Мобильность современных электронных устройств обеспечивает литий-ионный аккумулятор. Данный тип батареи одновременно сочетает компактные размеры, большую ёмкость при хорошей цене. Существует инновационный литий-полимерный элемент питания, обладающий лучшими показателями, но высокая себестоимость пока заставляет производителей в России смотреть в сторону Li-Ion аналога. Чтобы литионный АКБ прослужил несколько лет важно знать основные правила эксплуатации и зарядки, принцип работы.
Литий-ионные аккумуляторы отличаются большой емкостью при компактном размере корпуса.
Особенности производства литий-ионных АКБ
Устройство АКБ.
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов, разделённых сепараторами, куда залит электролит. Конструкция помещается в полностью герметичный корпус, исключающий доступ влаги, воздуха, катоды и аноды подключаются к токовыводам, через которые ток передаётся на устройство. На корпусе предусмотрен клапан, обеспечивающий стравливание чрезмерного давления, возникающего в результате резкого перепада температуры, нарушения правил эксплуатации.
Первые поколения литиевых аккумуляторов были подвержены взрывам. Поэтому долгое время использовались никель-кадмиевые батарейки, лишённые такой проблемы. Однако NiCd не способны обеспечить длительную автономность дейвайсов нового поколения, которые требуют от элемента питания одновременно и компактности и повышенной ёмкости, параметров тока, напряжения. Плотность энергии LiIon вдвое превышает NiCd.
В будущем за счет применения передовых активных материалов мощность будет дополнительно увеличена, они будут работать втрое дольше, чем ИП на базе устаревшей технологии.
Порядок для зарядки
В Li-ion комбинированный зарядка, она состоит из 2 циклов. Вначале идет непрерывно электрический ток до определенного значения в течение 40 мин., затем также поступает напряжение до 1.5 часов. В импульсном режиме накопитель заряжается быстрее.
Во время использования соблюдают ряд ограничительных условий:
- емкость аккумулятора в 2 раза меньше разрядного тока — при значении равном 2100 мАЧ, допускается ток в 4200 мА;
- нельзя отметку опускать ниже 2.3 вольт;
- перезаряд не должен быть больше напряжения 4.4 В.
Службу автономного режима продлевают подготовкой аккумуляторов к действиям. Его скорость и продолжительность обеспечивает контроллер с правильной калибровкой и модулем накопителя.
Он своевременно восстанавливает потерю энергии. Если производитель не установил этого элемента, АКБ создал из нескольких частей, а питающие компоненты во время разряда не сбалансированы, напряжение выровняется при полном заряде батареи. В литий-ионных устройствах балансир регулирует напряжение с током в отдельных сегментах.
Устройство и принцип работы АКБ
Ионно-литиевый аккумуляторный элемент питания состоит из положительных и отрицательных пластин. Катод создается из производных лития (при производстве используется несколько разновидностей)на алюминиевой фольге, анод выполнен из графита на медной фольге. Между пластинами устанавливается пористый сепаратор. Он пропитан электролитом, выполняющим роль проводника. Заряд переносится ионами лития, которые легко интегрируются в пористую решетку углерода, что вызывает хим. реакцию.
Вышеописанная схема сворачивается в рулон, помещается в герметичный корпус, выполненный из алюминия, стали, полимеров.
Аккумуляция, хранение, передача тока осуществляется по следующему принципу:
При подаче на электроды напряжения ионы лития отрываются от катода, переходят через сепаратор к графитовому аноду и встраиваются в его молекулярную структуру. В результате протекает реакция окисления, и аккумулятор заряжается. При подаче нагрузки ионы лития перемещаются обратно к катоду. Углеродистая пластинка на медной фольге становится «минусом», а производные лития на алюминии – «плюсом».
Принцип работы.
Допустимо ли заряжать Lithium-ion батареи при минусовой температуре?
Заряжать литиевые источники энергии на морозе категорически не рекомендуется. После того как накопитель поработал на минусовой температуре, его необходимо нагреть в помещении. Но, прогревать аппаратуру нужно естественным образом, постепенно. Не располагайте её вблизи источников тепла.
При какой температуре заряжать лучше всего? Оптимальным считается диапазон +10…+25 градусов. Если накопитель зарядить на морозе и занести в тёплое помещение, он окажется заряженным сверх нормы. Перезаряд в свою очередь, как и крайний разряд, пагубно сказывается на эффективности функционирования батареек и продолжительности их жизни.
Основные характеристики
Среди основных достоинств Li-Ion-аккумуляторов:
Плюсы и минусы АКБ.
