Литиевые аккумуляторы

Аккумуляторы на основе лития - современный вид перезаряжаемых источников питания.

Самыми популярными являются литий-ионные или литий-полимерные батареи, но так как их свойства и правила обращения с ними очень схожи, буду рассматривать оба этих типа в этой статье! Немного отличаются по напряжениям заряда/разряда только менее популярные Литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

Начнём с самого важного - с техники безопасности:

Что нельзя делать с литиевыми аккумуляторами

• ПОЖАРООПАСНО! Нельзя нарушать герметичность закрытого аккумулятора (разрезать, протыкать, бить аккумуляторы). Влага из воздуха может вступить в реакцию с литием, вызывая его активное горение или даже взрыв, сопровождаемый дымом и неприятным запахом. Такое возгорание нельзя тушить водой!
• ПОЖАРООПАСНО! Нельзя допускать нагрев аккумулятора. Общепринято, что литиевый аккумулятор выходит из строя при его нагреве до 60 градусов цельсия. Нагрев до ещё больших температур чреват возгоранием аккумулятора.
• ПОЖАРООПАСНО! Нельзя заряжать аккумулятор выше максимального напряжения! Для большинства литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов эта величина - 4.20 вольт. Исключение: Для аккумуляторов Li-HV эта величина составляет 4.35в, для литий-железо-фосфатных - 3,65в
• ПОЖАРООПАСНО! Нельзя замыкать накоротко (соединять напрямую) плюс и минус аккумулятора, равно как и нельзя разряжать аккумуляторы слишком большим, недопустимым для аккумулятора током. Превышение тока чревато перегревом аккумулятора, выходом его из строя и даже возгоранием.

Например: для обычных литиевых аккумуляторов формата 18650 максимальный разрядный ток составляет около 5-10 Ампер, кратковременно допускается до 12-15 А. Если аккумулятор относится к высокотоковым (такие используют например в шуруповёртах) - разрядный ток допускается до 15-20 Ампер, кратковременно до 30 А.

• ПОЖАРООПАСНО! Во избежание перегрева (последствия см.выше) нельзя заряжать аккумулятор слишком высоким током! Общепринято что литий-ионный аккумулятор нужно заряжать током, составляющим половину его ёмкости, а литий-полимерный - током, составляющим его полную ёмкость.

Например: обычный литий-ионный аккумулятор формата 18650 имеет ёмкость около 3000 мАч, или 3 Ампер-часа. Ток равный половине ёмкости это 1.5 Ампера. Это и есть максимальный зарядный ток для этого аккумулятора. И полностью такой аккумулятор зарядится за 3/1,5=2, то есть за два часа.

• Опасно только для здоровья самого аккумулятора: Нельзя разряжать аккумулятор ниже его минимально допустимого напряжения (напряжения полного разряда). Для большинства литий-ионных аккумуляторов напряжением полного разряда (0%) считается напряжение 2.7 вольт. Для литий-полимерных - 3 вольта. Для литий-железо-фосфатных - 3,2 вольт. Разряд ниже этих значений не опасен для пользователя, но вреден для здоровья самого аккумулятора. Зачастую аккумулятор разряженный ниже этих значений уже не принимает заряд, а умные зарядные устройства отказываются их заряжать в целях безопасности. *
• Опасно только для здоровья самого аккумулятора: Нельзя заряжать литиевые аккумуляторы на морозе. При отрицательных температурах у аккумулятора резко уменьшается способность принимать заряд, и одновременно с этим снижается порог напряжения, при котором начинается разрушение аккумулятора от перезаряда. В результате после непродолжительного заряда в аккумуляторе начинаются деградационные процессы, но напряжение на нём при этом не повышается до пороговых 4.2В, при которых зарядное устройство должно прекратить заряд. Кроме того, если процесс такого аварийного заряда остановить вручную, возможна ситуация, при которой, казалось бы, неповреждённый аккумулятор начнёт разрушаться после попадания в тёплое помещение и прогрева до комнатной температуры. Следует заметить, что разряд литиевых аккумуляторов на морозе вполне допускается, при этом их ёмкость существенно снижается (на 20..50%), однако вреда аккумулятору это не причиняет, и ёмкость полностью восстанавливается при прогреве до комнатной температуры. В то же время надо учитывать, что на морозе значительно увеличивается саморазряд аккумулятора, и длительное хранение его на холоде может привести к фатальному переразряду, при этом никакие защитные электронные устройства не могут помешать внутреннему саморазряду.

Уточнение:

Все приборы, питающиеся от литиевых аккумуляторов а также зарядные устройства для таких аккумуляторов снабжены множеством умных электронных защит, которые не позволят пользователю переразрядить или перезарядить аккумуляторы. В таких случаях умная электроника просто отключит аккумулятор от схемы. Поэтому если вы сами не изменяли схему ваших устройств - опасаться вам нужно только разгерметизации аккумулятора или его перегрева. От этих случаев умная электроника защитить не сможет.

