Литий ионная аккумуляторная батарея. Литиевая батарея: слухи, мифы и реальность. Увеличение тока заряда и заряд насыщения

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

«С» значит Capacity

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

Схема простого зарядного устройства на LM317

Рис. 5.

Схема с применением обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

Схема простого зарядного устройства на LTC4054

Рис. 6.

Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

I=1000/R,
где I - ток заряда в Амперах, R - сопротивление резистора в Омах.

Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Рис. 8.

Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.

Нюанс долговечности

Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.

Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных - к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления - создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.

Где я применяю литиевые батареи

Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

Где я покупаю литий и полезности по теме

Продаются . По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

Честные Sanyo 18650

Ключевым элементом мобильности электронных устройств является аккумуляторная батарея (АКБ). Растущие требования к обеспечению наиболее длительной их автономности стимулируют постоянные исследования в этой области и ведут к появлению новых технологических решений.

Широко применяемым никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлогидридным (Ni-MH) батареям появилась альтернатива – сначала литиевые аккумуляторы, а затем более совершенные литий-ионные (Li-ion) АКБ.

История появления

Первые подобные аккумуляторы появились еще в 70-е гг. прошлого века. Они сразу получили востребованность благодаря более совершенным характеристикам. Анод элементов был изготовлен из металлического лития, свойства которого позволили повысить удельную энергию. Так появились литиевые аккумуляторы.

У новых батарей был весомый недостаток – повышенная опасность взрыва и воспламенения. Причина крылась в образовании на поверхности электродов литиевой пленки, которая приводила к нарушению температурной стабильности. В момент максимальной нагрузки батарея могла взорваться.

Доработка технологии привела к отказу от чистого лития в компонентах АКБ в пользу использования его положительно заряженных ионов. Литий-ионный аккумулятор оказался удачным решением.

Данному типу ионных аккумуляторов свойственна более высокая безопасность, которая получена за счет небольшого снижения энергетической плотности, но постоянный технологический прогресс позволил свести проигрыш по этому показателю к минимуму.

Устройство

Внедрение литий-ионных аккумуляторов в производство бытовой электроники получило прорыв после разработки батареи с катодом из углеродного материала (графита) и анодом из оксида кобальта.

В процессе разряда батареи происходит выведение ионов лития из материала катода и их включение в оксид кобальта противоположного электрода, при зарядке процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, электрический ток создают ионы лития, перемещаясь от одного электрода к другому.

Li-Ion аккумуляторы производятся в цилиндрическом и призматическом исполнении. В цилиндрической конструкции две ленты плоских электродов, разделенных пропитанным электролитом материалом, свернуты в рулон и помещены в герметичный металлический корпус. Катодный материал нанесен на алюминиевую фольгу, анодный – на медную фольгу.

Призматическую конструкцию аккумулятора получают при укладывании прямоугольных пластин друг на друга. Такая форма батареи дает возможность сделать компоновку электронного устройства более плотной. Также выпускаются призматические АКБ с рулонными электродами, скрученными в спираль.

Эксплуатация и срок службы

Долгая, полноценная и безопасная работа литий-ионных аккумуляторов возможна при соблюдении правил эксплуатации, пренебрежение ими не только сократит срок службы изделия, но может привести к негативным последствиям.

Эксплуатация

Ключевое требование к эксплуатации Li-Ion батарей касается температуры – нельзя допускать перегрева. Высокая температура способна причинить максимальный вред, причем причиной перегрева может быть как внешний источник, так и стрессовые режимы заряда и разряда батареи.

Например, нагрев до 45°C приводит к снижению способности удержания заряда АКБ в 2 раза. Такая температура легко достигается при долгом пребывании устройства на солнце или при работе энергетически затратных приложений.

Для наилучшего сохранения работоспособности АКБ в условиях летней жары стоит использовать энергосберегающий режим, который имеется на большинстве мобильных устройств.

Низкие температуры тоже отрицательно действуют на ионные аккумуляторы, при температуре ниже -4°C батарея уже не может отдавать полную мощность.

Но холод не так вреден для Li-Ion батарей, как высокая температура, и чаще всего не приводит к необратимому ущербу. Несмотря на то что после прогрева до комнатной температуры рабочие свойства АКБ полностью восстанавливаются, о снижении емкости на холоде не стоит забывать.

