В чем особенности литий-полимерных аккумуляторов

Когда начинать процесс заряда

Проседание напряжения на клеммах АКБ до значений ниже 10,9 вольт будет свидетельствовать о практически полном разряде батареи. Рассмотрим теперь, как правильно осуществить зарядку автомобильный аккумулятора для восстановления его работоспособности.

Для начала измерьте плотность электролита, в разряженном состоянии она будет ниже нормы, порядка 1,11-1,13 г/см3. Если разрядка производилась без снятия аккумулятора, обязательно выключите все потребители электроэнергии, а ещё лучше – снять оба провода с клемм. Заряжать нужно током, величина которого составляет 10% от номинальной ёмкости батареи (6 А для 60-амперного АКБ). Если устройство обслуживаемое, выкрутите пробки на всех 6 банках.

Когда в процессе зарядки начнут выделяться пузырьки газа, зарядку следует прекратить на 20-30 минут, после остывании батареи – продолжить, но с вдвое меньшим током. После повторного закипания измерьте напряжение и плотность. Если вольтаж поднялся до 12,6 В, а плотность – до 1,27, зарядку можно прекратить, в противном случае повторяем цикл с двукратным уменьшением тока зарядки.

Как видим, процедура разряда батареи не сложна, но характеризуется некоторыми нюансами. Выполняя эту операцию хотя бы раз в год, вы сможете рассчитывать, что АКБ прослужит не меньше, чем заявленный производителем ресурс.

Вопросы эксплуатации: зарядка, раскачка, балансировка

Итак, рассмотрим радиоуправляемые игрушки, как полигон, на котором обкатываются новые технологии хра­не­ния электрического заряда. Отметим преимущества и недостатки литий-полимерных аккумуляторов, нако­пив­ши­еся в процессе их эксплуатации.

Li-Pol батарея требует особого режима зарядки. Время, ког­да ее можно было просто подключить к первому по­пав­ше­му­ся источнику тока не только безвозвратно прошло, но, по большому счету, и не начиналось.

Еще один фактор, связанный с восстановлением кондиций батареи – балансировка. Это означает, что батарея по­сле­до­ва­тель­но включенных элементов питания заряжается не чо­хом

Каждому элементу уделяется особое внимание: мо­ни­то­рит­ся ток зарядки и готовность элемента принять его

Несоблюдение этих правил приведет к ухудшению характеристик аккумулятора, в крайнем и самом неприятном случае – к взрыву или возгоранию. Неплохой иллюстрацией к этому служит отчет Федерального управления гражданской авиации США об инцидентах с батареями.

Последнее замечание – весомый аргумент к тому, что не оставлять без присмотра литий-полимерный ак­ку­му­ля­тор. Естественный нагрев может стать миной замедленного действия, если устройство расположить в непро­вет­ри­ва­е­мом, теплом или закрытом месте. К счастью, батарея приходит в готовность к новому циклу эксплуатации достаточно быстро. Это несомненный плюс для устройств с таким электрохимическим процессом.

Еще одно следствие, связанное с нагревом в процессе заряда, – необходимость охлаждения аккумулятора перед началом эксплуатации. Дать остыть до температуры окружающей среды – это не только хороший тон, но и удо­воль­ствие от батареи в процессе работы, которое увеличивается пропорционально времени остывания 🙂

По большому счету Li-Pol аккумулятор – лакомство для ис­ку­шён­ных. Он не «любит» полного разряда, ему не «нра­вит­ся» длительное время нахождения под напряжением, когда, по сути, зарядка уже состоялась. Так называемая «пере­за­ряд­ка» неимоверное зло для него. При первых признаках то­го, что батарея начинает «садится», стоит прервать ее ис­поль­зо­ва­ние, отключить, дать остыть и только затем по­ста­вить ее заряжаться.

