Литий-ионные (li-ion) аккумуляторы: виды, типоразмеры, сфера применения

Использование литий-ионных АКБ

Есть две основные ошибки использования данного вида АКБ:

1. Не рекомендуется полностью разряжать литий-ионный аккумулятор. Хотя батареи такого типа и устойчивы к полному разряду, однако не стоит увлекаться этим действием чересчур. Особенно это губительно для аккумуляторов с источником бесперебойного питания и электродвигателями с большой мощностью. Если все же такая ситуация произошла, необходимо своевременно постараться подключить литий-ионную АКБ к ЗУ. «Завести» аккумулятор возможно и после продолжительного пребывания его в состоянии большого разряда. Для этого потребуется зарядить батарею не менее двенадцати часов, а затем разрядить по новой.
2. Перезарядка изделия портит его качество. При перезарядке литий-ионного аккумулятора нужно помнить, что это действие будет отражаться на свойствах изделия, причем не с положительной стороны. Если заряд батареи происходит в неотапливаемом помещении, то схема «контроллер» может не всегда сработать и обесточить батарею. Помимо этих двух ошибок, необходимо беречь литий-ионный аккумулятор от механических воздействий, разного рода ударов, в результате которых, может произойти разгерметизация корпуса изделия и произойти возгорание внутри него. Именно из-за этого такие изделия (в них чистого лития ˃ на 1 грамм) запрещено пересылать по почте.

Маркировка

Параметры литий-ионных аккумуляторных батарей нанесены на корпус изделия, при этом применяемая кодировка может существенно отличаться для разных типоразмеров. Единый для всех производителей стандарт маркировки АКБ пока не разработан, но самостоятельно разобраться с самыми важными параметрами все же возможно.

Буквы в строке маркировки указывают на тип элемента и использованные материалы: первая буква I означает литий-ионную технологию, следующая буква (C, M, F или N) уточняет химический состав, третья буква R означает, что элемент является перезаряжаемым (Rechargeable).

Цифры в названии типоразмера означают размер аккумулятора в миллиметрах: две первые цифры — диаметр, а две другие — длина. Например, 18650 указывает, что диаметр составляет 18 мм, а длина — 65 мм, 0 обозначает цилиндрический форм-фактор.

Последние в ряду буквы и цифры — специфическая для каждого производителя маркировка емкости. Для указания даты изготовления также не существует единых стандартов.

Какие основные виды аккумуляторных батареек существуют?

Как правильно выбрать аккумулятор для автомобиля?

Что такое внешний аккумулятор для телефона и какой лучше выбрать?

Какие существуют виды источников электрического тока?

В чём и как измеряется емкость аккумулятора?

Как выбрать зарядное устройство для автомобильного аккумулятора

Производство литий ионных аккумуляторов на примере завода батарей

На российских промышленных заводах каждый день производят 3 миллиона этих устройств. Краткий процесс изготовления батарей состоит из четырех шагов:

1. Изготовление электродов.
2. Их соединение в батарею, комплектовка защитной пленкой.
3. Упаковка в наружную оболочку, пропитка электролитом.
4. Контроль качества, тестирование, заряд.

Устройство аккумулятора

Порядок изготовления:

Медная фольга выступает в роли анода, предварительно на нее наносится тонкий слой графита. Алюминиевая фольга с прослойкой лития служит в роли катода. Основные составляющие батарейки: корпус, в котором они размещаются, катод, анод, бумажный разделитель, помещенный между катодом и анодом, чтобы они не соприкасались. Катод – первое, что помещают в батарею, он состоит из диоксида марганца и графита. Рабочие загружают мешки этих материалов массой 1800 тонн на платформы.