Еще одна рекомендация по эксплуатации Li-Ion аккумуляторов – не допускать их глубокой разрядки. Многие АКБ предыдущих поколений обладали эффектом памяти, который требовал разрядки до нуля с последующей полной зарядкой. Li-Ion батареи лишены такого эффекта, при этом единичные случаи полной разрядки не приводят к негативным последствиям, но постоянная глубокая разрядка вредна. Рекомендуется подключать зарядное устройство при уровне зарядки 30%.

Срок службы

Неправильная эксплуатация Li-Ion аккумуляторов способна сократить срок их службы в 10-12 раз. Этот срок напрямую зависит от количества зарядных циклов. Считается, что АКБ Li-Ion типа могут выдерживать от 500 до 1000 циклов с учетом полной разрядки. Более высокий процент остающегося заряда перед началом следующей зарядки существенно увеличивает срок службы АКБ.

Поскольку длительность сохранения работоспособности Li-Ion аккумуляторов в немалой степени определяется условиями эксплуатации, невозможно назвать точный срок службы этих батарей. В среднем, можно ожидать, что батарея такого типа прослужит 7-10 лет при соблюдении требуемых правил.

Процесс зарядки

При зарядке следует избегать избыточно долгого подключения АКБ к зарядному устройству. Нормальное функционирование литий-ионного аккумулятора проходит при напряжении, не превышающем 3,6 В. Зарядные устройства в процессе зарядки подают на вход АКБ 4,2 В. Если превысить время заряда, в аккумуляторе могут начаться нежелательные электрохимические реакции, которые повлекут за собой перегрев со всеми вытекающими последствиями.

Разработчики учли такую особенность – безопасность заряда современных Li-Ion батарей контролируется специальным встроенным устройством, останавливающим процесс зарядки при увеличении напряжения выше допустимого уровня.

Для литиевых АКБ правильным является двухступенчатый способ заряда. На первом этапе батарею нужно заряжать, обеспечивая постоянный зарядный ток, второй этап должен проходить с обеспечением постоянного напряжения и постепенным снижением зарядного тока. Такой алгоритм аппаратно реализован в большинстве бытовых зарядных устройств.

Хранение и утилизация

Литий-ионный аккумулятор может храниться достаточно долго, саморазряд составляет 10-20% в год. Но при этом происходит постепенное снижение характеристик изделия (деградация).

Процесс утилизации литий-ионных элементов должен проводиться на специализированных предприятиях, имеющих соответствующую лицензию. Около 80% материалов утилизированных АКБ может использоваться повторно в производстве новых батарей.

Безопасность

Литий-ионный аккумулятор даже миниатюрных размеров таит в себе риски взрывного самовозгорания. Такая особенность этого типа АКБ требует соблюдения мер безопасности на всех этапах, от разработки до производства и хранения.

Для повышения безопасности Li-Ion аккумуляторов при изготовлении в их корпус помещают небольшую электронную плату – систему контроля и управления, которая призвана исключить перегрузки и перегрев. Электронный механизм увеличивает сопротивление цепи при росте температуры выше заданного предела. Некоторые модели батарей имеют встроенный механический выключатель, разрывающий цепь при росте давления внутри АКБ.

Также в корпусах батарей часто устанавливают предохранительный клапан, сбрасывающий давление в экстренных случаях.

Плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Преимуществами этого типа батарей являются:

• высокая энергетическая плотность;
• отсутствие эффекта памяти;
• длительный срок эксплуатации;
• низкий показатель саморазряда;
• отсутствие необходимости обслуживания;
• обеспечение неизменных рабочих параметров в относительно широком диапазоне температур.

Обладает литиевый аккумулятор и недостатками, это:

• риск самовозгорания;
• более высокая, чем у предшественников, стоимость;
• необходимость наличия встроенного контроллера;
• нежелательность глубокого разряда.

Технологии производства Li-Ion аккумуляторов непрерывно совершенствуются, многие недостатки постепенно уходят в прошлое.

