Ключовим елементом мобільності електронних пристроїв є акумуляторна батарея (АКБ). Зростаючі вимоги до забезпечення найбільш тривалої їхньої автономності стимулюють постійні дослідження в цій галузі та ведуть до появи нових технологічних рішень.

Широко застосовуваним нікель-кадмієвим (Ni-Cd) і нікель-металогідридним (Ni-MH) батареям з'явилася альтернатива - спочатку літієві акумулятори, а потім досконаліші літій-іонні (Li-ion) АКБ.

Історія появи

Перші подібні акумулятори з'явилися ще в 70-ті роки. минулого століття. Вони одразу набули затребуваності завдяки більш досконалим характеристикам. Анод елементів був виготовлений із металевого літію, властивості якого дозволили підвищити питому енергію. Так з'явилися літієві акумулятори.

У нових батарей був вагомий недолік - підвищена небезпека вибуху та займання. Причина крилася в освіті на поверхні електродів літієвої плівки, що призводила до порушення температурної стабільності. У момент максимального навантаження батарея могла вибухнути.

Доопрацювання технології призвело до відмови від чистого літію в компонентах АКБ на користь використання його позитивно заряджених іонів. Літій-іонний акумулятор виявився вдалим рішенням.

Даному типу іонних акумуляторів властива більш висока безпека, отримана за рахунок невеликого зниження енергетичної щільності, але постійний технологічний прогрес дозволив звести програш за цим показником до мінімуму.

Пристрій

Впровадження літій-іонних акумуляторів у виробництво побутової електроніки отримало прорив після розробки батареї з катодом із вуглецевого матеріалу (графіту) та анодом із оксиду кобальту.

У процесі розряду батареї відбувається виведення іонів літію з матеріалу катода та їх включення до оксиду кобальту протилежного електрода, при зарядці процес протікає у зворотному напрямку. Таким чином, електричний струм утворюють іони літію, переміщаючись від одного електрода до іншого.

Li-Ion акумулятори виробляються у циліндричному та призматичному виконанні. У циліндричній конструкції дві стрічки плоских електродів, розділених просоченим електролітом матеріалом, згорнуті в рулон і поміщені в металевий герметичний корпус. Катодний матеріал нанесений на алюмінієву фольгу, анодний на мідну фольгу.

Призматичну конструкцію акумулятора одержують при укладанні прямокутних пластин одна на одну. Така форма батареї дає можливість зробити компонування електронного пристрою щільнішим. Також випускаються призматичні АКБ із рулонними електродами, скрученими у спіраль.

Експлуатація та термін служби

Довга, повноцінна та безпечна робота літій-іонних акумуляторів можлива за дотримання правил експлуатації, нехтування ними не тільки скоротить термін служби виробу, але може призвести до негативних наслідків.

Експлуатація

Ключова вимога до експлуатації Li-Ion батарей стосується температури – не можна допускати перегрівання. Висока температура здатна завдати максимальної шкоди, причому причиною перегріву може бути як зовнішнє джерело, так і стресові режими заряду та розряду батареї.

Наприклад, нагрівання до 45°C призводить до зниження здатності утримання заряду АКБ у 2 рази. Така температура легко досягається при довгому перебування пристрою на сонці або під час роботи енергетично витратних додатків.

При перегріванні виробу рекомендується помістити його в прохолодне місце, краще при цьому вимкнути та вийняти батарею.

Для найкращого збереження працездатності АКБ в умовах літньої спеки варто використовувати енергозберігаючий режим, який є на більшості мобільних пристроїв.

Низькі температури теж негативно діють на іонні акумулятори, при температурі нижче -4 ° C батарея не може віддавати повну потужність.

Але холод не такий шкідливий для Li-Ion батарей, як висока температура, і найчастіше не призводить до незворотних збитків. Незважаючи на те, що після прогріву до кімнатної температури робочі властивості АКБ повністю відновлюються, про зниження ємності на холоді не варто забувати.

Ще одна рекомендація з експлуатації Li-Ion акумуляторів - не допускати їх глибокої розрядки. Багато АКБ попередніх поколінь мали ефект пам'яті, який вимагав розрядки до нуля з наступною повною зарядкою. Li-Ion батареї позбавлені такого ефекту, при цьому поодинокі випадки повної розрядки не призводять до негативних наслідків, але постійна глибока розрядка шкідлива. Рекомендується підключати зарядний пристрій за рівня заряджання 30%.

Строк служби

Неправильна експлуатація Li-Ion акумуляторів здатна скоротити термін їхньої служби в 10-12 разів. Цей термін залежить від кількості зарядних циклів. Вважається, що АКБ типу Li-Ion можуть витримувати від 500 до 1000 циклів з урахуванням повної розрядки. Вищий відсоток заряду, що залишається, перед початком наступної зарядки істотно збільшує термін служби АКБ.

Оскільки тривалість збереження працездатності Li-Ion акумуляторів значною мірою визначається умовами експлуатації, неможливо назвати точний термін служби цих батарей. В середньому можна очікувати, що батарея такого типу прослужить 7-10 років при дотриманні необхідних правил.

