изглежда така: по време на обратния процес (критичен разряд) напрежението на литиево-йонната батерия просто пада до нула. Успоредно с това протичането на ток е блокирано.

Положителният електрод обикновено се прави от химическо съединение, наречен литиево-кобалтов оксид, или, в по-новите батерии, от литиево-железен фосфат. Отрицателният електрод обикновено е направен от въглерод и електролитът варира от един тип батерия до друг, но не е много важно да разберете основната идея за това как работи батерията.

Всички литиево-йонни батерии работят по принцип по същия начин. Когато батерията е заредена, положителният електрод от литиево-кобалтов оксид освобождава част от своите литиеви йони, които преминават през електролита към отрицателния графитен електрод и остават там. По време на този процес батерията консумира и съхранява енергия. Когато батерията се разреди, литиевите йони се връщат през електролита към положителния електрод, създавайки енергия, която захранва батерията. И в двата случая електроните се движат в обратна посока на йоните около външния контур.

Как правилно да зареждате цифрово оборудване въз основа на този източник на живот на батерията


Ако вашият смартфон се захранва от литиево-йонна батерия, тогава самото устройство трябва да се зарежда, когато индикаторът на батерията показва приблизително следните числа: 10-20 процента. Същото важи и за фаблетите и таблетните компютри. Това е кратък отговор на въпроса как правилно да зареждате литиево-йонна батерия. Трябва да се добави, че дори и при достигане на 100% от номиналния заряд, устройството трябва да остане включено електрическа мрежаза още един-два часа. Факт е, че устройствата тълкуват погрешно зареждането и 100 процента, което дава смартфон или таблет, всъщност няма повече от 70-80 процента.

Литиеви батерии: устройство

Електроните не преминават през електролита: той всъщност е изолираща бариера, тъй като говорим за електрони. Движението на йони и електрони е свързано помежду си с процеси и ако едното спре, но и другото. Ако йоните спрат да се движат през електролита, защото батерията е напълно разредена, електроните не могат да се движат около външната верига - така че губите силата си. По същия начин, ако изключите всичко, захранвано от батерията, потокът от електрони спира, както и потокът от йони.

Батерията по същество спира да се разрежда с висока скорост. За разлика от повече прости батерии, литиево-йонните батерии са вградени в електронни контролери, които регулират как се зареждат и разреждат. Те предотвратяват презареждането и прегряването, което може да доведе до експлозия на литиево-йонните батерии в някои случаи.


Ако вашето устройство е оборудвано с литиево-йонна батерия, трябва да знаете някои от тънкостите на нейната работа. Това ще бъде много полезно в бъдеще, защото като ги следвате, можете да удължите живота не само на този елемент, но и на цялото устройство като цяло. Така че, не забравяйте, че веднъж на всеки три месеца трябва да извършите пълно разреждане на устройството. Това се прави с превантивна цел.

Как се зарежда и разрежда литиево-йонна батерия

Анимация: зареждане и разреждане на литиево-йонна батерия. Както подсказва името им, литиево-йонните батерии са свързани с движението на литиеви йони: йоните се движат в една посока, когато батерията е заредена; Те се движат в обратна посока, когато батерията се изтощи. По време на зареждане литиевите йони преминават от положителния към отрицателния електрод през електролита. Електроните също текат от положителния електрод към отрицателния електрод, но изминават дълъг път във външната верига. Когато престанат да текат йони, батерията е напълно заредена и готова за употреба. По време на разреждане йоните се връщат през електролита от отрицателния към положителния електрод. Електроните преминават от отрицателния електрод към положителния електрод през външната верига, осигурявайки захранване на вашия лаптоп. Когато йони и електрони се комбинират на положителния електрод, там се отлага литий. Когато всички йони се върнат, батерията се разрежда напълно и се зарежда отново.

Как се съхраняват литиевите йони

Електрони и йони се комбинират при отрицателния електрод и отлагат литий. . Анимация: как литиевите йони се съхраняват в отрицателен графитен електрод и положителен електрод от кобалтов оксид.

Но ще говорим за това как да зареждаме разредена батерия по-късно. Засега нека отбележим, че настолен компютър и лаптоп не могат да осигурят достатъчно високо напрежение при свързване на мобилно устройство към тези чудеса на техниката чрез USB порт. Съответно, за да се зареди напълно устройството от тези източници, ще отнеме повече време. Интересното е, че животът на литиево-йонната батерия може да бъде удължен с една техника. Състои се в редуване на цикли на зареждане. Тоест, веднъж зареждате устройството напълно, на 100 процента, втори път - не напълно (80 - 90 процента). И тези два варианта се редуват на свой ред. В този случай можете да използвате зарядното за литиево-йонни батерии.