Область применения

Высокий показатель энергоплотности литий-ионных батарей определяет основную сферу их применения – мобильные электронные устройства: ноутбуки, планшеты, смартфоны, видеокамеры, фотоаппараты, навигационные системы, различные встроенные датчики и ряд других изделий.

Существование цилиндрического форм-фактора этих аккумуляторов позволяет использовать их в фонариках, стационарных телефонах и прочих устройствах, ранее потреблявших энергию от одноразовых батареек.

Литий-ионный принцип построения АКБ имеет несколько разновидностей, виды отличаются по типу применяемых материалов (литий-кобальтовый, литий-марганцевый, литий-никель-марганец-кобальт-оксидный и др.). Каждый из них находит свою сферу применения.

Помимо мобильной электроники, группа литий-ионных АКБ применяется в следующих областях:

• электроинструменты ручного типа;
• портативное медицинское оборудование;
• источники бесперебойного электропитания;
• охранные системы;
• модули аварийного освещения;
• станции на солнечных батареях;
• электромобили и электровелосипеды.

Учитывая постоянное совершенствование литий-ионной технологии и успехи в создании АКБ большой емкости при малых размерах, можно прогнозировать расширение областей применения таких аккумуляторов.

Маркировка

Параметры литий-ионных нанесены на корпус изделия, при этом применяемая кодировка может существенно отличаться для разных типоразмеров. Единый для всех производителей стандарт маркировки АКБ пока не разработан, но самостоятельно разобраться с самыми важными параметрами все же возможно.

Буквы в строке маркировки указывают на тип элемента и использованные материалы: первая буква I означает литий-ионную технологию, следующая буква (C, M, F или N) уточняет химический состав, третья буква R означает, что элемент является перезаряжаемым (Rechargeable).

Цифры в названии типоразмера означают размер аккумулятора в миллиметрах: две первые цифры – диаметр, а две другие – длина. Например, 18650 указывает, что диаметр составляет 18 мм, а длина – 65 мм, 0 обозначает цилиндрический форм-фактор.

Последние в ряду буквы и цифры – специфическая для каждого производителя маркировка емкости. Для указания даты изготовления также не существует единых стандартов.

Сегодня для мобильной, бытовой техники, инструментов применяют специальные аккумуляторы. Они отличаются эксплуатационными характеристиками. Чтобы батарея работала долго, без сбоев, нужно учитывать требования производителей представленных изделий.

Одним из самых популярных видов сегодня являются аккумуляторы Li-Ion. Как правильно заряжать этот вид батарей, а также особенности его эксплуатации следует подробно рассмотреть перед эксплуатацией прибора.

Общая характеристика

Одним из самых распространенных видов аккумуляторов сегодня является тип Li-Ion. Такие устройства отличаются относительно невысокой стоимостью. При этом они нетребовательны к условиям эксплуатации. В этом случае у пользователя редко возникает вопрос, как правильно заряжать аккумулятор Li-Ion 18650 цилиндрической формы или иной разновидности.

Чаще всего представленные батареи устанавливают в смартфоны, ноутбуки, планшеты и прочие подобные устройства. Представленные аккумуляторы характеризуются долговечностью и надежностью. Они не боятся полной разрядки.

Одной из главных особенностей представленных изделий является отсутствие «эффекта памяти». Такие батарейки можно заряжать практически в любой удобный момент. «Эффект памяти» возникает при неполном разряде аккумулятора. Если в нем оставалось небольшое количество заряда, со временем емкость аккумулятора станет падать. Это приведет к недостаточно продолжительному питанию техники. В литий-ионных батареях «эффект памяти» сведен к минимуму.

Конструкция

Конструкция аккумулятора литий-ионного типа зависит от типа прибора, для которого она предназначена. Для мобильного телефона применяется батарея, которая называется «банкой». Она имеет прямоугольную форму и включает в себя один конструкционный элемент. Его номинальное напряжение составляет 3,7 В.

Совсем иную конструкцию имеет батарея представленного типа для ноутбука. Отдельных аккумуляторных элементов в ней может быть несколько (2-12 штук). Каждый из них имеет цилиндрическую форму. Это аккумуляторы Li-Ion 18650. Как правильно зарядить их, подробно указывает производитель техники. Такая конструкция имеет в своем составе специальный контроллер. Он выглядит в виде микросхемы. Контроллер управляет процедурой зарядки, не допускает превышения номинального значения емкости батареи.

