Который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит свое применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны , ноутбуки , электромобили , цифровые фотоаппараты и видеокамеры . Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году .
Характеристики
В зависимости от электро-химической схемы литий-ионные аккумуляторы показывают следующие характеристики:
- Напряжение единичного элемента 3,6 В.
- Максимальное напряжение 4,2 В, минимальное 2,5–3,0 В. Устройства заряда поддерживают напряжение в диапазоне 4,05–4,2 В
- Энергетическая плотность : 110 … 230 Вт*ч/кг
- Внутреннее сопротивление : 5 … 15 мОм/1Ач
- Число циклов заряд/разряд до потери 20 % ёмкости: 1000-5000
- Время быстрого заряда: 15 мин - 1 час
- Саморазряд при комнатной температуре: 3 % в месяц
- Ток нагрузки относительно ёмкости (С):
- постоянный - до 65С, импульсный - до 500С
- наиболее приемлемый: до 1С
- Диапазон рабочих температур: −0 ... +60 °C(при отрицательных температурах заряжание батарей невозможен)
Устройство
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком тока в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO 2) и соли (LiM R O N) металлов. Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем - каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. В качестве положительных пластин до недавнего времени применяли оксиды лития с кобальтом или марганцем, но они все больше вытесняются литий-ферро-фосфатными, которые оказались безопасны, дешевы и нетоксичны и могут быть подвержены утилизации, безопасной для окружающей среды. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления - СКУ или BMS (battery management system) и специальным устройством заряда/разряда. В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов: - кобальтат лития LiCoO 2 и твердые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития - литий-марганцевая шпинель LiMn 2 O 4 - литий-феррофосфат LiFePO 4 . Электро-химические схемы литий-ионных аккумуляторов: литий-кобальтовые LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6
Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом помимо системы BMS (СКУ) они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).
Преимущества
- Высокая энергетическая плотность.
- Низкий саморазряд.
- Отсутствие эффекта памяти .
- Не требуют обслуживания.
Недостатки
Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Эту проблему удалось окончательно решить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные литий-ионные аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.
Аккумуляторы Li-ion при неконтролируемом разряде могут иметь более короткий жизненный цикл в сравнении с другими типами аккумуляторов. При полном разряде литий-ионные аккумуляторы теряют возможность заряжаться при подключении зарядного напряжения. Эта проблема решаема путем приложения импульса более высокого напряжения, но это отрицательно сказывается на дальнейших характеристиках литий-ионных аккумуляторов. Максимальный срок «жизни» Li-ion аккумулятора достигается при ограничении заряда сверху на уровне 95 % и разряда 15–20 %. Такой режим эксплуатации поддерживается системой контроля и управления BMS (СКУ), которая входит в комплект любого литий-ионного аккумулятора.
Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при заряде на уровне 40–70 % от ёмкости аккумулятора и температуре около 5 °C. При этом низкая температура является более важным фактором для малых потерь ёмкости при долговременном хранении. Средний срок хранения (службы) литий-ионного АКБ составляет в среднем 36 месяцев, хотя может колебаться в интервале от 24 до 60 месяцев.
Потеря ёмкости при хранении :
| температура | с 40 % зарядом | со 100 % зарядом |
|---|---|---|
| 0 ⁰C | 2 % за год | 6 % за год |
| 25 ⁰C | 4 % за год | 20 % за год |
| 40 ⁰C | 15 % за год | 35 % за год |
| 60 ⁰C | 25 % за год | 40 % за три месяца |
Согласно всем действующим регламентам хранения и эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, для обеспечения длительного хранения необходимо подзаряжать их до уровня 70 % ёмкости 1 раз в 6–9 месяцев.
См. также
Примечания
Литература
- Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
- Юрий Филипповский Мобильное питание. Часть 2. (RU). КомпьютерраLab (26 мая 2009). - Подробная статья о Li-ion аккумуляторах.. Проверено 26 мая 2009.
Ссылки
- ГОСТ 15596-82 Термины и определения.
- ГОСТ 61960-2007 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые
- Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. iXBT (2001 г.)
- Литий-ионные аккумуляторные батареи отечественного производства
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
|---|---|
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
| Топливные элементы | Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной |
| Модели | Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент |
| Устройство | |
Оценка характеристик того или иного зарядного устройства затруднительна без понимания того, как собственно должен протекать образцовый заряд li-ion аккумулятора. Поэтому прежде чем перейти непосредственно к схемам, давайте немного вспомним теорию.
Какими бывают литиевые аккумуляторы
В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:
- с катодом из кобальтата лития;
- с катодом на основе литированного фосфата железа;
- на основе никель-кобальт-алюминия;
- на основе никель-кобальт-марганца.
У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.
Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.
Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):
| Обозначение | Типоразмер | Схожий типоразмер |
|---|---|---|
| XXYY0
, где XX - указание диаметра в мм, YY - значение длины в мм, 0 - отражает исполнение в виде цилиндра |
10180 | 2/5 AAA |
| 10220 | 1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины) | |
| 10280 | ||
| 10430 | ААА | |
| 10440 | ААА | |
| 14250 | 1/2 AA | |
| 14270 | Ø АА, длина CR2 | |
| 14430 | Ø 14 мм (как у АА), но длина меньше | |
| 14500 | АА | |
| 14670 | ||
| 15266, 15270 | CR2 | |
| 16340 | CR123 | |
| 17500 | 150S/300S | |
| 17670 | 2xCR123 (или 168S/600S) | |
| 18350 | ||
| 18490 | ||
| 18500 | 2xCR123 (или 150A/300P) | |
| 18650 | 2xCR123 (или 168A/600P) | |
| 18700 | ||
| 22650 | ||
| 25500 | ||
| 26500 | С | |
| 26650 | ||
| 32650 | ||
| 33600 | D | |
| 42120 |
Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.
Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы
Наиболее правильным способом заряда литиевых аккумуляторов является заряд в два этапа. Именно этот способ использует компания Sony во всех своих зарядниках. Несмотря на более сложный контроллер заряда, это обеспечивает более полный заряд li-ion аккумуляторов, не снижая срока их службы.
Здесь речь идет о двухэтапном профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно именуемым CC/CV (constant current, constant voltage). Есть еще варианты с ипульсным и ступенчатым токами, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее про зарядку импульсным током можно прочитать .
Итак, рассмотрим оба этапа заряда подробнее.
1. На первом этапе должен обеспечиваться постоянный ток заряда. Величина тока составляет 0.2-0.5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0.5-1.0С (где С - это емкость аккумулятора).