• Гидравлический механизм вытряхивает из мешков все песчинки катода до последнего в емкости. Затем материал проходит через трубы и попадает в зону смешивания. Компьютерная программа управляет клапанами, чтобы засыпать нужное количество порошка будущего катода. Графит при перемешивании в аппарате создает много пыли, так как он весит легче воздуха. Образовавшаяся катодная смесь (графит диоксид марганца) идет по конвейеру в зону катодного пресса. Здесь формировочная машина вдавливает порошок в круглые, пустые паллеты.
• Корпусы из никелированной стали, сделанные на другом заводе, поступают с другой стороны. Они движутся в ряд по конвейерам, пока не встретятся с катодными паллетами. Механическое устройство заталкивает по три паллета в каждый корпус. После установки катодов эти трубочки попадают на магнитный конвейер и перемещаются на линию Д. Затем нужно бумажный цилиндр поместить внутрь катода, в противном случае при использовании готовой батарейки возникнет замыкание. Бумага будет разделять анод и катод. На дно батареи тоже стелется кусочек бумаги, визуально получается бумажный стакан. Бумага служит физическим барьером между положительно и отрицательно заряженными ионами, чтобы они не контактировали друг с другом при включении в какой-либо прибор.
• Перед заполнением анода предварительно в бумажный стакан нужно внести несколько капель гидроксида лития или калия. Он является электролитом, то есть проводит в аккумуляторе электричество. Подождать 15 минут, чтобы хорошенько вещество впиталось в бумагу. После заполнения анодом батарейки идут на изготовление токоснимателя. Токосниматель представляет собой гвоздь, приваренный к стальной шляпке батарейки. Когда батарея присоединяется к проводнику (устройство представляет собой «гвоздь»), литий ионный аккумулятор накапливает в аноде электроны и отправляет их через это же устройство обратно в положительную часть батарейки. Электроны, протекающие через ножку гвоздя, позволяют батарее бесперебойно работать.

Токосниматель находится на дне батарейки

• Латунная проволока с жестяным покрытием отправляется в осадочную машину. Лезвие, находящееся внутри нее, нарезает проволоку на кусочки по 3 см. Затем холодноосадочный автомат делает в конце каждого кусочка шляпку. Готовые гвозди высыпаются на другом конце трубы. А затем попадают на конвейер, он же сбрасывает их в роторный вибратор. Гвозди отправляются на конвейер по сборке токоснимателей. Здесь они двигаются в ряд, чтобы воссоединиться с головками. Автоматический сварщик приваривает головки гвоздей. И магнитный конвейер засасывает готовые детали. Отправляет их на линию сборки Д.
• Тестирование. Каждый аккумулятор проходит через роторный прибор, который проверяет напряжение и силу тока. Батарейки, которые не прошли проверку, сдуваются потоком воздуха. Механический распределитель помещается в коробку, идет дальше на выдержку. Им надо немного постоять, чтобы вещества осели. Точное время выдержки регламентируется заводом-изготовителем. Стальной пресс печатает шляпки для положительного конца батареи, которые затем приварят к батарейке. Шляпки делаются из магнитной стали весов 1800 тонн килограммов. Сталь попадает в пресс.
• Этикетка. Наклейки изолируют проводящую поверхность батарейки, чтобы никакое прикосновение не могло ее сократить.
• Заводская лаборатория проверяет аккумуляторы на протекание, ускоряя старение за счет печки в другой части завода. Все батареи проходят три вида условий контроля: высокая температура, влажность и проверка температурным циклом, при которой температура с высокой меняется на низкую до минус 29 градусов. Проверка выполняется ежедневно.

Таблица характеристик батареек 18650 (емкость+ток)

Проблема в том, что большинство аналогов вообще не заморачиваются с вышеприведенными стандартами.

Они закупают голые элементы у заводов изготовителей, одевают в термоусадку, на которую наносят свои названия и собственный шифр.

Истинные значения можно увидеть только на металлическом корпусе элемента, содрав защитную оболочку.

Сводная таблица по всем ведущим маркам 18650 от LG, Samsung, Panasonic, Sanyo и Sony/Murata с указание емкости и максимального тока (+ высокотоковые модели) приведена ниже (нажмите на название марки, чтобы просмотреть все данные):

Высокотоковые LG 18650Градация по цветам

Высокотоковые Samsung 18650

Высокотоковые Sony / Murata 18650

Как восстановить литиевой накопитель

Срок службы литиевой батареи достаточно длителен, но рано или поздно она теряет первоначальную емкость. Поэтому многие озадачились вопросом восстановления аккумулятора.

Рассмотрим два способа восстановления накопителя.

Первый способ кажется сомнительным, но является самым простым и, со слов умельцев, часто срабатывает. Необходимо:

1. поместить источник питания в морозилку на 30-40 минут
2. после извлечения сразу поставить заряжаться на несколько минут
3. затем оставить для выравнивания температуры до комнатной
4. и только потом продолжить заряжать.

Контроллер часто прекращает блокировать работу элемента.