Наивно предполагать, что использование литий-по­ли­мер­ных батарей не влечёт за собой никаких обязательств. Но уж точно среди них нет того, что называется «раскачкой» ак­ку­му­ля­тора. Под этим процессом понимается несколько цик­лов полной разрядки с последующей полной зарядкой. Если для батарей с NiCd и/или NiMH гальваникой такие трю­ки были оправданы, то Li-Pol процесс только ухудшится после подобного «улучшения».

Использование

При эксплуатации следует выделить 2 главных момента, которые необходимо соблюдать.

Зарядка:

Параллельная зарядка LiPol аккумуляторов

Нужно правильно заряжать Li-Pol аккумулятор, чтобы он прослужил долгое время, не потеряв ёмкости. Происходить зарядка должна при постоянном напряжении около 4.2V. Можно выделить 2 основных типа зарядок: универсальная и предназначенная для одного вида аккумуляторов. Какой лучше заряжать?

Отвечая на этот вопрос нужно сказать, что универсальная стоит дороже, но она выводит всю информацию на дисплей, и позволяет максимально упростить процесс зарядки. Более дешёвые аналоги с возможностью заряжать только один тип, можно отнести, к более практичным – но все действия приходится делать вручную. А самой главной проблемой является то, что отслеживать заряд придётся самостоятельно, что не всегда удобно.

Нюансы эксплуатации:

Правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор — ещё не все требования, которые необходимо соблюдать. Существует целый ряд особенностей, которые нужно соблюдать при использовании Li-Pol аккумулятора:

Литий-полимерный Li-pol

• Нельзя заряжать выше нормы;
• Недопустимо замыкание;
• Не должен нагреваться выше 60 градусов Цельсия;
• Нельзя вскрывать;
• Недопустим разряд, меньше 3 V;
• Необходимо использовать подходящую зарядку;
• Нельзя подвергать батарею ударам;
• Хранить в разряженном состоянии нельзя.

Li─Pol аккумулятор

Не нужно сажать батарею «в ноль». Если для новой батареи это безвредно, то на батарее, которая уже служит некоторое время, это может привести к падению напряжения менее 3 V, и выходу аккумулятора из строя.

Если ёмкости различаются между собой более, чем на 15-20% — заряжать их нужно, используя специальные рекомендации.

Если не следить за перегревом батареи – она может вздуться, и прийти в негодность.

При использовании в условиях мороза батарею лучше всего держать в тепле, до момента, пока она будет вставлена в устройство. Это поможет повысить эффективность и продолжительность работы.

Какие бывают типы литий-ионных батарей и где используются

В настоящее время используются три вида LIB, которые отличаются материалами катода.

Катоды лития, содержащие кобальт (Limo2).

Этот тип особенно эффективен. Кобальтовый ион Со3+ маленький, поэтому катод построен таким образом, что литий-ионные катоды легко перемещаются

Это важно для высокой плотности энергии и емкости, чтобы выпускать маленькие и легкие батареи. Используется в портативной электронике и электромобилях

Литий-кобальтовый оксид LiCoO2 (LCO) – это тонкое устройство чувствительно к повреждениям, поэтому используется лишь в электроприборах.

Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiO.8Co0.15Alo.05 или NCA) является надежным соединением. Обеспечивая хорошую плотность энергии и высокую мощность, эти материалы используются как литиевые аккумуляторы 12 вольт для автомобиля.

Литий-Никель-Марганец-Кобальт-Оксиды (NMC) – прочнее и долговечнее, чем тип NCA. Большинство производителей электромобилей используют этот катодный материал. При этом существует несколько вариантов, в которых металлы содержат никель, марганец и кобальт в различных соотношениях. Чем больше доля никеля – тем выше содержание энергии.

Катоды из оксида фосфора-железа-лития (LiFePO4 или LFP).

Этот вид также прочен, но имеет низшую плотность энергии, чем катоды LiMО2. Китайские производители используют для электромобилей городского цикла. Заряда хватает на короткие расстояния.

Катоды из оксида марганца-лития (LiMn2O4 или LMO).