Например, для аккумулятора емкостью 3000 мА/ч, номинальный ток заряда на первом этапе равен 600-1500 мА, а ток ускоренного заряда может лежать в пределах 1.5-3А.
Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины, схема зарядного устройства (ЗУ) должна уметь поднимать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе ЗУ работает как классический стабилизатор тока.
Важно: если планируется заряд аккумуляторов со встроенной платой защиты (PCB), то при конструировании схемы ЗУ необходимо убедиться, что напряжение холостого хода схемы никогда не сможет превысить 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.
В момент, когда напряжение на аккумуляторе поднимется до значения 4.2 вольта, аккумулятор наберет приблизительно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависит от тока заряда: при ускоренном заряде будет чуть меньше, при номинальном - чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа заряда и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.
2. Второй этап заряда - это заряд аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно снижающимся (падающим) током.
На этом этапе ЗУ поддерживает на аккумуляторе напряжение 4.15-4.25 вольта и контролирует значение тока.
По мере набора емкости, зарядный ток будет снижаться. Как только его значение уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда считается оконченным.
Важным нюансом работы правильного зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после окончания зарядки. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов является крайне нежелательным их длительное нахождение под повышенным напряжением, которое обычно обеспечивает ЗУ (т.е. 4.18-4.24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие снижению его емкости. Под длительным нахождением подразумевается десятки часов и более.
За время второго этапа заряда, аккумулятор успевает набрать еще примерно 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд аккумулятора таким образом достигает 90-95%, что является отличным показателем.
Мы рассмотрели два основных этапа заряда. Однако, освещение вопроса зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап заряда - т.н. предзаряд.
Предварительный этап заряда (предзаряд) - этот этап используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный эксплуатационный режим.
На этом этапе заряд обеспечивается постоянным током пониженной величины до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет значения 2.8 В.
Предварительный этап необходим для предотвращения вспучивания и разгерметизации (или даже взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, имеющих, например, внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такой аккумулятор сразу пропустить большой ток заряда, это неминуемо приведет к его разогреву, а дальше как повезет.
Еще одна польза предзаряда - это предварительный прогрев аккумулятора, что актуально при заряде при низких температурах окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).
Интеллектуальная зарядка должна уметь контролировать напряжение на аккумуляторе во время предварительного этапа заряда и, в случае, если напряжение долгое время не поднимается, делать вывод о неисправности аккумулятора.
Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора (включая этап предзаряда) схематично изображены на этом графике:
Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое. Понижение напряжения заряда на 0,1 вольт уменьшает емкость заряженной батареи примерно на 10%, но значительно продляет срок ее службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения его из зарядного устройства составляет 4.1-4.15 вольта.
Резюмирую вышесказанное, обозначим основные тезисы:
1. Каким током заряжать li-ion аккумулятор (например, 18650 или любой другой)?
Ток будет зависеть от того, насколько быстро вы хотели бы его зарядить и может лежать в пределах от 0.2С до 1С.
Например, для аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 3400 мА/ч, минимальный ток заряда составляет 680 мА, а максимальный - 3400 мА.
2. Сколько времени нужно заряжать, например, те же аккумуляторные батарейки 18650?
Время заряда напрямую зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле:
T = С / I зар.
Например, время заряда нашего аккумулятора емкостью 3400 мА/ч током в 1А составит около 3.5 часов.
3. Как правильно зарядить литий-полимерный аккумулятор?
Любые литиевые аккумуляторы заряжаются одинаково. Не важно, литий-полимерный он или литий-ионный. Для нас, потребителей, никакой разницы нет.
Что такое плата защиты?
Плата защиты (или PCB - power control board) предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Как правило в модули защиты также встроена и защита от перегрева.
В целях соблюдения техники безопасности запрещено использование литиевых аккумуляторов в бытовых приборах, если в них не встроена плата защиты. Поэтому во всех аккумуляторах от сотовых телефонов всегда есть PCB-плата. Выходные клеммы АКБ размещены прямо на плате:
В этих платах используется шестиногий контроллер заряда на специализированной микрухе (JW01, JW11, K091, G2J, G3J, S8210, S8261, NE57600 и пр. аналоги). Задачей этого контроллера является отключение батареи от нагрузки при полном разряде батареи и отключение аккумулятора от зарядки при достижении 4,25В.
Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны:
Если говорить об 18650, то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее. Модуль защиты располагается в районе минусовой клеммы аккумулятора.
Плата увеличивает длину аккумулятора на 2-3 мм.
Аккумуляторы без PCB-модуля обычно входят в состав батарей, комплектуемых собственными схемами защиты.
Любой аккумулятор с защитой легко превращается в аккумулятор без защиты, достаточно просто распотрошить его.
На сегодняшний день максимальная емкость аккумулятора 18650 составляет 3400 мА/ч. Аккумуляторы с защитой обязательно имеют соответствующее обозначение на корпусе ("Protected").
Не стоит путать PCB-плату с PCM-модулем (PCM - power charge module). Если первые служат только целям защиты аккумулятора, то вторые предназначены для управления процессом заряда - ограничивают ток заряда на заданном уровне, контролируют температуру и, вообще, обеспечивают весь процесс. PCM-плата - это и есть то, что мы называем контроллером заряда.
Надеюсь, теперь не осталось вопросов, как зарядить аккумулятор 18650 или любой другой литиевый? Тогда переходим к небольшой подборке готовых схемотехнических решений зарядных устройств (тех самых контроллеров заряда).
Схемы зарядок li-ion аккумуляторов
Все схемы подходят для зарядки любого литиевого аккумулятора, остается только определиться с зарядным током и элементной базой.
LM317
Схема простого зарядного устройства на основе микросхемы LM317 с индикатором заряда:
Схема простейшая, вся настройка сводится к установке выходного напряжения 4.2 вольта с помощью подстроечного резистора R8 (без подключенного аккумулятора!) и установке тока заряда путем подбора резисторов R4, R6. Мощность резистора R1 - не менее 1 Ватт.
Как только погаснет светодиод, процесс заряда можно считать оконченным (зарядный ток до нуля никогда не уменьшится). Не рекомендуется долго держать аккумулятор в этой зарядке после того, как он полностью зарядится.
Микросхема lm317 широко применяется в различных стабилизаторах напряжения и тока (в зависимости от схемы включения). Продается на каждом углу и стоит вообще копейки (можно взять 10 шт. всего за 55 рублей).