Тази втора анимация показва какво се случва в батерията малко по-подробно. Отново отрицателният графитен електрод е показан отляво, положителният електрод от кобалтов оксид отдясно, а литиевите йони са представени с жълти кръгове. Когато батерията е напълно заредена, всички литиеви йони се съхраняват между слоевете графен върху графитния електрод. В това заредено състояние батерията на практика е многослоен сандвич: графеновите слоеве се редуват с литиево-йонни слоеве. Разряди, йони мигрират от графитния електрод към електрода от кобалтов оксид.

Условия за ползване


Като цяло литиево-йонните захранвания могат да се нарекат непретенциозни. Вече говорихме по тази тема и разбрахме, че тази характеристика, заедно с други, е станала причина за широкото им използване в изчислителната техника. Дори и такава интелигентна архитектура на батериите обаче не гарантира напълно тяхната дългосрочна работа. Този период зависи преди всичко от човека. Но от нас не се изисква да правим нещо отвъд това. Ако има пет прости правила, които можем да запомним завинаги, прилагайте ги успешно. В този случай литиево-йонното захранване ще ви служи много, много дълго време.

Използвайте само оригинално зарядно

Когато е напълно разреден, всички литиеви йони са се преместили към електрода от кобалтов оксид отдясно. И отново, литиевите йони са разположени на слоеве, между слоевете от кобалтови йони и оксидни йони. Когато батерията се зарежда и разрежда, литиевите йони се шунтират напред и назад от единия електрод към другия.

Предимства на литиево-йонните батерии

Като цяло литиево-йонните батерии са по-надеждни от по-старите технологии като никел-кадмиевите и не страдат от проблем, известен като „ефект на паметта“. Тъй като литиево-йонните батерии не съдържат кадмий, те също са по-добри за околната среда - въпреки че изхвърлянето на батерии на сметищата никога не е добра идея. В сравнение с тежките акумулаторни батерии, литиево-йонните батерии са относително леки за количеството енергия, което съхраняват.

Правило едно


Тя се състои в това, че не е необходимо напълно. Вече беше казано, че такава процедура трябва да се извършва само веднъж на всеки три месеца. Съвременните дизайни на тези захранвания не носят „ефекта на паметта“. Всъщност, следователно, е по-добре да имате време да заредите устройството дори преди да „седне напълно“. Между другото, доста забележително е, че някои производители на съответните продукти измерват експлоатационния живот на продуктите в броя на циклите. Продуктите от най-висок клас са в състояние да "оцелеят" около шестстотин цикъла.

Недостатъци на литиево-йонните батерии

Напълно заредени осигуряват на автомобила пробег от над 350 км. Ляво: можете да видите жълт проводникзахранване, зареждане на батериите. Вдясно: Батериите са в голямото отделение, което можете да видите точно над задното колело. Ако се интересуваме от недостатъците на литиево-йонните батерии, важно е да запомним с какво ги сравняваме. Като източник на енергия за автомобили, ние наистина трябва да ги сравняваме не с други видове батерии, а с бензин. Въпреки значителния напредък през годините, килограм за килограм, батериите все още съхраняват само малка част от енергията в сравнение с обикновения газ, казано по-научно, те имат много по-ниска енергийна плътност.

Правило две

Пише, че мобилното устройство се нуждае от пълно разреждане. За превантивни цели трябва да се провежда на всеки три месеца. Напротив, нередовното и нестабилно зареждане може да измести номиналните марки на минималния и максималния заряд. По този начин устройството, в което е вграден този източник живот на батерията, започва да получава невярна информация колко енергия всъщност остава. А това от своя страна води до неправилни изчисления на потреблението на енергия.

Това също обяснява защо можете напълно да „презаредите“ автомобил, задвижван с газ, за ​​няколко минути, докато обикновено зареждането на батериите на електрически автомобил отнема часове. Отново трябва да имате предвид, че тези недостатъци се балансират от други предимства, като икономията на гориво на електрическите превозни средства и относителната им липса на замърсяване на въздуха.

Снимка: Литиево-йонните батерии могат да се надуят като малки възглавнички, ако нямат средствата да отделят всякакви газове, които се образуват по време на зареждане. Ето две еднакви батерии от мобилен телефон, чийто връх е почти удвоен по ширина поради затворената Газа вътре.

Превантивното освобождаване от отговорност е предназначено да предотврати това. Когато това се случи, управляващата верига автоматично ще нулира минималната стойност на зареждане. Тук обаче има някои трикове. Например след пълно разрежданее необходимо да „закарате до очните ябълки“ източника на захранване, като го задържите още 12 часа. В допълнение към обикновената електрическа мрежа и кабели, не се нуждаем от нищо друго в този въпрос, за да зареждаме. Но работата на батерията след превантивно разреждане ще стане по-стабилна и можете веднага да го забележите.