В современных аккумуляторах для планшетов, смартфонов также предусмотрена функция контроля заряда. Это значительно продлевает срок эксплуатации батареи. Она защищена от различных неблагоприятных факторов.

Особенности зарядки

Рассматривая, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы телефона, ноутбука и прочей техники, необходимо обратить внимание на особенности работы представленного устройства. Следует сказать, что литий-ионные батареи не терпят глубокого разряда и перезаряда. Этим управляет специальное устройство, которое добавляется в конструкцию (контроллер).

Идеально поддерживать заряд представленного типа батареи на уровне от 20 до 80% от полной емкости. За этим следит контроллер. Однако специалисты не рекомендуют оставлять устройство подключенным к зарядке постоянно. Это значительно сокращает срок эксплуатации батареи. На контроллер действует в этом случае постоянная нагрузка. Со временем его функциональность из-за этого может снижаться.

При этом контроллер также не допустит глубокого разряда. Он просто в определенный момент отключит батарею. Эта защитная функция крайне необходима. В противном случае пользователь мог бы случайно перезарядить или слишком сильно разрядить батарею. Также в аккумуляторах современного образца предусмотрена качественная защита от перегрева.

Принцип работы батареи

Чтобы понимать, как правильно заряжать Li-Ion аккумулятор (новый или бывший в употреблении), необходимо рассмотреть принцип его работы. Это позволит оценить необходимость контролировать уровень разряда и заряда устройства.

Ионы лития в аккумуляторе представленного типа перемещаются от одного электрода к другому. В этом случае появляется электрический ток. Электроды могут быть изготовлены из разных материалов. Этот показатель в меньшей степени влияет на эксплуатационные характеристики прибора.

Ионы лития нарастают на кристаллической решетке электродов. Последние, в свою очередь, меняют свой объем и состав. Когда батарея заряжена или разряжена, на одном из электродов ионов становится больше. Чем выше нагрузка на металлические элементы конструкции, которую оказывает литий, тем короче будет срок эксплуатации прибора. Поэтому лучше не допускать высокого процента оседания ионов на одном или другом электроде.

Варианты зарядки

Перед эксплуатацией батареи нужно рассмотреть, как правильно заряжать Li-Ion аккумулятор смартфона, планшета и прочей техники. Для этого существует несколько способов.

Одним из самых правильных решений будет применение зарядного устройства. Его поставляет в комплекте с электронной техникой каждый производитель.

Вторым вариантом является зарядка батареи от стационарного компьютера, подключенного к бытовой сети. Для этого применяется USB-кабель. В этом случае процедура зарядки будет более длительной, чем при использовании первого способа.

Можно выполнить эту процедуру при помощи прикуривателя в автомобиле. Еще одним менее популярным способом является зарядка литий-ионного аккумулятора при помощи универсального устройства. Его еще называют «лягушкой». Чаще всего такие приборы применяют для подзарядки батарей смартфонов. Контакты этого прибора можно отрегулировать по ширине.

Зарядка новой батареи

Новый аккумулятор нужно правильно ввести в эксплуатацию. Для этого телефон, планшет или иное оборудование нужно полностью разрядить. Только когда устройство выключится, его можно будет подключить к сети. Контроллер не даст батарее слишком сильно разрядиться. Именно он отключает устройство, когда аккумулятор теряет емкость до заданного уровня.

Далее нужно подключить электротехнику к сети при помощи штатного зарядного устройства. Процедуру выполняют до того времени, пока индикатор не загорится зеленым светом. Можно оставить прибор в сети еще на несколько часов. Такую процедуру проводят несколько раз. При этом специально разряжать телефон, планшет или ноутбук не нужно.

Обычная зарядка

Зная, как правильно заряжать аккумуляторы Li-Ion, можно значительно продлить срок работы батареи. Специалисты рекомендуют провести правильную процедуру этого процесса для нового элемента питания. После этого не желательно разряжать аккумулятор полностью. Когда индикатор покажет, что емкость батареи имеет заряд всего на 14-15%, его нужно подключить к сети.