LM317 бывает в разных корпусах:
Назначение выводов (цоколевка):
Аналогами микросхемы LM317 являются: GL317, SG31, SG317, UC317T, ECG1900, LM31MDT, SP900, КР142ЕН12, КР1157ЕН1 (последние два - отечественного производства).
Зарядный ток можно увеличить до 3А, если вместо LM317 взять LM350. Она, правда, подороже будет - 11 руб/шт .
Печатная плата и схема в сборе приведены ниже:
Старый советский транзистор КТ361 можно заменить на аналогичный p-n-p транзистор (например, КТ3107, КТ3108 или буржуйские 2N5086, 2SA733, BC308A). Его можно вообще убрать, если индикатор заряда не нужен.
Недостаток схемы: напряжение питания должно быть в пределах 8-12В. Это связано с тем, что для нормальной работы микросхемы LM317 разница между напряжением на аккумуляторе и напряжением питания должна быть не менее 4.25 Вольт. Таким образом, от USB-порта запитать не получится.
MAX1555 или MAX1551
MAX1551/MAX1555 - специализированные зарядные устройства для Li+ аккумуляторов, способные работать от USB или от отдельного адаптера питания (например, зарядника от телефона).
Единственное отличие этих микросхем - МАХ1555 выдает сигнал для индикатора процесса заряда, а МАХ1551 - сигнал того, что питание включено. Т.е. 1555 в большинстве случаев все-таки предпочтительнее, поэтому 1551 сейчас уже трудно найти в продаже.
Подробное описание этих микросхем от производителя - .
Максимальное входное напряжение от DC-адаптера - 7 В, при питании от USB - 6 В. При снижении напряжения питания до 3.52 В, микросхема отключается и заряд прекращается.
Микросхема сама детектирует на каком входе присутствует напряжение питания и подключается к нему. Если питание идет по ЮСБ-шине, то максимальный ток заряда ограничивается 100 мА - это позволяет втыкать зарядник в USB-порт любого компьютера, не опасаясь сжечь южный мост.
При питании от отдельного блока питания, типовое значение зарядного тока составляет 280 мА.
В микросхемы встроена защита от перегрева. Но даже в этом случае схема продолжает работать, уменьшая ток заряда на 17 мА на каждый градус выше 110°C.
Имеется функция предварительного заряда (см. выше): до тех пор пока напряжение на аккумуляторе находится ниже 3В, микросхема ограничивает ток заряда на уровне 40 мА.
Микросхема имеет 5 выводов. Вот типовая схема включения:
Если есть гарантия, что на выходе вашего адаптера напряжение ни при каких обстоятельствах не сможет превысить 7 вольт, то можно обойтись без стабилизатора 7805.
Вариант зарядки от USB можно собрать, например, на такой .
Микросхемы не нуждается ни во внешних диодах, ни во внешних транзисторах. Вообще, конечно, шикарные микрухи! Только они маленькие слишком, паять неудобно. И еще стоят дорого ().
LP2951
Стабилизатор LP2951 производится фирмой National Semiconductors (). Он обеспечивает реализацию встроенной функции ограничения тока и позволяет формировать на выходе схемы стабильный уровень напряжения заряда литий-ионного аккумулятора.
Величина напряжения заряда составляет 4,08 - 4,26 вольта и выставляется резистором R3 при отключенном аккумуляторе. Напряжение держится очень точно.
Ток заряда составляет 150 - 300мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP2951 (зависит от производителя).
Диод применять с небольшим обратным током. Например, он может быть любым из серии 1N400X, какой удастся приобрести. Диод используется, как блокировочный, для предотвращения обратного тока от аккумулятора в микросхему LP2951 при отключении входного напряжения.
Данная зарядка выдает довольно низкий зарядный ток, так что какой-нибудь аккумулятор 18650 может заряжаться всю ночь.
Микросхему можно купить как в DIP-корпусе , так и в корпусе SOIC (стоимость около 10 рублей за штучку).
MCP73831
Микросхема позволяет создавать правильные зарядные устройства, к тому же она дешевле, чем раскрученная MAX1555.
Типовая схема включения взята из :
Важным достоинством схемы является отсутствие низкоомных мощных резисторов, ограничивающих ток заряда. Здесь ток задается резистором, подключенным к 5-ому выводу микросхемы. Его сопротивление должно лежать в диапазоне 2-10 кОм.
Зарядка в сборе выглядит так:
Микросхема в процессе работы неплохо так нагревается, но это ей вроде не мешает. Свою функцию выполняет.
Вот еще один вариант печатной платы с smd светодиодом и разъемом микро-USB:
LTC4054 (STC4054)
Очень простая схема, отличный вариант! Позволяет заряжать током до 800 мА (см. ). Правда, она имеет свойство сильно нагреваться, но в этом случае встроенная защита от перегрева снижает ток.
Схему можно существенно упростить, выкинув один или даже оба светодиодов с транзистором. Тогда она будет выглядеть вот так (согласитесь, проще некуда: пара резисторов и один кондер):
Один из вариантов печатной платы доступен по . Плата рассчитана под элементы типоразмера 0805.
I=1000/R . Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Я для своих целей взял резистор на 2.7 кОм, при этом ток заряда получился около 360 мА.
Радиатор к этой микросхеме вряд ли получится приспособить, да и не факт, что он будет эффективен из-за высокого теплового сопротивления перехода кристалл-корпус. Производитель рекомендует делать теплоотвод "через выводы" - делать как можно более толстые дорожки и оставлять фольгу под корпусом микросхемы. И вообще, чем больше будет оставлено "земляной" фольги, тем лучше.
Кстати говоря, бОльшая часть тепла отводится через 3-ю ногу, так что можно сделать эту дорожку очень широкой и толстой (залить ее избыточным количеством припоя).
Корпус микросхемы LTC4054 может иметь маркировку LTH7 или LTADY.
LTH7 от LTADY отличаются тем, что первая может поднять сильно севший аккумулятор (на котором напряжение меньше 2.9 вольт), а вторая - нет (нужно отдельно раскачивать).
Микросхема вышла очень удачной, поэтому имеет кучу аналогов: STC4054, MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051. Прежде, чем использовать какой-либо из аналогов, сверяйтесь по даташитам.
TP4056
Микросхема выполнена в корпусе SOP-8 (см. ), имеет на брюхе металлический теплосьемник не соединенный с контактами, что позволяет эффективнее отводить тепло. Позволяет заряжать аккумулятор током до 1А (ток зависит от токозадающего резистора).