Второй способ стоит попробовать если стандартная зарядка и мероприятия с морозильной камерой не помогли. Суть метода заключается в отсоединении защитной платы согласно следующему порядку действий:

1. тестером измерьте напряжение АКБ (при нулевых показателях можете продолжать)
2. аккуратно отключите плату защиты
3. повторно измерьте напряжение (должно увеличиться максимум до 2,5В)
4. подключите к зарядке (с возможностью регулирования тока) и установите параметры тока 100 мА и напряжения 4,2В продолжительностью 10-15 минут
5. обязательно контролируйте напряжение (не должно подниматься выше 3,2В), при нагревании элемента срочно прекратите зарядку
6. после достижения необходимых показателей тока и напряжения верните плату на прежнее место и заряжайте при обычном режиме.

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) — такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Очень стабильное напряжение разрядки
• Более чем 10-ти летний срок хранения
• Рабочая температура: -40 до +60°С

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

   Вовремя отключайте зарядное устройство

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Наиболее распространённые типы литий-ионных аккумуляторов

Преимущества и недостатки наиболее распространённых типов Li-Ion в относительном представлении (многое зависит от форм-фактора, добавок и конкретной ситуации).

Разделение на типы и маркировка обычно выбирается по катоду. Реже по аноду. Ещё реже по электролиту.

LCO | Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2

Наиболее распространённый тип Li-Ion благодаря отличным характеристикам ёмкости (самая высокая энергоёмкость после NCA), мощности и цены. В LCO хуже, чем в других системах: безопасность (требуется хорошая защита и контроль заряда-разряда) и долговечность (но её обычно хватает на цикл жизни одной модели потребительского устройства, такого как смартфон или ноутбук). Из-за дефицита кобальта ячейкам LCO стремительно ищут замену.

LFP | Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePo4

Лучшие стороны — безопасность, высокие токи нагрузки и долговечность. В жертву идёт цена и ёмкость. Катоды LFP отличаются по содержанию углерода и удельной поверхности: одни лучше себя показывают при низких температурах (например, электробусы), а другие обеспечивают лучшие показатели по устойчивому сопротивлению и стабильности в высокотемпературных режимах (например, те же источники бесперебойного питания и системы хранения энергии).

NMC | Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные с катодом LiNiMnCoO2

Наиболее сбалансированный по характеристикам материал с относительно высокой ёмкостью (примерно, как у LCO без графита на аноде) и уравновешенными свойствами безопасности, мощности, стоимости и долговечности. Наиболее распространённая формула катодного материала: 33% никеля + 33% марганца + 33% кобальта (или 1:1:1). В маркировке может добавляться трёхзначная цифра, обозначающая как раз это соотношение (например, NMC 333 или NMC 811).

NCA | Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные с катодом LiNiCoAlO2

Литий-ионные аккумуляторы с маркировкой NCA особенно востребованы в электротранспорте из-за лучшего сочетания характеристик энергоёмкости (лучше всех в Li-Ion) и долговечности. Основной недостаток — высокая цена. Также бОльших усилий относительно других электрохимических систем требует контроль заряда, разряда, температуры.

LMO | Литий-марганцево-оксидные с катодами LiMn2O4 и Li2MnO3

Литий-марганцевая шпинель на катоде LMO обеспечивает литий-ионному аккумулятору высокую термическую стабильность, сравнительно высокую ёмкость и низкую себестоимость. Подвержен быстрому старению и разрушению при перегреве выше 60°C. На исправление недостатков направлены усилия по усовершенствованию гетероструктуры, чтобы предотвратить воздействие высокоактивного электролита на катод при эксплуатации и в моменты нагрева.

LTO | Литий-титанат-оксидные с анодом Li4Ti5O12

При безупречных характеристиках безопасности, долговечности, температурной стойкости (эффективнее других в морозы -30°C) и при высоком токе разряда (в десять раз превышает его ёмкость, то есть «10C»), быстрой зарядке, напряжении всего ~1,8-2,8В литий-титанат невероятно дорогой и обладает относительно невысокой ёмкостью. Считается многообещающей и перспективной технологией с точки зрения скорости усовершенствования производственных линий (удешевление продукции) и улучшения электрохимических процессов (увеличение ёмкости). Используется сейчас в основном в силовых агрегатах (например, электропоезда, водный и спецтранспорт) и в энергонакопителях (аккумуляция энергии от возобновляемых источников и аварийное питание).