При этом также не рекомендуется применять иные устройства для наполнения емкости аккумулятора, кроме штатного. Оно имеет максимально приемлемые показатели тока, допустимые для конкретной модели батареи. Прочие варианты можно использовать только в случае крайней необходимости.

Калибровка

Существует еще один нюанс, который нужно узнать, изучая вопрос, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы. Эксперты рекомендуют периодически проводить калибровку этого устройства. Она проводится раз в три месяца.

Сначала в обычном режиме нужно разрядить электротехнику до ее выключения. Далее его подключают к сети. Зарядка продолжается до тех пор, пока индикатор не станет гореть зеленым светом (батарея заряжена на 100%). Эту процедуру нужно выполнять для правильной работы контроллера.

При проведении подобной процедуры печатная плата аккумулятора определяет предельные рамки зарядки и разрядки. Это необходимо для обеспечения нормальной работы контроллера, позволяет избежать сбоев. При этом применяется штатное зарядное устройство, которое поставляется производителем в комплекте с телефоном, планшетом или ноутбуком.

Хранение

Чтобы батарея проработала максимально долго и эффективно, нужно рассмотреть также вопрос, как правильно зарядить Li-Ion аккумулятор для хранения. В некоторых случаях может возникнуть ситуация, когда прибор для питания техники временно не эксплуатируется. В этом случае его нужно правильно подготовить для хранения.

Аккумулятор заряжают до 50%. В таком состоянии его можно хранить достаточно долго. Однако температура окружающей среды должна быть около 15 ºС. Если она повысится, скорость потери батареей своей емкости будет увеличиваться.

Если аккумулятор нужно хранить достаточно длительное время, его нужно раз в месяц полностью разряжать и заряжать. Батарея набирает 100% своей заданной емкости. Затем прибор снова разряжают и заряжают уже до 50%. При регулярном проведении такой процедуры можно хранить аккумулятор очень долго. После этого он будет полностью пригоден для эксплуатации.

Рассмотрев, как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы, можно значительно продлить срок эксплуатации батареи этого типа.

Допустимые диапазоны температур при заряде и разряде литий-ионных аккумуляторов

Особенности тестирования

Тесты на количество циклов проводились при разрядке током 1С, для каждого аккумулятора проводились циклы разрядки/зарядки до достижения 80% емкости. Такое число было выбрано исходя из сроков тесто и для возможного сравнения результатов впоследствии. Число полных эквивалентных циклов - до 7500 в некоторых тестах.
Тесты на срок службы проводились при различных уровнях заряда и температуре, каждые 40-50 дней проводились измерения напряжения для контроля разряда, длительность тестов составляла 400-500 дней.

Главной сложностью в экспериментах являются расхождения в заявленной емкости и реальной. Все аккумуляторы имеют емкость выше, чем заявленная, от 0,1% до 5%, что вносит дополнительный элемент непредсказуемости.

Наиболее часто использовались аккумуляторы NCA и NMC, но также тестировались литий-кобальт и литий-фосфатные аккумуляторы.

Немного терминов:
DoD - Depth of Discharge - глубина разряда.
SoC - State of Charge - уровень заряда.

Использование аккумуляторов

Количество циклов

На данный момент есть теория, что зависимость количества циклов, которые может выдержать аккумулятор от степени разряда аккумулятора в цикле имеет следующий вид (синим обозначены циклы разрядки, черным - эквивалентные полные циклы):

Данная кривая носит названия кривой Вёлера (Wöhler). Основная идея пришла из механики о зависимости числа растяжений пружины от степени растяжения. Начальное значение в 3000 циклов при 100% разряде батарей является средневзвешенным числом при разряде в 0,1С. Какие-то аккумуляторы показывают лучшие результаты, какие-то хуже. При токе 1С число полных циклов при 100% разряде падает с 3000 до 1000-1500 в зависимости от производителя.

В целом, данное соотношение, представленное на графиках, получило подтверждение по результатам экспериментов, потому целесообразным является зарядка аккумулятора при любой возможности .