Схема подключения требует самый минимум навесных элементов:
Схема реализует классический процесс заряда - сначала заряд постоянным током, затем постоянным напряжением и падающим током. Все по-научному. Если разобрать зарядку по шагам, то можно выделить несколько этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (это происходит постоянно).
- Этап предзаряда (если аккумулятор разряжен ниже 2.9 В). Заряд током 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2 кОм) до уровня 2.9 В.
- Зарядка максимальным током постоянной величины (1000мА при R prog = 1.2 кОм);
- При достижении на батарее 4.2 В, напряжение на батарее фиксируется на этому уровне. Начинается плавное снижение зарядного тока.
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2кОм) зарядное устройство отключается.
- После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора (см. п.1). Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 мкА. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова. И так по кругу.
Ток заряда (в амперах) рассчитывается по формуле I=1200/R prog . Допустимый максимум - 1000 мА.
Реальный тест зарядки с аккумулятором 18650 на 3400 мА/ч показан на графике:
Достоинство микросхемы в том, что ток заряда задается всего лишь одним резистором. Не требуются мощные низкоомные резисторы. Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки. При неподключенном аккумуляторе, индикатор моргает с периодичностью раз в несколько секунд.
Напряжение питания схемы должно лежать в пределах 4.5...8 вольт. Чем ближе к 4.5В - тем лучше (так чип меньше греется).
Первая нога используется для подключения датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею (обычно это средний вывод аккумулятора сотового телефона). Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостанавливается. Если контроль температуры вам не нужен, просто посадите эту ногу на землю.
Внимание! У данной схемы есть один существенный недостаток: отсутствие схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выгорает из строя из-за превышения максимального тока. При этом напряжение питания схемы напрямую попадает на аккумулятор, что очень опасно.
Печатка простая, делается за час на коленке. Если время терпит, можно заказать готовые модули. Некоторые производители готовых модулей добавляют защиту от перегрузки по току и переразряда ( , например, можно выбрать какая плата вам нужна - с защитой или без, и с каким разъемом).
Так же можно найти готовые платы с выведенным контактом под температурный датчик. Или даже модуль зарядки с несколькими запараллеленными микросхемами TP4056 для увеличения зарядного тока и с защитой от переполюсовки (пример).
LTC1734
Тоже очень простая схема. Ток заряда задается резистором R prog (например, если поставить резистор на 3 кОм, ток будет равен 500 мА).
Микросхемы обычно имеют маркировку на корпусе: LTRG (их можно часто встретить в старых телефонах от самсунгов).
Транзистор подойдет вообще любой p-n-p, главное, чтобы он был рассчитан на заданный ток зарядки.
Индикатора заряда на указанной схеме нет, но в на LTC1734 сказано, что вывод "4" (Prog) имеет две функции - установку тока и контроль окончания заряда батареи. Для примера приведена схема с контролем окончания заряда при помощи компаратора LT1716.
Компаратор LT1716 в данном случае можно заменить дешевым LM358.
TL431 + транзистор
Наверное, сложно придумать схему из более доступных компонентов. Здесь самое сложное - это найти источник опорного напряжение TL431. Но они настолько распространены, что встречаются практически повсюду (редко какой источник питания обходится без этой микросхемы).
Ну а транзистор TIP41 можно заменить любым другим с подходящим током коллектора. Подойдут даже старые советские КТ819, КТ805 (или менее мощные КТ815, КТ817).
Настройка схемы сводится к установке выходного напряжения (без аккумулятора!!!) с помощью подстроечного резистора на уровне 4.2 вольта. Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока.
Данная схема полноценно реализует двухэтапный процесс заряда литиевых аккумуляторов - сначала зарядка постоянным током, затем переход к фазе стабилизации напряжения и плавное снижение тока практически до нуля. Единственный недостаток - плохая повторяемость схемы (капризна в настройке и требовательна к используемым компонентам).
MCP73812
Есть еще одна незаслуженно обделенная вниманием микросхема от компании Microchip - MCP73812 (см. ). На ее базе получается очень бюджетный вариант зарядки (и недорогой!). Весь обвес - всего один резистор!
Кстати, микросхема выполнена в удобном для пайки корпусе - SOT23-5.
Единственный минус - сильно греется и нет индикации заряда. Еще она как-то не очень надежно работает, если у вас маломощный источник питания (который дает просадку напряжения).
В общем, если для вас индикация заряда не важна, и ток в 500 мА вас устраивает, то МСР73812 - очень неплохой вариант.
NCP1835
Предлагается полностью интегрированное решение - NCP1835B, обеспечивающее высокую стабильность зарядного напряжения (4.2 ±0.05 В).
Пожалуй, единственным недостатком данной микросхемы является ее слишком миниатюрный размер (корпус DFN-10, размер 3х3 мм). Не каждому под силу обеспечить качественную пайку таких миниатюрных элементов.
Из неоспоримых преимуществ хотелось бы отметить следующее:
- Минимальное количество деталей обвеса.
- Возможность зарядки полностью разряженной батареи (предзаряд током 30мА);
- Определение окончания зарядки.
- Программируемый зарядный ток - до 1000 мА.
- Индикация заряда и ошибок (способна детектировать незаряжаемые батарейки и сигнализировать об этом).
- Защита от продолжительного заряда (изменяя емкость конденсатора С т, можно задать максимальное время заряда от 6,6 до 784 минут).
Стоимость микросхемы не то чтобы копеечная, но и не настолько большая (~1$), чтобы отказаться от ее применения. Если вы дружите с паяльником, я бы порекомендовал остановить свой выбор на этом варианте.
Более подробное описание находится в .
Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?
Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.
Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.
Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора - это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:
Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.
Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.
Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:
U r = 5 - 2.8 = 2.2 Вольта
Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.
Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.
Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:
R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом
Мощность рассеивания резистора:
P r = I 2 R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт
В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:
I зар = (U ип - 4.2) / R = (5 - 4.2) / 2.2 = 0.3 А
Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).
Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение - электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.
Если в ваш аккумулятор встроена плата защиты, о которых речь шла чуть выше, то все упрощается. По достижении определенного напряжение на аккумуляторе, плата сама отключит его от зарядного устройства. Однако такой способ зарядки имеет существенные минусы, о которых мы рассказывали в .
Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).
Зарядка при помощи лабораторного блока питания
Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).
Все, что нужно сделать для зарядки li-ion - это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.
Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.
Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.
Как видите, лабораторный БП - практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.