- низкий саморазряд;
- повышенная ёмкость;
- большое напряжение.
- низкое сопротивление;
- практически отсутствует эффект памяти;
- 400-500 циклов заряда-разряда.
Среди негативных моментов:
- пожароопасность;
- необходимость установки контроллера;
- подверженность старению;
- невозможность использования при низких температурах.
Факторы воздействия
Когда ресурс батареи полностью вырабатывается, объем емкости снижается до положения равного техническим параметрам, элемент меняют. Уровень емкости источника энергии, установленный производителем при практическом использовании может уменьшаться или увеличиваться. Отклонения и служба зависят от правильного:
- хранения;
- ухода;
- температурных условий;
- зарядного режима;
- глубины разряда.
При соблюдении всех правил аккумулятор отработает минимум 7 лет или 1000 зарядно-разрядных циклов.
Области применения
Технология хранения энергии на базе литий-ионного АКБ используется несколько десятков лет, но так и не достигла пика реализации потенциала. Элементы питания имеют широкое распространение не только в быту, но и в промышленности. Например, литий-ионные АКЮ используются в автомобилях, самолётах, водных судах.
Корпорация «Боинг» постоянно дорабатывает технологии производства аккумуляторов, создавая типоразмеры, способные работать в расширенном диапазоне температур. Последняя инновация – изменение конструкции, снижение параметров генерации тепла.
Совершенствуется и зарядная система, в основном за счёт установки продвинутых контроллеров, способных определить, проверить текущие параметры подачи тока, ограничить их при необходимости. Таким образом, обеспечивается щадящий режим зарядки, исключается отказ АКБ, что критически важно в самолете. Как правило, новые технологии, применяемые в авиационной, космической отрасли, со временем экспортируются и в бытовые приборы, обеспечивая пользователей качественными, безопасными источниками питания.
Очередным мощным прорывом стало появление современных электромобилей, где законодателем является компания Тесла. Её инженеры создали сверхмощные литий-ионные аккумуляторы, обеспечивающие дальность хода до 500 км, что сравняло электрический транспорт и ДВС.
Литий-ионный аккумулятор Тесла.
В Норвегии эксплуатируются паромы, которые передвигаются за счёт электрических двигателей, запитанных от литий-ионных аккумуляторных батарей. Грузоподъёмность одного судна – 360 пассажиров и 120 автомобилей.
Ещё одна сфера применения аккумуляторов на литий-ионной технологии – вертолётостроение. Например, электровертолёт японской компании Hirobo берёт на борт одного пассажира, развивает скорость до 100 км/час. На полном заряде АКБ бесшумный двигатель, не выбрасывающий в атмосферу CO2, способен проработать более получаса.
Развитие технологии производства аккумуляторов продвигается в направлении увеличения ёмкости, повышения мощности, при одновременном уменьшении габаритов, себестоимости. Применение кремниевых нанопроводников вместо графита в анодах поможет снизить время зарядки до 15 минут при троекратном увеличении ёмкости.
Стандартные параметры
Все разновидности литиево-ионных АКБ имеют типичные характеристики, независящие от их состава и сферы использования. Они состоят в следующем:
- Общее время подзарядки устройства составляет от 2 до 4 часов.
- Количество циклов: разрядка/зарядка при достижении 20 процентов ёмкости батарейки колеблется от 500 до 1000.
- Напряжение минимальное варьируется от 2,2 до 2,5 В.
- Напряжение максимальное составляет от 4,25 до 4,35 В.
- При обычной комнатной температуре самостоятельный заряд устройства составляет около 7% в год.
- Температурный режим, в диапазоне которого батарея может исправно функционировать, колеблется в пределах от 20 до + 60 градусов.
Лучше всего заранее ознакомиться с техническими параметрами АКБ. Это поможет избежать ошибок в процессе использования литиево-ионной батареи и увеличит срок её эксплуатации.
Общие правила эксплуатации Li-Ion аккумуляторов
Чтобы вольт-амперные, другие характеристики не снижались, важно правильно эксплуатировать литий-ионный аккумулятор. Важна первая зарядка, позволяющая правильно распечатать законсервированный АКБ. Заряжать устройство следует после полной разрядки, повторить процедуру рекомендуется 2-3 раза. Таким образом, исключается «эффект памяти», аккумулятор будет использоваться на полную ёмкость, заявленную производителем.