Следует сказать, что на этих электрохимических системах разновидности аккумуляторов и маркировки Li-Ion не заканчиваются. Каждый год появляются новые типы катодов и анодов, разрабатываются добавки в целях улучшения характеристик технологии.

Основное препятствие на пути к массовому распространению и коммерциализации инновационных литий-ионных элементов — дороговизна производства чего-то «необкатанного». Ещё осложняет внедрение усовершенствованных катодов отсутствие заметного прогресса в электролитах (очень часто многообещающие изобретения откладывают до лучших времён, когда появится подходящий электролитический материал).

Как подобрать под свою модель мода?

Разновидностей аккумуляторов достаточно много. Каждый из них имеет свои особенности, плюсы, минусы

Есть определенные проверенные модели АКБ, на которые стоит обратить внимание. При выборе устройства необходимо отталкиваться от определенных параметров. Параметры аккумуляторов:

Параметры аккумуляторов:

• Емкость батареи;
• Защитные элементы в комплектации;
• Максимальный ток, возникающий при эксплуатации;
• Максимальные параметры работы при продолжительной эксплуатации.

Для модов защитные функции не имеют значения. Для электронных сигарет подойдут и незащищенные устройства. Остальные параметры обязательно нужно учитывать при выборе батареи. Для измерения емкости используют миллиамперы. Максимальные показатели для 18650 составляют 3000 мАч. Но если производитель непроверенные, то такие данные поддаются сомнению.

Бокс моды на один аккумулятор требуют высокотоковых устройств. Другие батареи просто не будут функционировать. Прогрессивный прибор предупредит об этом надписью «battery weak» и отключится. Глупое устройство продолжит работу, что приведет к поломкам, а в критических ситуациях – к взрывам.

Пиковый ток должен быть не меньше 60А. Чем выше этот показатель, тем лучше. Максимальный ток при продолжительной работе 25A

Важно запомнить эту информацию и обязательно следовать ей

Для пикового тока разрешаются высокие показатели. Нагрузка при этом составляет всего несколько секунд, затем наступает большая пауза. Если каждое использование электронной сигареты будет пиковым, то можно испортить устройство и батарею. Нельзя активно использовать аккумулятор на максимальном токе.

Применение

Используют титанатные АКБ не только в электротранспорте в качестве основного источника энергии, но и в бензиновых автомобилях как замену обычному аккумулятору для стартера, освещения и автозвука.

Имеется значительный спрос на технологию и в сферах кораблестроения, авиастроения.

Применяют такие элементы питания также и в устройствах, для которых важна как бесперебойность работы, так и высокая степень автономности или мобильности: в светофорах, в телекоммуникационном и связном оборудовании, в резервных цепях питания.

Еще одна область применения – организация освещения в сочетании с солнечными батареями. Таким способом возможно обеспечить электроэнергией как улицу, так и внутренние помещения.

Постепенно литий-титанатные накопители проникают и в бытовые устройства: нередки теперь оснащенные ими телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты, видеокамеры, мобильное медицинское оборудование и даже велосипеды.

Устройство и принцип действия литий-ионного аккумулятора

Сегодня одним из наиболее перспективных типов аккумуляторов является литий ионный аккумулятор. В этих аккумуляторах в качестве отрицательного электрода (катода) выступает алюминий, а в качестве положительного электрода (анода) – медь. Электроды могут иметь различную форму, как правило, это фольга в форме цилиндра или продолговатого пакета.

На алюминиевую фольгу наносят катодный материал, которым чаще всего может быть один из трех:

а на медную фольгу наносят графит.

Литий-феррофосфат LiFePO4 является единственным, на данный момент, безопасным катодным материалом с точки зрения опасности взрыва и экологичности в целом.

   Литий-феррофосфат LiFePO4

Полимерные электролиты, способные внедрять в свой состав соли лития, в силу своей пластичности делают возможным изготовление литий-ионных аккумуляторов с большой внутренней поверхностью и почти любой формы, а это значительно повышает как технологичность производства, так и массогабаритные характеристики.

В процессе заряда такого аккумулятора, ионы лития перемещаются через электролит, и внедряются в кристаллическую решетку графита на аноде, образуя соединение графитит лития LiC6. При разряде происходит обратный процесс – от анода ионы лития движутся к катоду (окислителю), а во внешней цепи к катоду движутся электроны, в результате процесс приобретает электрическую нейтральность.