Как заряжать литиевые батарейки?
И если мы говорим об одноразовой батарейке, не предназначенной для перезарядки, то правильный (и единственно верный) ответ на этот вопрос - НИКАК.
Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.
Кстати, если говорить о незаряжаемой батарейке CR2032, то есть очень похожая на нее LIR2032 - это уже полноценный аккумулятор. Ее можно и нужно заряжать. Только у нее напряжение не 3, а 3.6В.
О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.
Где покупать микросхемы?
Можно, конечно, купить в Чипе-Дипе, но там дорого. Поэтому я всегда беру в одном очень секретном магазине)) Самое главное, правильно выбрать продавца, тогда заказ придет быстро и наверняка.
Для вашего удобства, я собрал самых надежных продавцов в одну таблицу, пользуйтесь на здоровье:
| наименование | даташит | цена | |
|---|---|---|---|
| LM317 | 5.5 руб/шт. | Купить | |
| LM350 | |||
| LTC1734 | 42 руб/шт. | Купить | |
| TL431 | 85 коп/шт. | Купить | |
| MCP73812 | 65 руб/шт. | Купить | |
| NCP1835 | 83 руб/шт. | Купить | |
| *Все микросхемы с бесплатной доставкой | |||
Разные подвиды литий-ионной электрохимической системы именуются по типу своего активного вещества, и могут обозначаться как полностью словами, так и в укороченном виде - химическими формулами. Объединяется литиевые аккумуляторы то, что все они относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам . Такие формулы не очень удобны для прочтения или запоминания ввиду своей сложности, поэтому и они упрощаются - к буквенной аббревиатуре.
Например, кобальтит лития, один из самых распространенных материалов для литий-ионных аккумуляторов, имеет химическую формулу LiCoO2 и аббревиатуру LCO. Из соображений простоты также может использоваться короткая словесная форма - “литий-кобальт”. Кобальт является основным активным веществом и именно по нему характеризуется тип батареи. Другие типы литий-ионной электрохимической системы также аналогично сводятся к краткой форме. В данном разделе перечислены шесть наиболее распространенных типов Li-ion.
1. Литий-кобальтовый аккумулятор (LiCoO2)
Высокий показатель удельной энергоемкости делает литий-кобальтовый аккумулятор популярным выбором для мобильных телефонов, ноутбуков и цифровых камер. Аккумулятор состоит из графитового анода и катода из оксида кобальта. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются к нему от анода. При зарядке направление меняется на противополжное. Недостатком литий-кобальтовых аккумуляторов является относительно короткий срок службы, низкая термическая стабильность и ограниченные возможности нагрузки (удельная мощность). На рисунке 1 показана структура такого аккумулятора.
Рисунок 1: Структура литий-кобальтового аккумулятора. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, при зарядке - от катода к аноду.
Литий-кобальтовый аккумулятор не может заряжаться или разряжаться при силе тока выше его С-рейтинга . Это означает, что ячейка типоразмера 18650 емкостью 2400 мАч может заряжаться или разряжаться силой тока не превышающей 2400 мА. Принудительный быстрый заряд или подключение нагрузки, требующей больше чем 2400 мА, приведет к чрезмерному стрессу и перегреву. Для быстрой зарядки производители рекомендуют С-рейтинг 0,8С или около 2000 мА. При использовании системы защиты аккумулятора она автоматически ограничивает заряд и разряд до безопасного уровня - около 1С.
Рисунок 2: Оценка усредненного литий-кобальтового аккумулятора. Литий-кобальтовая электрохимическая система выделяется высокой удельной энергоемкостью, но предлагает средние показатели удельной мощности, безопасности и срока службы.
Таблица характеристик
| Кобальтит лития: LiCoO2 катод (~60% кобальта), графитовый анод Сокращенное обозначение: LCO или Li-кобальт Разработан в 1991 году |
|
| Напряжение | 3,60 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3,0-4,2 В |
| Удельная энергоемкость | 150-200 Вт*ч/кг; специализированные модели обеспечивают до 240 Вт*ч/кг |
| С-рейтинг зарядки | 0,7-1С, напряжение зарядки 4,20 В (большинство моделей); процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи |
| С-рейтинг разряда | 1С; при напряжении ниже 2,50 В срабатывает отсекатель; разряд силой тока выше 1С сокращает срок службы батареи |
| 500-1000, зависит от глубины разрядов, нагрузки, температур | |
| Тепловой пробой | Обычно при 150°С. Полный заряд способствует тепловому пробою |
| Области применения | Мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты |
| Комментарий | Очень высокая удельная энергоемкость, ограниченная удельная мощность. Высокая стоимость кобальта. Служит в областях, где требуется большая емкость. Имеет стабильный спрос на рынке. |
Таблица 3: Характеристики литий-кобальтового аккумулятора.
2. Литий-марганцевый аккумулятор (LiMn2O4)
Устройство литий-ионного аккумулятора с марганцевой шпинелью было впервые опубликовано в журнале “Materials Research Bulletin” в 1983 году. В 1996 году компания Moli Energy коммерциализировала литий-ионную ячейку с литий-марганцевой шпинелью в качестве материала катода. Трехмерная структура шпинели улучшает поток ионов на электроде, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления и улучшению обработки тока. Еще одним преимуществом шпинели является высокая термическая стабильность, но срок жизни и количество циклов ограничены.
Низкое внутреннее сопротивление такой ячейки обеспечивает быструю зарядку и высокое возможное значение силы тока разряда. В типоразмере 18650 литий-марганцевый аккумулятор может разряжаться силой тока в 20-30 А с умеренным теплообразованием. Кроме того, он способен выдерживать импульсы до 50 А в течение одной-двух секунд. Непрерывная же нагрузка в 50 А приведет к нагреву аккумулятора, который не должен превышать 80°С во избежание деградации. Литий-марганцевые аккумуляторы используются для мощных инструментов, медицинского оборудования, а также в гибридном и электротранспорте.
На рисунке 4 представлена графическая иллюстрация трехмерного кристаллического каркаса материала катода. Этим материалом является шпинель, у которой начальная ромбовидная решеточная структура трансформируется в трехмерную.
Рисунок 4: Структура литий-марганцевого аккумулятора. Катод из кристаллической литий-марганцевой шпинели имеет трехмерную каркасную структуру, которая появляется после начального формирования. Шпинель обеспечивает низкое сопротивление, но имеет более умеренную удельную энергоемкость чем кобальт.