Процес заряджання

Під час заряджання слід уникати надмірно тривалого підключення АКБ до зарядного пристрою. Нормальне функціонування літій-іонного акумулятора проходить при напрузі, що не перевищує 3,6 В. Зарядні пристрої в процесі зарядки подають на вхід АКБ 4,2 В. Якщо перевищити час заряду, в акумуляторі можуть початися небажані електрохімічні реакції, які спричинять перегрів усіма наслідками.

Розробники врахували таку особливість - безпека заряду сучасних Li-Ion батарей контролюється спеціальним вбудованим пристроєм, що зупиняє процес заряджання при збільшенні напруги вище за допустимий рівень.

Для літієвих АКБ правильним є двоступінчастий спосіб заряду. На першому етапі батарею потрібно заряджати, забезпечуючи постійний зарядний струм, другий етап повинен проходити із забезпеченням постійної напруги та поступовим зниженням зарядного струму. Такий алгоритм апаратно реалізовано у більшості побутових зарядних пристроїв.

Зберігання та утилізація

Літій-іонний акумулятор може зберігатися досить довго, саморозряд становить 10-20% на рік. Але при цьому відбувається поступове зниження характеристик виробу (деградація).

Зберігати такі АКБ рекомендується у захищеному від вологи місці, при температурі +5…+25°С. Неприпустимі сильні вібрації, удари та сусідство з відкритим полум'ям.

Процес утилізації літій-іонних елементів повинен проводитись на спеціалізованих підприємствах, які мають відповідну ліцензію. Близько 80% матеріалів утилізованих АКБ можна використовувати повторно у виробництві нових батарей.

Безпека

Літій-іонний акумулятор навіть мініатюрних розмірів таїть у собі ризики вибухового самозаймання. Така особливість цього типу АКБ вимагає дотримання заходів безпеки на всіх етапах, від розробки до виробництва та зберігання.

Для підвищення безпеки Li-Ion акумуляторів при виготовленні в їх корпус поміщають невелику електронну плату - систему контролю та управління, яка покликана унеможливити перевантаження та перегрів. Електронний механізм збільшує опір ланцюга при зростанні температури вище заданої межі. Деякі моделі батарей мають вбудований механічний вимикач, що розриває ланцюг у разі зростання тиску всередині АКБ.

Також у корпусах батарей часто встановлюють запобіжний клапан, що скидає тиск в екстрених випадках.

Плюси та мінуси літієвих акумуляторів

 

Перевагами цього типу батарей є:

• висока енергетична густина;
• відсутність ефекту пам'яті;
• тривалий термін експлуатації;
• низький показник саморозряду;
• відсутність потреби обслуговування;
• забезпечення постійних робочих властивостей щодо широкому діапазоні температур.

Має літієвий акумулятор і недоліки, це:

• ризик самозаймання;
• більш висока, ніж у попередників, ціна;
• необхідність наявності вбудованого контролера;
• небажаність глибокого розряду.

Технології виробництва Li-Ion акумуляторів безперервно вдосконалюються, багато недоліків поступово відходять у минуле.

Галузь застосування

Високий показник енергощільності літій-іонних батарей визначає основну сферу їх застосування - мобільні електронні пристрої: ноутбуки, планшети, смартфони, відеокамери, фотоапарати, навігаційні системи, різні вбудовані датчики та ряд інших виробів.

Існування циліндричного форм-фактора цих акумуляторів дозволяє використовувати їх у ліхтариках, стаціонарних телефонах та інших пристроях, які раніше споживали енергію від одноразових батарейок.

Літій-іонний принцип побудови АКБ має кілька різновидів, види відрізняються за типом матеріалів (літій-кобальтовий, літій-марганцевий, літій-нікель-марганець-кобальт-оксидний та ін). Кожен із них знаходить свою сферу застосування.

Крім мобільної електроніки, група літій-іонних АКБ застосовується у таких областях:

• електроінструменти ручного типу;
• портативне медичне обладнання;
• джерела безперебійного електроживлення;
• охоронні системи;
• модулі аварійного освітлення;
• станції на сонячних батареях;
• електромобілі та електровелосипеди.

Враховуючи постійне вдосконалення літій-іонної технології та успіхи у створенні АКБ великої ємності за малих розмірів, можна прогнозувати розширення областей застосування таких акумуляторів.

Маркування

Параметри літій-іонних акумуляторних батарей нанесені на корпус виробу, при цьому кодування може істотно відрізнятися для різних типорозмірів. Єдиний для всіх виробників стандарт маркування АКБ поки не розроблений, але самостійно розібратися з найважливішими параметрами все ж таки можливо.

Літери у рядку маркування вказують на тип елемента та використані матеріали: перша буква I означає літій-іонну технологію, наступна буква (C, M, F або N) уточнює хімічний склад, третя буква R означає, що елемент перезаряджається (Rechargeable).

Цифри в назві типорозміру означають розмір акумулятора в міліметрах: дві перші цифри діаметр, а дві інші довжина. Наприклад, 18650 вказує, що діаметр становить 18 мм, а довжина - 65 мм, 0 позначає циліндричний форм-фактор.

Останні в ряді літери та цифри – специфічне для кожного виробника маркування ємності. Для вказівки дати виготовлення також немає єдиних стандартів.

СХОЖІ СТАТТІ:

• Які основні види акумуляторних батарей існують?
• Що таке активна та реактивна потужність змінного електричного струму?
• Як і як вимірюється ємність акумулятора?

Ви не маєте права надсилати коментарі