Этот вид раньше использовался в электромобилях, но катоды, содержащие кобальт, превосходят их по стабильности и плотности энергии.

В этом видео описаны подробные характеристики ионных аккумуляторов, размеры, состав и расшифровки маркировок.

Конструкция литий – полимерных батарей

Тип аккумулятора li polymer — что это? Вначале применяли полимерный твердый электролит, напоминающий пластиковую пленку и заменяющий пористый традиционный сепаратор, пропитываемый электролитом. Он не проводил ток, но обеспечивал обмен ионами.

Конструкция отличалась лучшей безопасностью, простым процессом изготовления. Она позволяла делать аккумуляторы любой конфигурации более тонкими (до 1 мм) и исключала возможность возгорания.

Недостатком сухих Li-polymer аккумуляторов является малая электропроводность при комнатной температуре. Высокое внутреннее сопротивление не позволяет добиться достаточной для современных девайсов величины тока.

Видео: Li-pol аккумуляторы для новичков.

До приемлемого уровня увеличить электропроводность можно при нагревании до 60 градусов. Но это для массового применения не годится. Пока в этом направлении продолжают вести исследования.

А как же тогда быть с аккумуляторами, которыми комплектуют телефоны и компьютеры, если к коммерческому использованию они не пригодны? Оказывается, в них добавляют для повышения электропроводности небольшое количество электролита гелеобразного.

Основные характеристики двух описанных видов представлены на графике:

Ток заряда

Есть единогласное мнение специалистов, что заряжать литий полимерные батареи нужно в режиме 1С, т.е. для аккумулятора 2200 мАч ток зарядки не должен превышать 2,2А. Считается, что большие значения тока заряда вредят самой батареи. Но есть и другое мнение, которое я подтверждаю на протяжении уже пары лет. Я обычно заряжаю свои LiPo аккумуляторные батареи в 3С режиме, т.е. в 3 раза большим током. Никакой разницы на живучести самих батарей или их характеристиках замечено не было. Делал даже специальные сравнения с полевыми вылетами — разницы никакой.

Большинство аккумуляторов у меня заряжаются минут 20-30 и я на 99% уверен, что никакого вреда такой ток заряда им не приносит. Есть даже некоторые производители, заявляющие, что их батареи способны выдержать 5С или даже 8С, но…. Сверх большие токи приводят к заметному увеличению температуры аккумуляторов, а это уже совсем не хорошо и в итоге точно скажется на их сроке службы. Так что для меня стандарт это 3С.

Когда можно пользоваться быстрой зарядкой

Перед покупкой Quick Charger (быстрой зарядки) требуется убедиться, что она поддерживается используемым смартфоном. Информация об этом указана в технических характеристиках к телефону.

Ускорение восполнения энергии работает до 60-70%, а дальше зарядка проходит в обычном темпе. Quick Charger обладает большей мощностью по сравнению с традиционными изделиями:

• классическое ЗУ имеет напряжение 5 В и силу тока до 2.5 ампер;
• напряжение в аналоге с быстрым зарядом может достигать до 20 В и обладать силой тока до 5 ампер.

Энергия АКБ расходуется с той же скоростью, что и при заряде телефона обычным ЗУ. Применение Quick Charger оправдано, когда нужно быстро восполнить объем батареи на 60-70% или менее.

Чтобы продлить автономность телефона, необходимо знать рекомендации по зарядке его аккумулятора. Если источник питания восполняется неправильно, это приводит к его быстрому износу и снижению продолжительности работы смартфона.

Как правильно зарядить новый Li-pol аккумулятор

С прилавка магазина покупатель получает устройство с уровнем заряда батареи равным 30—40%. Такой заряд устанавливается на заводе-изготовителе. На производстве в источник питания вводится специальный раствор, который приостанавливает химические реакции. Этот процесс называется консервация. Она нужна для того, чтобы аккумулятор не терял свою емкость.

