Устройство и работа литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы пользуются заслуженной популярностью среди производителей и пользователей. Это связано в первую очередь с их надёжностью и лёгкостью производства. На их основе изготавливают ноутбучные аккумуляторные батареи, источники тока для мобильных телефонов и планшетов. Поэтому важно знать о том, как их эксплуатировать и где применять.

Появление первых Li-ion АКБ

История этих устройств началась в компании Sony, в начале девяностых годов прошлого века. Устройство литий-ионных аккумуляторов было предельно простым. Они состояли из двух контактов — алюминиевого и медного. Всё пространство между ними было разделено специальными стенками-сепараторами, внутри которых располагался электролит. В качестве него были использованы положительно заряженные ионы лития, которые стремились в направлении катода, при замыкании контакта клеммами устройства.

От менее совершенных источников питания с использованием в качестве электролита никеля такие батарейки отличались следующими характеристиками:

• Более стабильное исходящее напряжение.
• Низкий уровень пассивного разряда — когда к АКБ не подключено устройство, накопленный заряд не улетучивается так сильно, как в старых моделях.
• Высокая ёмкость. При одинаковых размерах она превосходила аналоги в несколько раз.
• Длинный жизненный цикл.

Всё это делало их незаменимыми для телефонов, фотоаппаратов и видеокамер того времени. Бурное развитие портативной электроники дало старт тем явлениям, которые наблюдаются и по сей день- например, поразительно быстрое развитие индустрии мобильных телефонов.

Они за 30 лет превратились из компактных «звонилок» в настоящие карманные компьютеры, опережающие некоторые стационарные компьютеры начального уровня по производительности.

Недостатки в конструкции

Вместе с этим, новые батарейки получили несколько критических недостатков, которые, впрочем, не сказались на их популярности и распространённости. Так, от перегрева они, как правило, воспламенялись или даже взрывались. Многие компании были вынуждены отзывать целые партии своих устройств из-за таких проблем. Для того чтобы противостоять этому, производителям пришлось вшивать прямо в аккумуляторы контроллеры заряда, которые управляли его уровнем и следили за температурой. При этом, по достижении пороговых значений, они могли просто отключить аппарат, чтобы дать ему остыть.

Другой неприятной особенностью стал эффект памяти. Его действие заключалось в том, что, по мере эксплуатации, батарея претерпевает множественные последовательные циклы неполного заряда и разряда. В результате, при активном использовании устройства, возникали проблемы с недостаточным временем работы.

Это связано с тем, что неполные заряды оставляют на катоде некоторое количество невысвобожденных частиц. Они имеют свойство накапливаться, при этом не влияя на показатели напряжения.

Чтобы преодолевать такие негативные последствия, производители давали несколько советов:

• Избегать заряжать аккумулятор вблизи нагревательных приборов. Тепло усугубляет эффект накапливания, так как при более высоких температурах скорость реакции увеличивается.
• Не давать батарее разряжаться полностью. Так на катодах, имеющих малую площадь сечения, не будет остаточных ионов, способных влиять на истинные показатели уровня заряда.

Близкая к комнатной температура считается наиболее приемлемой для литий-ионных батарей. Перегрев или переохлаждение вредят им практически одинаково. Например, пользователи гаджетов с алюминиевых корпусом некоторое время назад сетовали на то, что они сильно разряжаются на морозе. Степень ускорения этого процесса могла превышать величину в 50%. Для того чтобы это исправить, новые модели пытались выпускать с минимальными добавлениями в корпус металлов. В это время популярность приобрели поликарбонатные и стеклянные панели, которые обладали более низкой теплопроводимостью по сравнению с металлом.

Современные источники питания

Несмотря на долгую историю совершенствования и частичное вытеснение полимерными собратьями, литий-ионные аккумуляторные батареи популярны до сих пор. Они научились работать в высоком диапазоне температур, приобрели встроенные механизмы защиты от температурного влияния и стали использоваться практически повсюду. В результате самые современные модели могут похвастаться такими характеристиками:

• Рабочее напряжение — от 3,5 до 3,7 вольт. Существуют модели со значениями 4,2−4,3 вольт.
• Сопротивление внутренних электрических цепей — до 15 миллиом.
• Безопасное количество циклов заряда-разряда — 600−650.
• Работа при температурах от -20 до +60 по Цельсию.
• Энергоёмкость на единицу массы (килограмм) — 110−240 ватт-часов.

У всех современных моделей внутрь помещён контроллер заряда. Он препятствует превышению пределов накопления и напряжения заряда.

Стоит отметить, что более дешёвые аналоги оригинальных устройств, например, покупаемые с торговых площадок Китая, могут не иметь такого контроллера в своей конструкции.

Если используется несколько подключённых последовательно батарей в рамках одного большого аккумулятора, например, в современных power-банках, в устройство должна встраиваться схема балансировки каждой из имеющихся ячеек. Они выполняют шунтирование тех компонентов, которые уже достигли более высокого уровня заряда — так, чтобы они его больше не получали. Ток перенаправляется на другие, менее заряженные секции. Достигается не только предупреждение образования избыточных эффектов памяти на избранных компонентах: схемы с этим элементом имеют меньше шансов выйти из строя вследствие перегрева и вспухания.