   Устройство и принцип действия литий-ионного аккумулятора

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,6 вольта, однако разность потенциалов при зарядке может достигать 4,23 вольта. В связи с этим фактом, заряд производится при максимально допустимом напряжении не более 4,2 вольта.

Некоторые соединения лития могут легко возгораться, если напряжение превышено, поэтому в литий-ионные аккумуляторы, традиционно, встраиваются контроллеры уровня заряда, не допускающие превышения критического напряжения. Еще одним способом обеспечения безопасности является встроенный клапан для сбрасывания избыточного давления внутри пакета.

Литий ионные аккумуляторы уже заняли свое достойное место на рынке портативной бытовой техники. Это элементы питания сотовых телефонов, фотоаппаратов, видеокамер, планшетов, плееров, и т.д.

   Литий ионные аккумуляторы

Литий-феррофосфат LiFePO4 считается самым перспективным катодным материалом в силу своей экологичности. Кобальтат лития LiCoO2, в свою очередь, ядовит и экологически вреден, а у аккумуляторов на его основе лишь 50% ионов можно извлечь из структуры соединения, ведь если из него извлечь литий полностью, то структура станет нестабильной, кобальт перейдет в степень окисления +4 и сможет окислить кислород, а выделяющийся атомарный кислород станет окислять электролит, и произойдет взрыв. Аккумуляторы с повышенной емкостью (на основе LiCoO2) крайне взрывоопасны.

Литий-феррофосфат LiFePO4 был предложен в качестве катодного материала аккумуляторов для более мощных устройств в 1997 году Джоном Гуденафом.

Литий-феррофосфат есть в земной коре, и не создаст никаких экологических проблем в будущем. Из него не может выделяться кислород, так как он весь очень прочно связан фосфором с образованием устойчивого фосфат-иона. Однако, для возможности применения этого материала, его нужно было раздробить на мелкие частички, иначе он остался бы изолятором в силу очень малой проводимости. Частички сделали пластинчатыми с малыми размерами вдоль направления движения ионов лития, затем покрыли нанометровым слоем углерода.

   Литий ионный аккумулятор для автомобиля

Такие наночастицы LiFePO4 способны заряжаться за 10 минут, а если еще модифицировать покрытие, то время заряда сократится до 1-3 минут. В перспективе, именно этот материал сможет обеспечить питание электромобилей в течение 10 лет. Уже сейчас технологически возможен цикл зарядки-разрядки за 5-10 минут при полной безопасности.

С точки зрения современной науки, разработка и выпуск даже портативного наноаккумулятора не заставит себя долго ждать, и слово лишь за широким технологическим внедрением разработок. Что касается перспектив электромобилей, то сейчас уже можно считать, что именно они станут основным видом транспорта в городах ближайшего будущего.

Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?

Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.

Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.

Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора — это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:

Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.

Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.

Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:

U_r = 5 — 2.8 = 2.2 Вольта

Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.

Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.

Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:

R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом

Мощность рассеивания резистора:

P_r = I2R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт

В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:

I_зар = (U_ип — 4.2) / R = (5 — 4.2) / 2.2 = 0.3 А

Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).

Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение — электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.

Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).

Зарядка при помощи лабораторного блока питания

Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).

Все, что нужно сделать для зарядки li-ion — это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.

Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.

Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.

Как видите, лабораторный БП — практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.

Применение аккумуляторов Li-ION

В преимуществе выступает значительно небольшой вес АКБ. А значит, и применение свинцовых решеток такому устройству не потребуется.

Тщательно изучив, все (+) и (-) стороны работы литий-ионных аккумуляторов, рассмотрим область их применения:

1. В стартерных батарейках. Аккумуляторы li-Ion с большой скоростью дешевеют. Все это происходит от того, что на рынке с каждым днем выпускаются более совершенные АКБ. Они-то и являются главным источником снижения в цене их предшественников. Стоимость новинок обычно высокая, ( что сильно бьет по карману любителей поездок с ветерком). Основным пробелом литий-ионных аккумуляторов является падение мощности при t˂20, в результате чего использование их в районах Крайнего Севера становится непрактичным.
2. Для аппаратов тяги. Литий-ионным аккумуляторам свойственно переносить разряд глубокого действия, поэтому эксплуатация их в качестве источника тяги для электромотора в лодке будет уместным. При небольшой мощности двигателя одного заряда такой АКБ хватит не менее чем на шесть часов рыбалки (либо простого лодочного путешествия). Li-ION-ные аккумуляторы применяют для погрузочной техники, которая используется в закрытом пространстве (например, для электроштабелеров, электропогрузчиков).
3. Для оборудования, используемого в быту. Многие бытовые устройства вместо традиционных батареек применяют литий-ионные. У таких АКБ U=3,6 Вольт (3,7 Вольт). Однако, встречаются и такие, которые могут с легкостью заменить даже солевую либо щелочную батарейку с U=1,5 Вольт.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