Расчет суперпозиции циклов

При эксплуатации аккумуляторов возможна работа при одновременном наличии двух циклов (например, рекуперативное торможение в автомобиле):


Получается следующий комбинированный цикл:


Возникает вопрос, как это сказывается на эксплуатации аккумулятора, сильно ли уменьшается ресурс аккумулятора?

По результатам экспериментов комбинированный цикл показал результаты, как от сложения полных эквивалентных циклов двух независимых циклов. Т.е. относительная емкость аккумулятора в комбинированном цикле падала соответственно сумме разрядов на малом и большом циклах (линеаризованный график представлен ниже).


Влияние больших циклов разрядки более существенно, а значит подтверждается то, что аккумулятор лучше заряжать при каждой возможности.

Эффект памяти

Эффект памяти литий-ионных аккумуляторов по результатам экспериментов отмечен не был. При различных режимах его полная емкость все равно впоследствии не изменялась. В то же время есть ряд работ, которые подтверждают наличие данного эффекта в литий-фосфатных и литий-титановых аккумуляторах.

Хранение аккумуляторов

Температуры хранения

Тут никаких необычных открытий не было сделано. Температуры 20-25°C являются оптимальными (в обычной жизни) для хранения аккумулятора , если его не использовать. При хранении аккумулятора при температуре в 50°C деградация емкость идет практически в 6 раз быстрее.
Естественно более низкие температуры лучше для хранения, но в быту это означает специальное охлаждение. Так как температура воздуха в квартире, как правило, 20-25°C, то и хранение скорее всего будет при такой температуре.

Уровень заряда

Как показали испытания, чем меньше заряд тем медленнее идет саморазряд аккумулятора. Измерялась емкость аккумулятора, какой бы она была при его дальнейшем использовании после длительного хранения. Наилучший результат показали аккумуляторы, которые хранились с зарядом близким к нулю.
В целом хорошие результаты показали аккумуляторы, которые хранились не более чем с 60% уровнем заряда на момент начала хранения. Цифры отличаются от приведенных ниже для 100% заряда в худшую сторону (т.е. аккумулятор придет в негодность ранее, чем указано на рисунке):

Рисунок взят из статьи 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
В то же время цифры для малого заряда более оптимистичны (94% после года при температуре 40°C для хранения при SOC 40%).
Так как 10% заряд непрактичен, так как время работы при таком уровне весьма маленькое, хранить аккумуляторы оптимально при SOC 60% , что позволит применить его в любой момент и не скажется критично на сроке его службы.

Основные проблемы результатов экспериментов

Никто не проводил тесты, которые можно считать на 100% достоверными. Выборка, как правило, не превышает пары тысяч аккумуляторов из миллионов произведенных. Большинство исследователей не могут представить достоверные сравнительные анализы по причинам недостаточной выборки. Также результаты этих экспериментов зачастую являются конфиденциальной информацией. Так что данные рекомендации не обязательно подходят к вашему аккумулятору, но могут считаться оптимальными.

Итоги экспериментов

Оптимальная частота зарядки - при каждой возможности.
Оптимальные условия хранения - 20-25°C при 60% заряде аккумулятора.

Источники

1.Курс «Battery Storage Systems», RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer

• Перевод

Смерть батареи: мы все видели, как это происходит. В телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, а теперь и электромобилях, процесс болезненный и - если повезет - медленный. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней!) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. В конце концов вы смиритесь, быть может, проклянёте Стива Джобса, а затем купите новую батарею, а то и вовсе новый гаджет.

Но почему это происходит? Что происходит в батарее, что заставляет её испустить дух? Короткий ответ заключается в том, что из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.

Более подробный ответ, который проведет нас через описание нежелательных химических реакций, коррозию, угрозу высоких температур и других факторов, влияющих на производительность, начинается с объяснения того, что происходит в литий-ионных аккумуляторах, когда всё работает хорошо.

Введение в литий-ионные аккумуляторы

В обычной литий-ионной батарее, мы найдем катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом. Мы также найдем анод или положительный электрод, который сегодня, как правило, изготавливается из графита. Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.

Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду.