Преимущества литиевых аккумуляторов перед старыми, никелевыми и свинцовыми аккумуляторами

• более высокая токоотдача

В наши дни в карман помещается устройство "Джамп-стартер", размером с большой повербанк, которое способно "прикурить" автомобиль, то есть завести двигатель автомобиля от этого маленького аккумулятора. Напомним, что в автомобиле эту функцию выполняет большой и тяжёлый свинцово-кислотный аккумулятор.

• более высокая удельная ёмкость (количество запасённого электричества на килограмм веса)
• более лёгкий вес аккумулятора при аналогичной ёмкости

Пример из жизни: Никелевая аккумуляторная батарея 12-вольтового шуруповёрта Bosch состоит из 10 никелевых ячеек (круглых банок) номинальным напряжением 1.2 вольта, весит около 1200 грамм и имеет ёмкость около 1400мАч. Литий-ионная батарея для такого же шуруповёрта собирается из трёх литиевых ячеек 18650 номинальным напряжением по 3.7в каждая, имеет ёмкость около 3000мАч и весит около 700 грамм.

• отсутствует эффект памяти, не нужна "тренировка" аккумулятора

Никель-кадмиевые и никель-метал-гидридные аккумуляторы теряют свою ёмкость, если их разряжать и заряжать не до конца.

• более низкий саморазряд (около 20% в год)

Никелевые аккумуляторы за год теряют 100% заряда

• допускает более высокий зарядный ток, а следовательно заряжаются быстрее.

Литиевые аккумуляторы обычно заряжаются за 1-2 часа, иногда (самокаты, велосипеды, автомобили) - до 4-6 часов. Никелевые же аккумуляторы заряжались по 6-12 часов.

Форм-факторы литиевых аккумуляторов

Литий-полимер

Литий-ион

Форм-факторы литий-полимерных аккумуляторов

Литий-полимерные аккумуляторы характеризуются мЕньшим количеством циклов заряд-разряд чем у аналогов, а также характеризуются очень большими максимальными разрядными токами, до 100C! Это значит что аккумулятор ёмкостью 1000мАч может отдавать заряд токами до 1,000*100=100А, то есть до 100 Ампер! С такими же токами производится электросварка или запуск двигателя бензинового автомобиля! Литий-полимерные аккумуляторы выпускаются ТОЛЬКО в виде батарей прямоугольной формы с выведенными наружу контактами. Обычно на корпусе аккумулятора написана его маркировка, содержащая информацию о его номинальном напряжении и геометрических размерах этого параллелепипеда. Корпус такого аккумулятора непрочный, сравним с толстой фольгой или толстым полиэтиленовым пакетом. Обычно такие аккумуляторы устанавливаются внутри корпусов устройств (например внутри мобильных телефонов или повербанков) и их замена обычно производится только в специализированных мастерских.

Форм-факторы литий-ионных аккумуляторов

Заметим, что литий-ионные аккумуляторы являются лидером по показателю энергоёмкости (количества энергии на один килограмм веса аккумулятора), поэтому этот тип аккумуляторов особенно популярен! Литий-ионные аккумуляторы могут выпускаться в виде прямоугольных "подушечек" аналогично как и литий-полимерные аккумуляторы, их применение и замена выполняется аналогично рассмотренным выше литий-полимерным аккумуляторам.

А также есть ряд стандартизированных форм-факторов круглой формы:

• 14500 - диаметр 14мм, длина 50мм, размер совпадает с батарейкой АА, но значительно отличается от неё рабочим напряжением!!!
• 18650 - диаметр 18мм, длина 65мм - самый распространённый формат
• 21700 - диаметр 21мм, длина 70мм
• 26650 - диаметр 26мм, длина 65мм

Аккумуляторы круглой формы выполняются в прочном металлическом корпусе и их замена возможна руками самих пользователей хоть в чистом поле! Бывает удобно носить с собой несколько запасных аккумуляторов, менять их самостоятельно и заряжать отдельно от устройств, например при помощи отдельного специально зарядного устройства.

Форм-факторы литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Этот тип аккумуляторов крайне редко используется в переносных устройствах. Их форма обычно подразумевает подключение контактов при помощи резьбовых соединений (прикручивать контакты гайками и т.д.). Обычно такие батареи устанавливаются один раз на длительный срок руками опытных специалистов.

Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы

Литиевые аккумуляторы нужно заряжать при помощи специализированных зарядных устройств, зачастую они встроены прямо в устройства, в которых они используются.

Зарядные устройства для литиевых аккумуляторов работают по алгоритму CCCV - сначала постоянным током, затем постоянным напряжением, до достижения напряжения полного заряда (4.2в для литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов). Подробнее про алготим заряда читайте в статье про алгоритм CCCV.

Самым простым и дешёвым зарядным для литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов является китайская зарядная плата TP4056, созданная на одноимённом чипе. Подробнее про эту плату читайте в отдельной статье TP4056.

Более дорогие и удобные зарядные устройства для аккумуляторов (зачастую универсальные устройства для разных типов аккумуляторов) выпускает бренд Liitokala.