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.

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 больлой павербанк, 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 выведеными наружу контактами. Обычно на корпусе аккумулятора написана его маркировка, содержащая информацию о его номинальном напряжении и геометрических размерах этого паралелепипеда. Корпус такого аккумулятора непрочный, сравним с толстой фольгой или толстым полиэтиленовым пакетом. Обычно такие аккумуляторы устанавливаются внутри корпусов устройств (например внутри мобильных телефонов или павербанков) 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.