Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы стали важной частью нашей жизни, обеспечивая энергией смартфоны, электромобили и другие устройства. В статье рассмотрим эксплуатацию и зарядку литиевых аккумуляторов, их преимущества и недостатки. Понимание этих аспектов поможет пользователям эффективно использовать устройства, продлевая срок службы аккумуляторов и избегая распространенных ошибок.

История возникновения, развитие и особенности

Исследования в данной области начались еще в начале XX века. Первые образцы литиевых аккумуляторов появились в начале 70-х годов прошлого века. Анод этих батарей изготавливался из лития, что обеспечивало им высокую удельную энергию и сделало их популярными. Использование лития, как активного восстановителя, позволило значительно увеличить номинальное напряжение и удельную энергию элементов. Разработка и последующие испытания технологии заняли около двадцати лет.

В этот период основное внимание уделялось вопросам безопасности литиевых аккумуляторов, выбору материалов и другим аспектам. Вторичные литиевые элементы с апротонными электролитами и разновидности с твердым катодом имеют схожие электрохимические процессы. В частности, на отрицательном электроде происходит анодное растворение лития, а на положительном — внедрение лития в кристаллическую решетку. При зарядке аккумулятора процессы на электродах идут в обратном порядке.

Материалы для положительного электрода были разработаны достаточно быстро. Главное требование заключалось в том, чтобы на них происходили обратимые процессы.

Речь идет об анодной экстракции и катодном внедрении, также известными как анодное деинтеркалирование и катодное интеркалирование. Исследователи тестировали различные материалы для катодов.

Требование заключалось в том, чтобы при циклировании не происходило изменений. В частности, изучались такие материалы, как:

• TiS2 (дисульфид титана);
• Nb(Se)n (селенид ниобия);
• сульфиды и диселениды ванадия;
• сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Также проводились исследования более сложных составов с добавлением некоторых металлов в небольших количествах, которые имели катионы большего радиуса, чем у лития.

Высокие удельные характеристики катодов были достигнуты на оксидах металлов. Исследовались различные оксиды на предмет их обратимой работы, которая зависела от степени искажения кристаллической решетки материала оксида при внедрении катионов лития. Учитывалась также электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменение объема катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты продемонстрировали оксиды ванадия и молибдена.

Основные трудности возникли с анодом при создании литиевых аккумуляторов, особенно в процессе зарядки, когда происходит катодное осаждение лития. В результате образуется поверхность с высокой активностью, и литий осаждается на катоде в виде дендритов, что приводит к образованию пассивной пленки.

Эта пленка обволакивает частицы лития и препятствует их взаимодействию с основой. Данный процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора часть лития исключается из электрохимических процессов.

В результате, после определенного количества циклов, электроды изнашивались, и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемент мог разогреваться до точки плавления лития, что приводило к неконтролируемым реакциям. В начале 90-х годов многие литиевые аккумуляторы, использовавшиеся в мобильных телефонах, были возвращены производителям. В момент разговора (при максимальном токе) из этих батарей мог происходить выброс пламени, что приводило к ожогам у пользователей. Образование дендритов при осаждении лития не только создавало риск пожара и взрыва, но и могло вызывать короткое замыкание.

Поэтому исследователи потратили много времени на разработку методов обработки поверхности катода.

Разрабатывались способы введения в электролит добавок, которые препятствовали образованию дендритов. В этом направлении ученые добились определенных успехов, но проблема до сих пор не решена полностью.

Проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим способом.

Так, отрицательный электрод начали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого лития. Наиболее успешным оказался сплав лития с алюминием. В процессе разряда из такого электрода вытравливается литий, а при зарядке происходит обратный процесс. Таким образом, в цикле заряд-разряд изменяется концентрация лития в сплаве. Конечно, активность лития в сплаве несколько снижалась по сравнению с металлическим литием.