Даниэль Абрахам, ученый из Аргоннской национальной лаборатории, ведущей научные исследования деградации литий-ионных элементов, сравнил этот процесс с водой в системе гидроэнергетики. Движущаяся вверх вода требует энергии, но она очень легко течет вниз. Фактически, она поставляет кинетическую энергию, говорит Абрахам, похожим образом, литий-кобальтовый оксид в катоде «не хочет отдавать свой литий». Подобно движущейся вверх воде, необходима энергия, чтобы переместить атомы лития из оксида и переместить их в анод.

Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Но, как выразился Абрахам, «они не хотят быть там, при первой возможности они будут двигаться назад», как вода течет вниз по склону. Это и есть разрядка. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.

Когда мёртвая батарея действительно мертва?

Когда мы говорим о «мёртвой» батарее, важно понять две метрики производительности: энергия и мощность. В некоторых случаях очень важна скорость, с которой вы можете получать энергию из батареи. Это мощность. В электромобилях высокая мощность делает возможным быстрое ускорение, а также торможение, при котором батарее требуется получить заряд в течение нескольких секунд.

В сотовых телефонах, с другой стороны, высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда.

Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции.

Подумайте об этом по другой аналогии, связанной с водой: зарядка аккумулятора, как наполнение ведра водой из под крана. Объем ведра представляет собой вместительность аккумулятора, или ёмкость. Скорость, с которой вы можете наполнить его - повернув кран на полную мощность или тоненькой струйкой - это мощность. Но время, высокие температуры, множественные циклы и прочие факторы, в конечном итоге образуют дыру в ведре.

В аналогии с ведром вода просачивается. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются», говорит Абрахам. В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд. Ведро прекратит держать воду.

Что ломается и почему

Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод, в идеале хотелось бы, чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру.

Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Ионы из квартиры А не обязательно вернутся домой, но могут вселиться в квартиру B по соседству. Тогда ион из квартиры B находит свое место занятым этим бродягой и, не вступая в конфронтацию, решает поселиться дальше по коридору. И так далее.

Постепенно эти «фазовые переходы» в веществе преобразовывают катод в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется.

В батареях гибридных автомобилей, которые необходимы только для подачи питания, когда транспортное средство ускоряется или тормозит, отмечает Абрахам, эти структурные изменения происходят гораздо медленнее, чем в электромобилях. Это связано с тем, что в каждом цикле в системе перемещается только небольшая часть ионов лития. В результате им легче возвращаться на свои исходные позиции.

Проблема коррозии

Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Итак, у нас есть глина из такого «активного» материала, как литий-кобальтовый оксид (который представляет собой керамику и не является очень хорошим проводником), а также клееподобный связующий материал, нанесенный на кусок металла.

Если связующий материал разрушается, это приводит к «шелушению» поверхности коллектора тока. Если металл разъедается, он не может эффективно перемещать электроны.

Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода, говорит Абрахам.

Слишком много хорошего

Графит - материал, широко используемый для изготовления анодов - термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. В идеальном мире эта реакция происходила бы один раз, чтобы создать защитный слой, и на этом всё закончится.

В действительности, однако, ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, говорит Абрахам, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются.

Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития, приводя к тем же проблемам, что и у дырявого ведра. Нам придётся заряжать наш сотовый телефон чаще.

Итак, нам требуется ТЭИ для защиты графитового анода, и в таком случае хорошего может быть действительно слишком много. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это влияет на мощность, которая, как подчеркивает Абрахам, «чрезвычайно важна» для электромобилей.

Создавая лучшие батареи

Так что же можно сделать, чтобы продлить жизнь наших батарей? Исследователи в лабораториях занимаются поиском электролитических добавок, которые бы функционировали подобно витаминам в нашем рационе, т.е. позволят батареи работать лучше и прожить дольше за счет уменьшения вредных реакций между электродами и электролитом, говорит Абрахам. Кроме того, они ищут новые, более стабильные кристаллические структуры для электродов, а также более стабильные связующие материалы и электролиты.

Тем временем, инженеры в компаниях, производящих батареи и электрические автомобили, работают над корпусами и термальными системами управления в попытке сохранять литий-ионные аккумуляторы в постоянном, здоровом диапазоне температур. Нам же, как потребителям, остается избегать экстремальных температур и глубокой разрядки, а также продолжать ворчать по поводу батарей, которые, кажется, всегда умирают слишком быстро.