Емкость литий-марганцевого аккумулятора примерно на треть меньше емкости литий-кобальтового. Гибкость конструкции позволяет оптимизировать батарею под разные задачи и создавать модели с улучшенными показателями долговечности, удельной мощности или удельной энергоемкости. Например, версия в типоразмере 18650 с улучшенными показателями мощности имеет емкость только 1100 мАч, в то время как оптимизированная под емкость - 1500 мАч.
На рисунке 5 показан гексагональный график типичного литий-марганцевого аккумулятора. Характеристики могут казаться не особо впечатлительными, но последние разработки имеют улучшенные показатели удельной мощности, безопасности и продолжительности жизни.
Рисунок 5: Характеристики обычной литий-марганцевого аккумулятора. Несмотря на умеренную общую производительность, новые модели демонстрируют улучшенную удельную мощность, безопасность и продолжительность жизни.
Большинство литий-марганцевых аккумуляторов комбинируются с литий-никель-марганец-кобальтовыми (NMC) для повышения удельной энергоемкости и продления срока службы. Этот союз позволяет использовать сильные стороны обеих систем и называется LMO (NMC). Именно эти комбинированные аккумуляторы используются в большинстве электромобилей, таких как Nissan Leaf, Chevy Volt и BMW i3. LMO – часть такого аккумулятора, которая составляет около 30 %, обеспечивает высокие ускорительные возможности электродвигателя, а NMC часть отвечает за размер автономного пробега.
Исследования в литий-ионной системе в значительной степени тяготеют к объединению литий-марганцевых ячеек с никель-марганец-кобальтовыми. Эти три активных металла могут легко комбинироваться для получения необходимого результата, будь то повышение удельной мощности, нагрузочных характеристик или долговечности аккумулятора. Этот широкий диапазон возможностей необходим для удовлетворения единым технологическим подходом и рынка потребительских аккумуляторов, где на первом месте стоит емкость; и промышленности, где необходимы аккумуляторные системы с хорошими нагрузочными характеристиками, с длительным сроком службы и с надежной безопасной эксплуатацией.
Таблица характеристик
| Литий-марганцевая шпинель: LiMn2O4 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: LNO или Li-марганцевый (шпинельная структура) Разработан в 1996 году |
|
| Напряжение | 3,70 В (3,80 В) номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3.0-4.2 В |
| Удельная энергоемкость | 100-150 Вт*ч/кг |
| С-рейтинг зарядки | Стандарт 0,7-1С; 3С максимум; зарядка до 4,20 В (большинство батарей) |
| С-рейтинг разряда | Стандарт 1С; существуют модели с 10С; импульсный режим работы (до 5 секунд) - 50С; при 2,50 В срабатывает отсекатель |
| Количество циклов заряда/разряда | 300-700 (зависит от глубины разрядов и температуры) |
| Тепловой пробой | Обычно при 250°С. Полный заряд способствует тепловому пробою |
| Области применения | Электроинструмент, медицинское оборудование, электрические силовые агрегаты |
| Комментарий | Высокая мощность, но умеренная емкость; безопаснее литий-кобальтовых; обычно используется вместе с NMC |
Таблица 6: Характеристики литий-марганцевого аккумулятора.
3. Литий-никель-марганец-кобальт-оксидный аккумулятор (LiNiMnCoO2 или NMC)
Одним из наиболее успешных вариантов исполнения литий-ионной электрохимической системы является сочетание никеля, марганца и кобальта (NMC) в катоде. По аналогии с литий-марганцевыми, эти системы могут быть оптимизированы под емкость или мощность. Например, NMC аккумулятор в типоразмере ячейки 18650 для умеренной нагрузки имеет емкость 2800 мАч и может обеспечивать силу тока в 4-5 А; а версия в том же типоразмере, но оптимизированная под мощностные показатели имеет емкость только 2000 мАч, но максимальная сила тока разряда у нее - 20 А. Показатель емкости можно увеличить и до 4000 мАч, если добавить кремний в состав анода. Но с другой стороны, это значительно уменьшит нагрузочные характеристики и долговечность такого аккумулятора. Столь неоднозначные свойства кремния появляются из-за его расширения и уменьшения при зарядке и разрядке, что приводит к механической неустойчивости конструкции аккумулятора.
Секрет технологии NMC заключается в сочетании никеля и марганца. Аналогией может служить обыкновенная поваренная соль, где по отдельности ее компоненты, натрий и хлор, весьма токсичны, но их соединение образует полезное пищевое вещество. Никель известен своей высокой удельной энергоемкостью, но низкой стабильностью; марганец же имеет преимущество в виде шпинельной структуры, которая обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но и приводит к недостатку - низкой удельной энергоемкости. Сочетание же этих металлов позволяет компенсировать недостатки друг друга и в полной мере использовать сильные стороны.
NMC аккумуляторы используются для мощных инструментов, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Состав катода, как правило, сочетает никель, марганец и кобальт в равных частях, то есть каждый металл занимает треть от общего объема. Такое распределение также известно как 1-1-1. Сочетание в таком соотношении выгодно своей стоимостью, так как содержание дорогого кобальта по сравнению с другими версиями батареи относительно невелико. Еще одна успешная комбинация NMC содержит 5 частей никеля, 3 части кобальта и 2 части марганца. Эксперименты по поиску удачных комбинаций этих активных веществ продолжаются и сейчас. На рисунке 7 продемонстрированы характеристики NMC аккумулятора.
Рисунок 7: Оценка характеристик NMC аккумулятора. NMC имеет хорошую общую производительность и отличную удельную энергоемкость. Данная аккумуляторная батарея является предпочтительным выбором для электротранспорта и имеет самый низкий уровень самонагрева.
В последнее время именно NMC семейство литий-ионных аккумуляторов становится наиболее популярным, так как благодаря возможности комбинации активных веществ стало можно сконструировать экономичную батарею с хорошей производительностью. Никель, марганец и кобальт могут быть легко смешаны, чтобы удовлетворить широкий спектр требований для электротранспорта или систем аккумулирования энергии, специфика которых предполагает регулярную циклическую работу. Семейство NMC аккумуляторов активно развивается в своем многообразии.