Потенциал электрода из сплава уменьшился на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось, и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава, что положительно сказалось на саморазряде. Однако сплав лития с алюминием не получил широкого распространения. Проблема заключалась в том, что при циклировании значительно изменялся удельный объем сплава. При глубоком разряде электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

Как показали исследования, наилучшие результаты демонстрируют сплавы лития с тяжелыми металлами. Например, сплав Вуда хорошо сохранял удельный объем, но его характеристики оказались недостаточными для использования в литиевых аккумуляторах.

В результате, из-за нестабильности металлического лития, исследования стали направлены в другую сторону. Было решено исключить литий в чистом виде из компонентов батареи и использовать его ионы. Так появились литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий-ионных аккумуляторов ниже, чем у литиевых, но их безопасность и удобство эксплуатации значительно выше. Вы можете узнать больше о литий-ионных аккумуляторах по указанной ссылке.

Эксперты отмечают, что литиевые аккумуляторы стали основой для многих современных устройств благодаря своей высокой плотности энергии и длительному сроку службы. Они обеспечивают быструю зарядку и способны сохранять заряд в течение длительного времени, что делает их идеальными для смартфонов, ноутбуков и электромобилей. Однако, несмотря на множество преимуществ, существуют и недостатки. Например, литиевые аккумуляторы чувствительны к высоким температурам и могут терять свою эффективность со временем. Кроме того, их производство связано с экологическими проблемами, такими как добыча лития и его переработка. Важно также учитывать, что неправильная эксплуатация может привести к перегреву и даже возгоранию. Таким образом, при использовании литиевых аккумуляторов необходимо соблюдать рекомендации производителей и учитывать их особенности.

https://youtube.com/watch?v=fXJfgbhUlE4

Эксплуатация и срок службы

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о литиевых аккумуляторах, их эксплуатации, зарядке, а также плюсах и минусах:

1. Долговечность и циклы зарядки: Литиевые аккумуляторы могут выдерживать от 500 до 2000 циклов зарядки и разрядки, в зависимости от типа и условий эксплуатации. Это делает их более долговечными по сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, которые могут выдерживать всего около 300-500 циклов.

2. Эффект памяти: В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, литиевые аккумуляторы не подвержены эффекту памяти, что означает, что их можно заряжать в любое время, не дожидаясь полного разряда. Это позволяет пользователям заряжать устройства, когда это удобно, без риска снижения емкости аккумулятора.

3. Экологические аспекты: Хотя литиевые аккумуляторы имеют множество преимуществ, их производство и утилизация могут иметь негативные последствия для окружающей среды. Добыча лития и других необходимых металлов, таких как кобальт и никель, может приводить к загрязнению и разрушению экосистем. Однако исследования в области переработки и разработки более устойчивых технологий продолжаются, что может снизить негативное воздействие в будущем.

https://youtube.com/watch?v=877SQUUO92o

Эксплуатация

Правила использования литиевых аккумуляторов будут проиллюстрированы на примере наиболее распространённых моделей, которые встречаются в мобильных устройствах, таких как смартфоны, планшеты и ноутбуки. Обычно такие аккумуляторы защищены встроенным контроллером, который предотвращает их неправильную эксплуатацию. Тем не менее, полезно знать основные аспекты устройства, характеристик и правил обращения с литиевыми АКБ.

Важно помнить, что литиевый аккумулятор должен работать в диапазоне напряжения от 2,7 до 4,2 вольта. Нижняя граница указывает на минимальный уровень заряда, а верхняя – на максимальный.

В современных литий-ионных батареях электроды изготавливаются из графита, и в этом случае минимальное напряжение составляет 3 вольта (значение 2,7 вольта относится к электродам из кокса). Энергия, которую аккумулятор может отдать при снижении напряжения от верхнего предела до нижнего, называется его ёмкостью.

