Большинство навыков обращения с аккумуляторами у пользователей сложилось на стереотипах обслуживания никелевых батарей, которые неприменимы к элементам питания следующего поколения на основе лития. Технически они устроены по-разному и электрохимические процессы в них имеют немало отличий. Поэтому очень важно знать, как заряжать литий ионные аккумуляторы, и помнить особенности их эксплуатации.
Современные батареи
Самые ранние работы по литиевым элементам питания начаты американским химиком Гилбертом Ньютоном Льюисом в 1912 году. Первые рабочие экземпляры появились в 70-х годах, но проблемы с возможностью их зарядки были преодолены лишь 10 лет спустя. Коммерциализировала технологию корпорация Sony в 1991 году. С тех пор эволюция литиевых элементов не останавливалась и они продолжают совершенствоваться и сейчас.
Li-Ion батарея, как и любая другая, состоит из нескольких элементов, соединённых между собой. Каждый из них состоит из трёх функциональных компонентов: анода (отрицательный электрод), катода (положительный электрод) и слоёв, разделяющих их, изготовленных из полиэтилена или полипропилена. Эти слои содержат поры, обладающие способностью закрываться при температуре, превышающей 130 °C, что позволяет остановить любую химическую реакцию в случае перегрева аккумулятора.
Производители также предусматривают различные элементы, обеспечивающие безопасность. Такие, например, как мембраны, нарушающие свою герметичность в случае превышения давления, или соответствующие клапаны.
Несмотря на то что современные батареи достаточно безопасны, они всё ещё требуют некоторой бдительности при обращении.
Литий и ион в названии
Литий — самый лёгкий металл, который обладает превосходными электрохимическими свойствами. Это позволило создать аккумуляторы с большой плотностью энергии по отношению к массе. По соображениям безопасности, сам литий не присутствует в металлической форме внутри гальванических элементов из-за присущей ему нестабильности. Он участвует в реакции виде ионов, которые обладают способностью внедряться в металлическую решётку других металлов.
Катод, как правило, состоит из диоксида кобальта, анодом служит графит, электролитом — токопроводящая соль. В качестве коллекторов тока для положительного электрода используют алюминий, для отрицательного — медь. Литиевые ионы движутся от катода к аноду в процессе разряда и обратно во время заряжания аккумулятора. Некоторую путаницу в понимании принципа работы может внести название Li-Pol (литий полимер) батарей. На самом деле это всё тот же ионный аккумулятор, только несколько усовершенствованный.
Особенности в сравнении с аккумуляторами на основе никеля:
Большая разница потенциалов. Обычно 3,6 В для Li-ion и 1,2 В для NiCd и NiMH.- В несколько раз большая ёмкость и мощность на единицу веса.
- Низкий уровень саморазряда. Составляет около 8% при 20 °C в сравнении с 25% для никелевых батарей.
- Возможность точного определения состояния остаточной ёмкости. Изменение напряжения по мере разряда больше по сравнению с батареями на основе никеля.
- Возможность придавать любую форму элементам питания.
- Подверженность старению. С момента производства они начинают терять свойство сохранять заряд и генерировать напряжение независимо от того, как используются.
- Опасность взрыва и воспламенения. Выделяемое во время химических реакций тепло иногда выходит из-под контроля.
Эксплуатация аккумуляторов
Несмотря на то что стоимость производства литиевых аккумуляторов значительно упала за последние 10 лет, они ещё достаточно дороги, чтобы быть расходным материалом уровня пальчиковых батареек. Поэтому простые знания о том, как хранить литий-ионные аккумуляторы, правила их эксплуатации и зарядки помогут сэкономить немало средств и избежать неприятностей.
Внимание к разряду
Существует мнение, что перед тем, как зарядить литиевый аккумулятор, необходимо добиться полной его разрядки. Этот алгоритм эксплуатации был актуален для Ni элементов. На самом деле никогда не нужно полностью разряжать Li-ion батарею, иначе она может потерять ёмкость. Электроника техники, как правило, следит за этим и сообщает об угрозе полной разрядки заранее. Это важно ещё и потому, что элементы питания зачастую обеспечивают работу аппаратуры, которой вредит неконтролируемое резкое прерывание энергоснабжения.
Кроме того, полный разряд вызывает химическую деградацию компонентов внутри аккумулятора. Из-за этого последующая немедленная зарядка может быть потенциально опасной. По этой причине умную электронику наделяют возможностью запретить работу с батареей, чтобы исключить какие бы то ни было инциденты. Последнее может сделать аккумулятор непригодным для дальнейшего использования. Не рекомендуется по возможности расходовать более 95% ёмкости батареи. Мелкие заправки в случае с литиевыми аккумуляторами являются самым подходящим режимом работы.
Специалисты считают, что нужно избегать продолжения зарядки после полного наполнения аккумулятора. В теории, современные зарядные устройства должны вовремя прекращать процесс.
Но во-первых, различные экземпляры батарей могут отличаться друг от друга, а во-вторых, химические процессы внутри элементов довольно инертны, поэтому электронике точно определить момент отключения непросто.
Циклы зарядки
Вопреки общепринятому мнению, число циклов зарядки не совпадает с количеством попыток зарядить батарею. Например, аккумулятор дважды растрачивал от 50% своей ёмкости. Две зарядки литий ионного аккумулятора по 50% соответствуют одному циклу заряда, а не двум, как может показаться на первый взгляд. Таким образом, нет необходимости ждать, когда аккумулятор окажется пуст.
Во всех правилах есть исключения. Режим, при котором осуществляется полная разрядка батареи с последующей непрерывной зарядкой, называется калибровкой, и предназначен для уточнения работы систем, анализирующих состояния аккумулятора. Эту процедуру рекомендуется делать каждый месяц, особенно если батарея подвергается очень частым и небольшим заправкам.
Зависимость глубины разряда и срока службы аккумулятора:
- 100% = 300—500 циклов зарядки;
- 50% = 1200—1500 циклов.
Температура и хранение
Очень важно, чтобы батарея была под нагрузкой в диапазоне температур от 0 до 45 °C. Ниже ноля замедляется скорость химических реакций, а выше 45 °C давление в аккумуляторе становится слишком большим. Считается, что оптимальная рабочая температура составляет 20 °C и этот показатель является очень важным элементом в жизни батареи.
Если речь идёт о длительном хранении, то в этом случае температурный режим не менее актуален. Идеальным будет сухое прохладное место без доступа прямых солнечных лучей. Крайне важен для сохранения работоспособности литиевых батарей уровень остаточного заряда.
Считается, что заряженные на половину своей ёмкости или чуть меньше элементы будут в наилучшей форме после отдыха. Именно таким образом хранятся батареи в торговых точках.
Итак, можно сделать вывод, что жизненный цикл Li-ion аккумуляторов могут продлить нехитрые правила: использование только качественных зарядных устройств, контроль за режимами зарядки и разрядки, своевременная калибровка, защита батареи от перегрева и переохлаждения.