Таблица характеристик
| Литий-никель-марганец-кобальт-оксид: LiNiMnCoO2 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN аналогично комбинации металлов) Разработан в 2008 году |
|
| Напряжение | 3,60-3,70 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 3,0-4,2 В на ячейку, или выше |
| Удельная энергоемкость | 150-220 Вт*ч/кг |
| С-рейтинг зарядки | 0,7-1С, зарядка до 4,20 В, в некоторых моделях до 4,30 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа; зарядка силой тока больше 1С сокращает срок службы батареи |
| С-рейтинг разряда | 1С; некоторые модели поддерживают 2С; при 2,50 В срабатывает отсекатель |
| Количество циклов заряда/разряда | |
| Тепловой пробой | Обычно при 210°С. Полный заряд способствует тепловому пробою |
| Области применения | Электровелосипеды, медицинское оборудование, электроавтомобили, промышленность |
| Комментарий | Обеспечивают высокую емкость и мощность. Широкий спектр практического применения, доля рынка стремительно растет |
Таблица 8: Характеристики литий-никель-марганец-кобальт-оксидного (NMC) аккумулятора.
4. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4)
В 1996 году в Университете Техаса были проведены исследования, в результате которых был открыт новый материал для катода литий-ионного аккумулятора - фосфат железа. Литий-фосфатная система обладает хорошими электрохимическими свойствами и низким внутренним сопротивлением. Основными преимуществами таких аккумуляторов являются высокие показатели силы тока и длительный срок службы, к тому же они обладают хорошей термической стабильностью, повышенной безопасностью и стойкостью к неправильному использованию.
Литий-фосфатные аккумуляторы более стойкие к перезаряду; если в случае длительного времени к ним приложено высокое напряжение, то деградационные последствия будут заметно меньше в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. Но напряжение ячейки в 3.20 В снижает показатель удельной энергоемкости до уровня, даже меньшего, чем у литий-марганцевого аккумулятора. Для большинства электрических батарей холодная температура снижает производительность, а жаркая - сокращает срок службы, литий-фосфатная система не является исключением. У нее также более высокий показатель саморазряда в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами. На рисунке 9 показаны характеристики литий-фосфатного аккумулятора.
Литий-фосфатные аккумуляторы часто используются в качестве замены стартерным свинцово-кислотным. Четыре ячейки такой батареи обеспечат напряжение в 12,8 В - аналогично напряжению шести двухвольтовых ячеек свинцово-кислотного. Генератор транспортного средства подзаряжает свинцово-кислотный аккумулятор до 14,40 В (2,40 В на ячейку). Для четырех литий-фосфатных ячеек предельное напряжение будет 3,60 В, после подзарядку следует отключить, чего не происходит в обычном транспортном средстве. Литий-фосфатные аккумуляторы стойкие к перезаряду, но даже они при длительном сохранении повышенного напряжения деградируют. Низкие температуры также могут стать проблемой при использовании литий-фосфатного аккумулятора в качестве замены обычному стартерному.
Рисунок 9: Оценка характеристик литий-фосфатного аккумулятора. Литий-фосфатная электрохимическая система обеспечивает отличную безопасность и долгий срок службы, но удельная энергоемкость имеет умеренные показатели, также стоит отметить высокий саморазряд.
Таблица характеристик
| Литий-феррофосфат: LiFePO4 катод, графитовый анод Сокращенное обозначение: LFP или Li-фосфат |
|
| Напряжение | 3,20, 3,30 В номинальное; стандартный рабочий диапазон - 2,5-3,65 В на ячейку |
| Удельная энергоемкость | 90-120 Вт*ч/кг |
| С-рейтинг зарядки | 1С стандарт, зарядка до 3,65 В; процесс зарядки обычно занимает 3 часа |
| С-рейтинг разряда | 1С; в некоторых версиях до 25С; 40 А импульсные токи (до 2 секунд); при 2,50 В срабатывает отсекатель (напряжение ниже 2 В наносит вред) |
| Количество циклов заряда/разряда | 1000-2000 (зависит от глубины разрядов и температуры) |
| Тепловой пробой | 270°С. Безопасный даже при полном заряде |
| Области применения | Портативные и стационарные устройства, где необходимы высокие токи нагрузки и выносливость |
Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток , каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.
Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:
Литий-ионные аккумуляторы - это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).
Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.
Литий-титанат (титанат лития) - это относительно новый класс литий-ионных АКБ - (подробнее ). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.
Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.
Особенности:
- Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
- Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
- Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
- Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
- Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
- Срок годности: >10 лет
- Саморазряд: 2-5 %/месяц
- Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
- Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
- Температура: от -40 до +55°C
- Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.
Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)
Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.
Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.
Особенности:
- Номинальное напряжение: 3,7 В
- Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
- Ток заряда, скорость: 0.2-10С
- Предельное напряжение разряда: 2.5 В
- Скорость разряда: до 50С
- Выносливость в циклах: 400 циклов
Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.
В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.
Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) - эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.
Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.
Особенности:
- Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
- Чрезвычайно низкий саморазряд
- Работоспособность в экстремальных условиях
- Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)
Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) - такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.
Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.
Особенности:
- Высокая плотность энергии
- Очень стабильное напряжение разрядки
- Более чем 10-ти летний срок хранения
- Рабочая температура: -40 до +60°С
Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.
Особенности:
- Высокая плотность энергии
- Долгий срок годности при хранении
- Широкий температурный диапазон
- Хорошая герметизация
- Стабильное разрядное напряжение
Li-FeS2 батареи
Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.
Рост потребительского интереса к мобильным гаджетам и технологичной портативной технике в целом заставляет производителей совершенствовать свою продукцию в самых разных направлениях. При этом существует целый ряд общих параметров, работа над которыми ведется в одном русле. К таким можно отнести способ энергообеспечения. Всего несколько лет назад активные участники рынка могли наблюдать процесс вытеснения более совершенными элементами никель-металлгидридного происхождения NiMH. Сегодня же соперничество ведут между собой уже новые генерации батарей. Широко распространенную литий-ионную технологию в некоторых сегментах успешно вытесняет литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в новом блоке не так заметно для рядового пользователя, но в некоторых аспектах оно существенно. При этом, как и в случае конкуренции элементов NiCd и NiMH, замещающая технология далеко не безупречна и по некоторых показателям уступает аналогу.
Устройство аккумулятора Li-ion
Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.
Устройство литий-полимерного аккумулятора
Толчком для совершенствования литиевых аккумуляторов стала необходимость борьбы с двумя недостатками существующих батарей Li-ion. Во-первых, они небезопасны в эксплуатации, а во-вторых, довольно дорого обходятся по цене. Избавляться от данных минусов технологи решили путем смены электролита. В итоге на смену пропитанному пористому сепаратору пришел полимерный электролит. Надо отметить, что полимер и раньше использовался в электротехнических нуждах в качестве пластиковой пленки, проводящей ток. В современной же батарее толщина элемента Li-pol достигает 1 мм, что также снимает с разработчиков ограничения по использованию различных форм и размеров. Но главное заключается в отсутствии жидкого электролита, благодаря чему исключается риск воспламенения. Теперь стоит подробнее рассмотреть отличия от литий-ионных элементов.