Чтобы увеличить срок службы литиевых аккумуляторов, производители часто сужают диапазон напряжения. Обычно он составляет 3,3─4,1 вольта. Практика показывает, что максимальная продолжительность работы литиевых батарей достигается при уровне заряда около 45 процентов. Если аккумулятор слишком долго находится на зарядке или подвергается глубокому разряду, это негативно сказывается на его сроке службы. Рекомендуется начинать зарядку, когда уровень заряда достигает 15─20%, а завершать её сразу после достижения 100% ёмкости.

Однако, как уже упоминалось, встроенный контроллер защищает аккумулятор от перезарядки и глубокого разряда. Эта управляющая плата с микросхемой присутствует практически во всех литиевых аккумуляторах. В различных устройствах, таких как планшеты, смартфоны и ноутбуки, работу контроллера, интегрированного в аккумулятор, дополняет микросхема, установленная на плате самого устройства.

В целом, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя требуется в основном не вмешиваться в этот процесс и избегать самовольных действий.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.

https://youtube.com/watch?v=ab1UANXJUA8

Процесс зарядки

Важно отметить, что для корректной работы батареи необходимо использовать оригинальное зарядное устройство, которое идет в комплекте с устройством. Обычно это адаптер постоянного тока с напряжением 5 вольт. Стандартные зарядные устройства для смартфонов и планшетов обычно обеспечивают ток в диапазоне 0,5─1 * С (где С — это номинальная ёмкость аккумулятора).
Оптимальный процесс зарядки литиевого аккумулятора включает три этапа. Этот метод применяется в контроллерах компании Sony и позволяет достичь максимального уровня заряда. На следующем изображении этот процесс представлен в виде графика.

Процесс зарядки включает три стадии:

• Первый этап длится примерно один час. На этом этапе ток зарядки остается постоянным до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,2 вольта. В конце этого этапа уровень заряда составляет 70%;
• Второй этап также продолжается около часа. В это время контроллер поддерживает напряжение на уровне 4,2 вольта, а ток зарядки постепенно уменьшается. Как только сила тока падает до примерно 0,2*C, начинается завершающий этап. В конце этого этапа уровень заряда достигает 90%;
• На третьем этапе ток продолжает снижаться при напряжении 4,2 вольта. Эта стадия аналогична второй, но имеет строгое временное ограничение в 1 час. После этого контроллер отключает аккумулятор от зарядного устройства. В итоге уровень заряда составляет 100%.

Контроллеры, способные обеспечить такую последовательность зарядки, имеют высокую стоимость, что отражается на цене аккумулятора. Чтобы снизить затраты, многие производители устанавливают в аккумуляторы упрощенные контроллеры. Чаще всего они реализуют только первый этап. Зарядка останавливается при достижении напряжения 4,2 вольта, что приводит к зарядке литиевой батареи лишь на 70% от её полной ёмкости. Если ваш литиевый аккумулятор заряжается за 3 часа или меньше, вероятно, он оснащен упрощенным контроллером.

Также стоит учесть несколько важных моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) проводите полный разряд аккумулятора (до отключения устройства). Затем выполните полную зарядку до 100%. После этого извлеките батарею на 1─2 минуты, вставьте её обратно и включите устройство. Уровень заряда может оказаться ниже 100%. Полностью зарядите аккумулятор и повторите процесс несколько раз, пока при установке батареи не будет отображаться полный заряд.

Имейте в виду, что зарядка через USB-порт ноутбука, настольного компьютера или через адаптер от прикуривателя автомобиля происходит значительно медленнее, чем с использованием оригинального зарядного устройства. Это связано с ограничением по току интерфейса USB в 500 мА.

Также помните, что при низких температурах и низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей может перестать функционировать.

Рекомендуем дополнительно ознакомиться с информацией о правильной зарядке литий-полимерных аккумуляторов.

Хранение

Постоянная деградация литиевого аккумулятора – это одна из проблем этого типа АКБ. Деградация стартует в момент выхода АКБ с конвейера и выражается в постепенной потере ёмкости. Это потеря составляет около 10% в год и добавляется к стандартной потере ёмкости в результате эксплуатации. Помните, что даже если литиевая батарея не используется, процесс старения в ней всё равно идёт.