А теперь перейдём непосредственно к особенностям зарядки литийионных аккумуляторов. Начнём с единичных элементов. Как мы выяснили, напряжение на полностью заряженном аккумуляторе составляет 4,15–4,2 В, на полностью разряженном — 2,5–2,8 В. Но, кроме напряжения, нужно знать и зарядный ток. Каким током, к примеру, заряжать Li-ion аккумулятор 18650?

В отличие от других типов аккумуляторов литиевые источники могут заряжаться достаточно высоким током, достигающим 1 С (C — ёмкость элемента). Но оптимальным принято значение, не превышающее 0,5 С. Получается, что оптимальный ток заряда для элемента 18650 будет составлять от трети до половины его ёмкости. Значение же ёмкости аккумулятора можно прочесть в сопроводительной документации или прямо на корпусе прибора.

Но существует и ещё один, более правильный, многоступенчатый метод, который используется в подавляющем большинстве более-менее качественных мобильных гаджетов и зарядных устройств. Если мы хотим, чтобы наша литийионная батарея «жила» долго и счастливо, лучше применить способ многоступенчатой зарядки.

Многоступенчатая зарядка

Метод состоит из трёх этапов:

1. После подключения зарядного устройства контроллер измеряет напряжение на батарее. Если оно ниже 2,5 В, то производится зарядка малым (около 0,02–0,1 С) током до тех пор, пока напряжение не поднимется до 2,8 В. Если оно изначально было выше, этап пропускается.
2. Зарядный ток увеличивается до значения 0,5 С (нормальный заряд) или 1 С (ускоренный заряд). Как только напряжение на элементе повышается до 4,1–4,2 В, этап заканчивается.
3. На элементе устанавливается стабильное напряжение 4,15–4,25 В, подзарядка производится небольшим током. Как только значение тока уменьшается до 0,05 С, этап заканчивается, аккумулятор заряжен.

Можно ли таким же образом зарядить аккумулятор со встроенным контроллером защиты PCB? Вполне, но перед тем, как начать зарядку, нужно убедиться, что напряжение холостого хода зарядного устройства (измеряется при отключенном аккумуляторе) не превышает 6–7 В. В противном случае при срабатывании защиты от перезаряда на модуле PCB установится критически высокое напряжение, которое выведет из строя его силовые ключи.

И пару слов о последовательной сборке на 12 В. Можно ли её как-то зарядить своими силами? В принципе, можно и не одним методом.

1. Используем модуль BMS на соответствующее количество ячеек (см. выше).
2. Рассоединяем батарею и заряжаем каждый аккумулятор отдельно.
3. Рассоединяем батарею и собираем из аккумуляторов другую, соединив все элементы параллельно. Заряжаем полученную батарею обычным образом, учитывая, что её полная ёмкость будет равняться сумме ёмкостей всех аккумуляторов.

Все этапы заряда литийионного аккумулятора (включая предзаряд) схематично изображены на этом графике:

Заключение

Li-ion аккумуляторы считают оптимальными в плане электрохимических показателей источниками питания для устройств разных категорий. За счет сравнительно небольшой массы и значительной удельной емкости именно их устанавливают в мобильных устройствах.

Благодаря активному развитию научной и технической мысли, Li-ion аккумуляторы были избавлены от их главных недостатков – стабильность работы стала лучше, разрядные токи нормализовались. Именно за счет этого элементы питания вытеснили АКБ Ni-MH и Ni-Cd типов.

В будущем планируется повышение эффективности аккумуляторов минимум в 2 раза. Ведутся активные инженерные работы, направленные на совершенствование технических параметров устройств.

Так появились Li-polymer элементы, еще более надежные и емкие, чем Li-ion. В 2014-м французские ученые разработали Na-ion элементы – наиболее эффективные из всех. Пока что они дорабатываются и тестируются.