Современные зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов преобразовывают самостоятельно полученный из розетки переменный ток в постоянный. Это делается с помощью встроенного в них трансформатора, который позволяет экономить место под него в самом устройстве. Такие зарядники способны выдавать до пяти вольт, доводя до контроллера внутри батареи порядка 4−4,2 В, что является достаточным для их нормального функционирования.

Этапы эксплуатации аккумулятора

Как и у каждого электронного устройства, источники питания имеют свой жизненный путь. Чтобы они служили как можно дольше без необходимости замены, нужно следовать правилам корректной эксплуатации на каждом из этапов. Их несколько:

• Первичный цикл заряда-разряда.
• Повседневная эксплуатация.
• Хранение.
• Утилизация.

При поступлении к пользователю аккумулятор стоит подвергнуть нескольким последовательным полным разрядам и зарядам. Так можно настроить контроллер внутри на оптимальные параметры и существенно продлить срок использования. Для этого нужно, не подзаряжая, полностью опустить уровень заряда к значению, близкому к нулю, а после его зарядить. Повторять такой процесс лучше не более трёх-четырёх раз. В последующих случаях батарее будет наноситься только вред.

При повседневной работе лучше не допускать снижения уровня ниже пятнадцати — двадцати процентов. Заряжая, не стоит оставлять устройство подключённым к сети на ночь. Тогда батарея находится под постоянным дежурным напряжением, что снижает время её жизненного цикла.

Использование некачественных зарядок тоже может сильно сократить срок жизни аккума. При их изготовлении применяются некачественные электротехнические материалы, что приводит к несоответствию указанных характеристик с реальными.

Например, если напряжение, выдаваемое зарядником, будет превышать норму хотя бы на 5%, неизбежна постепенная потеря ёмкости. То же касается и силы тока, который поступает на модули. Проверить эти параметры можно любым мультиметром. Для этого зарядное устройство вставляется в розетку, а к плюсовому и минусовому пинам на его конце прикладываются щупы измерительного прибора.

Измерительный прибор должен быть выставлен в режим до 20 вольт переключателем на корпусе. Если результат в пределах нормы, тогда тревожиться не стоит. В других ситуациях — например, когда при заявленных 5 вольт выдаётся 5,1−5,2, такое устройство лучше не использовать. От него у батареи неминуемо произойдёт деградация ёмкости.

Правильно определять полярность пинов на разъёме зарядника не требуется: даже если она будет перепутана, на экране просто высветится значение со знаком минус. Больше проблем может доставить именно их поиск. Для того чтобы безошибочно определить два пина, отвечающие за питание, нужно переключиться в режим «звонилки», то есть измерения сопротивления с сигналом при коротком замыкании. Нужно пройтись по всем пинам последовательно: пара, при которой мультиметр издаёт писк, и есть искомые контакты.

Хранение элементов

Если планируется оставить устройство на некоторое время, следует правильно его хранить. Для этого нужно периодически его подзаряжать. Таким образом, компенсируется тот саморазряд, который произошёл за время простоя. Оптимальным промежутком между такими операциями будет около 450−550 часов. Но правильнее всего следить за падением напряжения.

Необязательно постоянно проверять показатель, достаточно делать это раз в неделю. Принцип таков:

1. Соблюдая полярность, нужно приложить щупы к позитивному и негативному контактам. Мультиметр должен быть в режиме измерения напряжения до 20 вольт.
2. При результате в 4 и меньше вольт на экране, нужно подзарядить элемент.
3. Когда напряжение поднимается до 4,2−4,3 вольт, прекратить подачу питания.

За процессом нужно внимательно следить. Перезаряд для батареи на хранении опасен. Он может провоцировать осаждение ионов невалентного металлического лития. При этом растёт выделение кислорода, который заставляет корпус расширяться. Так и появляются «вспухшие» аккумуляторы.

Утилизация отработанных батарей

Такие источники питания ни в коем случае нельзя выбрасывать просто в мусорку. Они имеют свойство выделять токсичные соединения в почву, тем самым загрязняя её кобальтом, медью и литием.

Кроме того, в производстве задействованы некоторые химические элементы, которые в природе не возобновляются. Потому вторичная переработка таких аккумуляторов — способ не исключать их из природного фона.

На сегодняшний день, к сожалению, не существует эффективных способов переработки и вторичного использования этих элементов. Современные технологии для этого процесса настолько энергозатратны, что легче просто утилизировать отработанные модули.

Это делается в несколько этапов:

• Вскрытие в сухом и прохладном помещении.
• Удаление всей массы литийсодержащего электролита из корпуса.
• Разделение и растворение пластин.
• Переплавка цветных металлов, извлечённых из модуля.

После этого пластик, из которого состоит корпус, измельчается в специальных установках. Его можно использовать как недорогое вяжущее для производства асфальта вместо смолистого битума.

Правильной утилизации способствует практика установки специальных урн в салонах сотовой связи, куда можно выбросить отработанный аккумулятор. В дальнейшем все они сдаются на специальные предприятия.

Originally posted 2018-08-29 07:26:47.