Скорость деградации при хранении зависит от степени заряженности аккумулятора и температуре ОС. Температура выше 40─50 градусов противопоказана, поскольку приводит к ускоренной деградации батареи. Наилучшей температурой является 0─10С. Но такой режим в домашних условиях обеспечить сложно.

Поэтому часто рекомендуют хранить литиевые аккумуляторы при комнатной температуре и степени зарядки 30─50%. Нужно следить за тем, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи и рядом не было источников тепла.

Раз в полгода аккумулятор следует подзаряжать.

Безопасность

Из-за высокой реакционной способности лития не рекомендуется разбирать аккумуляторы без необходимых навыков. Если вы все же решили это сделать, обязательно защищайте руки перчатками, а глаза – защитными очками. Имейте в виду, что даже незначительное замыкание электродов может привести к воспламенению литиевого аккумулятора. Не пытайтесь тушить его водой, так как это вызовет бурную химическую реакцию и может привести к взрыву.

С 1 апреля 2016 года в соответствии с мерами безопасности ICAO введен запрет на перевозку литий-ионных аккумуляторов в самолетах. Этот запрет будет действовать до тех пор, пока не будет разработана огнестойкая упаковка для таких батарей. Ограничение касается только аккумуляторов, которые транспортируются самолетом в качестве груза. Оно не распространяется на литиевые батареи, находящиеся в устройствах, таких как телефоны, ноутбуки и фотоаппараты.

ICAO — это международная организация гражданской авиации. Ранее она также ввела запрет на батарейки с электродами из металлического лития, которые используются во многих часах. Этот запрет обязателен для выполнения всеми странами, входящими в ICAO, включая Россию.

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.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Плюсы

• высокая энергетическая плотность (а значит, более высокая ёмкость), если сравнивать со щелочными аккумуляторами с использованием никеля;
• небольшой саморазряд;
• Достаточно большое напряжение одного аккумуляторного элемента (3,6 вольта у Li и 1,2 вольта у Ni─Cd и Ni─MH). Это делает конструкцию проще. Как правило, литиевые АКБ для телефонов и планшетов имеют в своей конструкции всего одну банку. Но для обеспечения той же мощности, требуется отдавать более высокую силу тока. Это, в свою очередь, требует небольшого внутреннего сопротивления аккумулятора;
• Простая эксплуатация, поскольку отсутствует «эффект памяти». Поэтому периодические тренировки элементов не требуются.

Минусы

Этот тип батарей не может функционировать без встроенного контроллера, что увеличивает их стоимость. Контроллер играет важную роль в управлении напряжением во время зарядки и разрядки. Кроме того, он отвечает за ограничение токов заряда и разряда, а также за контроль температуры.

Деградация аккумулятора происходит даже в процессе его хранения. Производители не всегда акцентируют на этом внимание, но важно помнить, что «время литиевой батареи начинает идти» с момента её производства на заводе.

Эти аккумуляторы стоят дороже, чем никель-кадмиевые и никель-металлогидридные варианты.

Они сохраняют свои характеристики только в узком диапазоне температур. Как высокая, так и низкая температура могут оказать на них разрушительное воздействие.

Будущее литиевых аккумуляторов и новые технологии

Литиевые аккумуляторы продолжают оставаться основным источником энергии для множества современных устройств, от мобильных телефонов до электромобилей. Однако, с ростом потребностей в более эффективных и долговечных источниках энергии, исследователи и инженеры активно работают над новыми технологиями, которые могут изменить будущее литиевых аккумуляторов.