Краткосрочно "възвръщане" на капацитета

Като оставим настрана превозните средства и разгледаме литиево-йонните батерии като цяло, какви са проблемите? Най-голямото безпокойство е безопасността: литиево-йонните батерии ще се запалят, ако са претоварени или ако вътрешна повреда причини късо съединение, и в двата случая батериите се нагряват в така нареченото „топлинно бягане“ или експлозия. Сега рисковете за безопасността на литиевите батерии са получили много внимание от медиите, особено когато са причинили пожари в електрически превозни средства или в самолети, но си струва да си припомним колко малко инциденти са били посочени, колко широко разпространена е технологията.

Трето правило

Ако не използвате батерията си, все пак трябва да следите нейното състояние. В същото време температурата в помещението, където го съхранявате, е за предпочитане да бъде не повече и не по-малко от 15 градуса. Ясно е, че не винаги е възможно да се постигне точно тази цифра, но все пак, колкото по-малко е отклонението от тази стойност, толкова по-добре. Трябва да се отбележи, че самата батерия трябва да се зарежда с 30-50 процента. Такива условия ще ви позволят да запазите източника на енергия без сериозни повреди за дълго време. Защо не трябва да е напълно зареден? Но тъй като батерията, „натъпкана до очните ябълки“, губи достатъчно поради физически процеси повечетонеговия капацитет. Ако се запази захранването за дълго времев разредено състояние става практически безполезен. И единственото място, където наистина е полезно, е кофата за боклук. Единственият начин, макар и малко вероятен, е да се обновят литиево-йонните батерии.

Други видове батерии също могат да се запалят и експлодират, ако прегреят, така че пожарът не е проблем, характерен само за литиево-йонната технология. Каква е разликата между литиевите батерии и литиево-йонните батерии? Има няколко важни разлики. Практическата разлика между литиевите батерии и литиево-йонните батерии е, че повечето литиеви батерии не могат да се зареждат, докато литиево-йонните батерии са акумулаторни. От химическа гледна точка, литиевите батерии използват литий в неговата чиста метална форма.

Четвърто правило

Литиево-йонна батерия, чиято цена е в диапазона от няколкостотин до няколко хиляди рубли, трябва да се зарежда само с оригинални устройства. Това се отнася в по-малка степен за мобилни устройства, защото адаптерите вече са включени в пакета им (ако ги закупите в официалния магазин). Но в този случай те само стабилизират подаваното напрежение, а зарядното устройство всъщност вече е вградено във вашето устройство. Което, между другото, не може да се каже за видеокамери и камери. Точно за това говорим, тук използването на устройства на трети страни при зареждане на батерии може да причини значителна вреда.

Литиево-йонните батерии използват литиеви съединения, които са много по-стабилни от елементарния литий, използван в литиевите батерии. Литиевите батерии не могат да се презареждат, докато литиево-йонните батерии са проектирани да се презареждат стотици пъти.

Функции, изпълнявани от контролера

Как трябва да изхвърляте литиево-йонните батерии? Литиево-йонните батерии, както всички акумулаторни батерии, могат да се рециклират и трябва да се рециклират. Те никога не трябва да се изгарят, тъй като могат да експлодират. Повечето места, където се продават акумулаторни батерии, също ги връщат за рециклиране.

Правило пето

Следете температурата. Литиево-йонните батерии могат да издържат на термичен стрес, но прегряването е пагубно за тях. И ниските температури за източник на енергия не са най-доброто, което може да бъде. Въпреки че най-голямата опасност идва именно от процеса на прегряване. Не забравяйте, че батерията не трябва да се излага на пряка слънчева светлина. Температурният диапазон и техните допустими стойности започват от -40 градуса и завършват при +50 градуса по Целзий.

Li-ion батерия

Цилиндрични елементи преди сглобяване (18650)

Характеристики

В зависимост от електрохимичната верига литиево-йонните батерии показват следните характеристики:

  • Напрежението на една клетка е 3,6 V.
  • Максимално напрежение 4,2 V, минимум 2,5-3,0 V. Зарядните поддържат напрежение в диапазона 4,05-4,2 V
  • Енергийна плътност : 110 … 230 W*h/kg
  • Вътрешно съпротивление: 5 … 15 mOhm/1Ah
  • Броят на циклите на зареждане / разреждане преди загубата на 20% капацитет: 1000-5000
  • Време за бързо зареждане: 15 мин - 1 час
  • Саморазреждане при стайна температура: 3% на месец
  • Ток на натоварване спрямо капацитет (C):
    • постоянна - до 65C, импулсна - до 500C
    • най-приемливо: до 1C
  • Работен температурен диапазон: -0 ... +60 °C (батериите не могат да се зареждат при ниски температури)