Важно следить за температурным режимом, при котором эксплуатируется смартфон, ноутбук, другая портативная техника. Литий-ионный источник питания чувствителен как к повышенной температуре (он может воспламениться, взорваться), так и к пониженной (могут существенно ухудшиться потребительские свойства).
Зарядка
Зарядка АКБ в смартфоне.
Эксперты рекомендуют восполнять ёмкость АКБ, когда на экране появляется значение 30-50%. В блоке питания, входящем в комплект поставки, предусмотрен контроллер, который прекратит подачу тока, когда АКБ полностью заряжен. Это защищает аккумулятор от перегрева, но не гарантирует, что батарея не начнёт деградировать, если её забыть подключённой к сети на несколько дней.
Не следует заряжать аккумулятор, который недавно работал на предельных значениях. Если крышка устройства немного нагрелась, рекомендуется подождать 15-20 минут, только потом подключать зарядный блок к розетке.
Не рекомендуется использовать неоригинальный зарядный блок или самодельное устройство. Отсутствие, неправильная работа контроллера, зарядка некорректными значениями тока, чревата задымлением, возгоранием, взрывом.
Калибровка
Если пользователь заметил, что аккумулятор перестал работать, как раньше, рекомендуется выполнить калибровку. Процедура поможет снизить уровень саморазряда, падение ёмкости пластин, продлит общий срок жизни батарейки. В идеале калибровку необходимо делать каждые три месяца. Существует два варианта: ручная или программная. Но в любом случае процедура состоит из последовательного заряда-разряда аккумуляторной батареи, она повторяется 2-3 раза.
Такая схема действий восстанавливает нормальную работу контроллера, сбрасывает «эффект памяти». Если калибровка выполняется программным методом, пользователь дополнительно получает информацию о работоспособности аккумулятора, например, степень износа пластин.
Хранение
Литий-ионные аккумуляторы требуют особенных условий при хранении, особенно, если батарея не используется более полугода. При такой ситуации потребуется:
Температура хранения АКБ.
- Полностью зарядить аккумулятор.
- Снять его с устройства.
- Положить в сухое, прохладное место, где отсутствует возможность прямого контакта с солнечными лучами.
Оптимально, когда температура в помещении составляет 15-17 градусов. В таких условиях АКБ практически не подвергается саморазряду, сохраняет первоначальные эксплуатационные характеристики.
Нормальная температура хранения 15-17°С- при таких параметрах АКБ будет минимально саморазряжаться, сохранит потребительские свойства. Полную подзарядку аккумулятора необходимо повторять каждые 3-4 месяца.
Условия для сохранности
Существуют несколько простых правил, соблюдение которых способны увеличивать работоспособность Li-ion:
- батарея и устройство должны быть от оригинального производителя;
- полная зарядка выполняется сразу после покупки, изготовитель наполовину заряжает аккумулятор, чтобы не было потерь при транспортировке;
- работают с прибором в ограниченном температурном режиме, не повышая + 30 град., не опускаясь до – 20 град. нельзя его переохлаждать или перегревать.
- не допускают полной разрядки, используют устройство при 10% — 90% заполненного объема емкости;
- если предстоит надолго оставить батарею, её заряжают на 50%.
От хранения тоже зависит продолжительность службы. Просто так вынуть и положить на полку элемент нельзя, емкость будет сжиматься от длительных простоев. Только после показателя не ниже 40% зарядки, устройство плотно упаковывают и помещают в холодное место.
Утилизация
Эти аккумуляторные батареи имеют тяжёлые металлы и другие элементы, которые опасны для здоровья человека и животных, а также окружающей среды.
Поэтому литиевые АКБ обязательно нужно утилизировать и просто так их выкидывать нельзя. Отходы, которые содержатся в литиевых аккумуляторах можно отнести ко второму классу опасности. Кроме того, из-за наличия в своём составе активного лития, эти батареи не раз становились причиной пожара на свалках и пунктах складирования мусора.
К счастью, на сегодняшний день есть все необходимые технологии и оборудование для обезвреживания и утилизации Li─Ion и Li─Pol аккумуляторов. В общем виде процесс утилизации аккумуляторов включает в себя два основных этапа:
- Извлечение и нейтрализация электролита;
- Сортировка твёрдых веществ (металл, пластик) и их измельчение.
Чтобы иметь представление, можете прочитать про утилизацию автомобильных аккумуляторов. В России рынок переработки отходов в целом и утилизация литиевых аккумуляторов постепенно развивается. Сдавать свои литиевые батарейки можно в пунктах приёма таких отходов или своём управлении ЖКХ.