Одной из ключевых областей исследований является улучшение химического состава литиевых аккумуляторов. В настоящее время большинство литиевых аккумуляторов используют литий-кобальтовые оксиды в качестве катодов. Однако, кобальт является дорогим и ограниченным ресурсом, что делает его использование неустойчивым. Исследования направлены на разработку альтернативных материалов, таких как литий-железо-фосфат (LiFePO4) и литий-никель-марганец-кобальт (NMC), которые могут предложить более высокую стабильность и безопасность.

Другой важной областью является увеличение плотности энергии. Современные литиевые аккумуляторы имеют ограниченную плотность энергии, что означает, что они могут хранить лишь определенное количество энергии на единицу объема. Новые технологии, такие как твердотельные аккумуляторы, обещают значительно увеличить эту плотность, что позволит создавать более компактные и легкие устройства с длительным временем работы. Твердотельные аккумуляторы используют твердые электролиты вместо жидких, что также может повысить безопасность и снизить риск возгорания.

Кроме того, исследуются новые методы зарядки, которые могут сократить время, необходимое для полной зарядки аккумуляторов. Быстрая зарядка становится все более важной, особенно для электромобилей, где время ожидания должно быть минимальным. Технологии, такие как зарядка с использованием высоких токов и оптимизация алгоритмов управления зарядкой, могут значительно улучшить этот процесс.

Не менее важным аспектом является переработка и утилизация литиевых аккумуляторов. С увеличением числа устройств, использующих литиевые аккумуляторы, возрастает и количество отработанных батарей. Разработка эффективных методов переработки позволяет не только уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, но и вернуть ценные материалы в производственный цикл. Исследования в этой области направлены на создание замкнутых циклов, где материалы из отработанных аккумуляторов могут быть использованы для производства новых.

В заключение, будущее литиевых аккумуляторов обещает быть многообещающим благодаря активным исследованиям и разработкам новых технологий. Улучшение химического состава, увеличение плотности энергии, оптимизация процессов зарядки и эффективная переработка — все эти аспекты будут играть ключевую роль в формировании более устойчивых и эффективных источников энергии для будущего.

Вопрос-ответ

Каковы недостатки литий-ионных аккумуляторов?

Несмотря на многочисленные преимущества, Li-Ion батареи не лишены недостатков. Одна из главных проблем – это их безопасность. Они могут быть склонны к перегреву и даже взрыву при определенных обстоятельствах. Другим недостатком является их высокая стоимость.

Как правильно эксплуатировать литиевые аккумуляторы?

Температура хранения литий-ионных аккумуляторов. Лучше всего хранить батареи Li-ion типа при температуре +1 – +25 °С. Этот диапазон наиболее благоприятен для их внутренней структуры и позволит избежать значительного снижения емкости. В крайнем случае допускается хранить литиевые элементы при температуре 0 – +40 °С.

Почему нельзя заряжать литий-ионный аккумулятор?

Опасности использования неправильного зарядного устройства. Использование несовместимого зарядного устройства может привести к перезарядке, перегреву или даже взрывам. Чувствительность к зарядке: в отличие от других аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы чувствительны к условиям зарядки.

Советы

СОВЕТ №1

Перед зарядкой литиевого аккумулятора всегда проверяйте, что зарядное устройство соответствует требованиям вашего устройства. Использование неподходящего зарядного устройства может привести к перегреву и сокращению срока службы аккумулятора.

СОВЕТ №2

Старайтесь не разряжать литиевый аккумулятор до нуля. Оптимальный уровень разряда для продления его жизни — это 20-30%. Регулярная зарядка в этом диапазоне поможет сохранить емкость аккумулятора на более длительный срок.

СОВЕТ №3

Храните литиевые аккумуляторы в прохладном и сухом месте. Высокие температуры могут негативно сказаться на их производительности и безопасности. Если вы не планируете использовать аккумулятор долгое время, храните его с уровнем заряда около 50%.

СОВЕТ №4

Регулярно проверяйте состояние аккумулятора. Если вы заметили вздутие, утечку или другие аномалии, немедленно прекратите использование и утилизируйте аккумулятор в соответствии с местными нормами утилизации.