В чем главное отличие от ионной батареи?
Принципиальное отличие заключается в отказе от гелиевых и жидкостных электролитов. Для более полного понимания этой разницы стоит обратиться к современным моделям автомобильных аккумуляторов. Потребность в замене жидкого электролита была обусловлена, опять же, интересами безопасности. Но если в случае с автомобильными АКБ прогресс остановился на тех же пористых электролитах с пропиткой, то литиевые модели получили полноценную твердую основу. Чем же так хорош твердотельный литий-полимерный аккумулятор? Отличие от ионного заключается в том, что активное вещество в виде пластины в зоне контакта с литием препятствует формированию дендритов при циклировании. Как раз этот фактор исключает вероятность взрывов и возгораний таких батарей. Это лишь то, что касается достоинств, но также есть и слабые места у новых элементов питания.
Срок службы литий-полимерного аккумулятора
В среднем такие аккумуляторы выдерживают порядка 800-900 циклов зарядки. Данный показатель является скромным на фоне современных аналогов, но даже не этот фактор можно рассматривать как определяющий ресурс элемента. Дело в том, что такие аккумуляторы подвержены интенсивному старению независимо от характера эксплуатации. То есть даже если батарея вовсе не используется, ее ресурс будет сокращаться. Причем не имеет значения, это литий-ионный аккумулятор или литий-полимерный элемент. Все источники питания, базирующиеся на литиевой основе, характеризуются данным процессом. Существенную утрату в объеме можно заметить уже через год после приобретения. Спустя 2-3 года некоторые батареи и вовсе выходят из строя. Но многое зависит от производителя, поскольку внутри сегмента тоже есть различия в качестве исполнения аккумулятора. Аналогичные проблемы свойственны и элементам NiMH, которые подвергаются старению при резких температурных колебаниях.
Недостатки
Кроме проблем с быстрым устареванием, такие аккумуляторы нуждаются в дополнительной системе защиты. Связано это с тем, что внутреннее напряжение на разных участках может привести к перегоранию. Поэтому используется особая схема стабилизации, предотвращающая перегревы и перезаряды. Эта же система влечет и другие недостатки. Главным из них является ограничение тока. Но, с другой стороны, дополнительные защитные схемы делают безопаснее литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного в плане стоимости тоже имеет место. Полимерные батареи стоят дешевле, но ненамного. Их ценник также повышается из-за внедрения электронных защитных схем.
Эксплуатационные особенности гелеобразных модификаций
С целью повышения электропроводности в полимерные элементы технологи все же добавляют гелеобразный электролит. О полном переходе на такие вещества речи не идет, поскольку это противоречит концепции данной технологии. Но в портативной технике часто используют именно гибридные элементы питания. Их особенность заключается в чувствительности к температуре. Производители рекомендуют использовать такие модели батарей в условиях от 60 °C до 100 °C. Это требование определило и особую нишу применения. Использовать гелеобразные модели можно только в местах с жарким климатом, не говоря о необходимости погружения в теплоизолированный корпус. Тем не менее вопрос о том, какой аккумулятор выбрать - Li-pol или Li-ion, - не так остро стоит на предприятиях. Там, где особое влияние имеет температура, часто применяются комбинированные решения. Полимерные элементы в таких случаях обычно используют в качестве резервных.
Оптимальный метод зарядки
Обычное время восполнения заряда у литиевых аккумуляторов составляет в среднем 3 ч. Причем в процессе зарядки блок остается холодным. Наполнение происходит в два этапа. На первом напряжение достигает пиковых величин, и такой режим поддерживается до набора 70%. Остальные 30% набираются уже в условиях нормального напряжения. Интересен и другой вопрос - как заряжать литий-полимерный аккумулятор, если нужно в постоянном режиме поддерживать его полный объем? В таком случае следует соблюдать график подзарядок. Эту процедуру рекомендуется производить примерно каждые 500 ч эксплуатации с полной разрядкой.
Меры предосторожности
В процессе эксплуатации следует применять только соответствующий по характеристикам зарядный прибор, подключая его к сети со стабильным напряжением. Также необходимо проверять состояние разъемов, чтобы не произошло размыкания аккумулятора. Важно учитывать, что, несмотря на высокую степень безопасности, это все же чувствительный к перегрузкам тип аккумулятора. Литий-полимерный элемент не терпит превышения показателей тока, чрезмерного охлаждения внешней среды и механических ударов. Впрочем, по всем этим показателя полимерные блоки все же более надежны, чем литий-ионные. И все-таки главный аспект безопасности заключается в безвредности твердотельных источников питания - разумеется, при условии поддержания их герметичности.
Какой аккумулятор лучше - Li-pol или Li-ion?
Данный вопрос в большей степени определяется условиями эксплуатации и целевым объектом энергоснабжения. Основные преимущества полимерных устройств скорее ощутимы для самих производителей, которые могут свободнее использовать новые технологии. Для пользователя разница будет малозаметна. Например, в вопросе о том, как заряжать литий-полимерный аккумулятор, владельцу придется больше внимания уделять качеству источника энергоснабжения. По времени же заряда это идентичные элементы. Что касается долговечности, то в этом параметре тоже ситуация неоднозначная. Эффект старения в большей степени характеризует полимерные элементы, но практика показывает разные примеры. К примеру, есть отзывы о литий-ионных элементах, которые становятся непригодными уже через год пользования. А полимерные в некоторых аппаратах эксплуатируются по 6-7 лет.
Заключение
Вокруг аккумуляторов по-прежнему сохраняется множество мифов и ложных суждений, которые касаются разных нюансов эксплуатации. И напротив, некоторые особенности батарей замалчиваются производителями. Что касается мифов, то один из них опровергает литий-полимерный аккумулятор. Отличие от ионного аналога заключается в том, что полимерные модели испытывают меньше внутренних нагрузок. По этой причине сеансы зарядки еще не севших аккумуляторов не оказывают вредного воздействия на характеристики электродов. Если же говорить о скрываемых производителями фактах, то один из них касается долговечности. Как уже говорилось, ресурс аккумуляторов характеризуется не только скромным показателем циклов зарядки, но и неизбежной утратой полезного объема элемента питания.