устройство

Литиево-йонната батерия се състои от електроди (катоден материал върху алуминиево фолио и аноден материал върху медно фолио), разделени от импрегнирани с електролит порести сепаратори. Пакетът от електроди се поставя в запечатан корпус, катодите и анодите са свързани към клемите на токоприемника. Корпусът има предпазен клапан, който освобождава вътрешното налягане, когато извънредни ситуациии нарушаване на условията на експлоатация. Литиево-йонните батерии се различават по вида на използвания катоден материал. Токовият носител в литиево-йонна батерия е положително зареден литиев йон, който има способността да се вмъква (интеркалира) в кристалната решетка на други материали (например в графит, метални оксиди и соли) с образуването на химикал връзка, например: в графит с образуването на LiC6, оксиди (LiMO 2) и соли (LiM R O N) на метали. Първоначално като отрицателни плочи се използва метален литий, след това въглищен кокс. По-късно започва да се използва графит. Доскоро като положителни пластини се използваха литиевите оксиди с кобалт или манган, но те все повече се заменят с литиев ферофосфат, който се оказа безопасен, евтин и нетоксичен и може да се изхвърля по екологичен начин. Литиево-йонните батерии се използват в комплект със система за мониторинг и контрол - SKU или BMS (battery management system) и специално зарядно/разрядно устройство. Понастоящем в масовото производство на литиево-йонни батерии се използват три класа катодни материали: - литиев кобалтат LiCoO 2 и твърди разтвори на базата на литиев никелат, изоструктурен към него - литиево-манганов шпинел LiMn 2 O 4 - литиев ферофосфат LiFePO 4 . Електрохимични вериги на литиево-йонни батерии: • литиево-кобалтов LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 • литиево-ферофосфат LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

Поради ниския саморазряд и Голям бройцикли заряд-разряд, литиево-йонните батерии са най-предпочитани за използване в алтернативната енергия. Освен това, в допълнение към BMS системата (SKU), те са оборудвани с инвертори (преобразуватели на напрежение).

Предимства

  • Висока енергийна плътност.
  • Нисък саморазряд.
  • Без мемори ефект.
  • Не се нуждае от поддръжка.

недостатъци

Литиево-йонните батерии от първо поколение бяха подложени на експлозивен ефект. Това се обяснява с факта, че са използвали анод от метален литий, върху който при множество цикли на зареждане/разреждане се появяват пространствени образувания (дендрити), водещи до късо съединение на електродите и в резултат на това пожар или експлозия . Този проблем най-накрая беше решен чрез замяна на анодния материал с графит. Подобни процеси възникнаха и на катодите на литиево-йонни батерии на базата на кобалтов оксид, когато условията на работа бяха нарушени (презаредени). Литиево-феро-фосфатните батерии са напълно лишени от тези недостатъци. В допълнение, всички съвременни литиево-йонни батерии са оборудвани с вграден електронна схема, което предотвратява презареждане и прегряване поради презареждане.

Литиево-йонните батерии с неконтролиран разряд може да имат по-късо кръговат на животав сравнение с други видове батерии. Когато са напълно разредени, литиево-йонните батерии губят способността си да се зареждат, когато са включени. зарядно напрежение. Този проблем може да бъде решен чрез прилагане на импулс с по-високо напрежение, но това се отразява негативно на по-нататъшните характеристики на литиево-йонните батерии. Максималният "живот" на литиево-йонна батерия се постига, когато зарядът е ограничен отгоре на ниво от 95%, а разрядът е 15–20%. Този режим на работа се поддържа от системата за мониторинг и контрол (SKU) BMS, която е включена във всяка литиево-йонна батерия.

Оптимални условия за съхранение на литиево-йонни батерии се постигат при зареждане на ниво 40-70% от капацитета на батерията и при температура около 5 °C. В същото време ниската температура е по-важен фактор за малки загуби на капацитет при дългосрочно съхранение. Средният срок на годност (експлоатационен живот) на литиево-йонна батерия е средно 36 месеца, въпреки че може да варира от 24 до 60 месеца.

Загуба на капацитет за съхранение:

температура с 40% заряд със 100% заряд
0⁰C 2% на година 6% годишно
25⁰C 4% годишно 20% годишно
40⁰C 15% годишно 35% годишно
60⁰C 25% годишно 40% за три месеца

Съгласно всички действащи разпоредби за съхранение и експлоатация на литиево-йонни батерии, за да се осигури дълготрайно съхранение, е необходимо те да се зареждат до ниво от 70% капацитет веднъж на всеки 6–9 месеца.

Вижте също

Бележки

Литература

  • Хрусталев Д. А. Акумулатори. М: Емералд, 2003.
  • Юрий ФилиповскиМобилна храна. Част 2. (RU). ComputerraLab (26 май 2009 г.). - Подробна статия за литиево-йонни батерии, извлечено на 26 май 2009 г.

Връзки

  • GOST 15596-82 Термини и определения.
  • ГОСТ 61960-2007
Препоръчваме за четене