Li pol аккумулятор как правильно заряжать:

Перед тем, как использовать новое устройство, необходимо расконсервировать, или раскачать батарею. Схема первой зарядки следующая:

• устройство эксплуатируется до полного разряда аккумулятора;
• затем осуществляется подзарядка до 100%;
• цикл зарядки-разрядки повторяется 2—3 раза.

В дальнейшем устройство эксплуатируется в стандартном режиме. Зарядка батареи осуществляется с помощь небольших подзарядок.

Оптимальная емкость заряда устройства 30—80%. Лучше всего заряжать батарею максимум до 80%, поддерживая уровень заряда периодическими подзарядками, не давая ему опускаться ниже 30%. Не стоит бояться частого подключения устройства к подзарядке.

Почему аккумуляторы вздуваются?

Причина вздутия LiPo аккумуляторных батарей кроется в нескольких факторах. Это может быть брак производства, неправильное использование, превышение срока службы. Все это или одно из них может привести сначала к небольшому набуханию, а если такую батарею продолжать использовать, то она продолжить вздуваться, пока не прорвется внешняя оболочка или пока она не взорвется или не загорится.

Несколько лет назад существовала проблема с китайскими LiPo аккумуляторами, которые вздувались очень быстро, даже если их использовать в щадящем режиме. А причина была загрязнении воды на самих заводах, производящих эти батареи. Если завод работает в стране с влажным климатом, есть большая вероятность попадания влаги внутрь ячеек литий полимерных аккумуляторной батареи, что приводи к окислению лития.

И в результате реакции окисления выделяется кислород, которому деваться некуда и от сюда вздутие батареи. Так же причина может быть в плохом качестве перегородках между ячейками. Так же ячейки вздуваются из-за перезаряда или слишком быстрого заряда. В результате на аноде концентрируется избыточное количество лития, а на катоде кислорода. Атом свободного кислорода на столько мал, что он спокойно проходит через перегородку не неся с собой заряда и как итог — оксид лития (литиевая ржавчина). Затем оксид лития использует уже заметно меньше атомов кислорода чем у него имеется в ионизированном состоянии, в итоге остается больше свободного кислорода. И даже если вы решите поэкспериментировать с перезарядом LiPo аккумулятора под водой, он все равно загорится, т.к. сам сможет выработать избыточное количество кислорода, а кислород, как известно, необходим для горения.

Li─Ion аккумулятор

Работы по созданию аккумуляторов с использованием лития велись достаточно давно. Но первые работоспособные экземпляры для бытовой техники появились только в 70-е годы прошлого столетия. Но тогда это были несовершенные модели с электродами из металлического лития. И эксплуатация таких аккумуляторов проблематичной в плане безопасности. Оставалось много нерешенных проблем с процессом заряда и разряда таких батарей.

Преимущества Li─Ion

• Небольшой саморазряд;
• Высокая энергетическая плотность и ёмкость по сравнению со щелочными;
• Один аккумуляторный элемент имеет напряжение около 3,7 вольта. Для кадмиевых и металлогидридных это значение 1,2 вольта. Это позволяет значительно упростить конструкцию. В телефонах, например, используются батареи, имеющие в своём составе только одну банку;
• Отсутствует эффект памяти, а значит, упрощается обслуживание АКБ.

Недостатки Li─Ion

• Необходим контроллер. Это печатная плата, которая контролирует напряжение аккумуляторного элемента или элементов, если их несколько. Плата также контролирует максимальный ток разряда, а в некоторых случаях и температуру банки. Без контроллера невозможна безопасная эксплуатация литий─ионной АКБ;
• Деградация Li─Ion системы идёт даже при хранении. То есть, через год ёмкость батареи ощутимо уменьшается, даже если она не используется. Аккумуляторы других типов (щелочные, свинцово-кислотные) тоже постепенно деградируют в процессе хранения, но у них это менее выражено;
• Цена литий─ионных выше, чем кадмиевых или никель─металлогидридных.