Характеристики літій-іонних акумуляторів залежать від хімічного складу складових компонентів і варіюються в наступних межах:
Через перевищення напруги при заряді акумулятор може загорітися, тому в корпус акумуляторів вбудовують контролер заряду акумуляторів. який захищає акумулятор від перевищення напруги заряду. Також цей контролер може опціонально контролювати температуру акумулятора, відключаючи його при перегріванні, обмежувати глибину розряду і струм споживання. Проте треба враховувати що не всі акумулятори забезпечуються захистом. У гонитві за собівартістю або ємністю захист можуть не ставити.
Літієві акумулятори мають спеціальні вимоги при підключенні декількох банок послідовно. Зарядні пристрої для таких многобаночних акумуляторів забезпечуються схемою балансування осередків. Сенс балансування в тому що банки трохи різні, і якась досягне повного заряду раніше інших. При цьому необхідно припинити заряд цієї банки, продовжуючи заряджати інші. Цю функцію виконує спеціальний вузол балансування акумулятора. Він шунтирует заряджену банку так, щоб струм заряду йшов повз неї.
Зарядні пристрої можуть підтримувати кінцева напруга заряду в діапазоні 4,05-4,2 В для детектування наявності акумулятора.
Пристрій [ред]
Літій-іонний акумулятор. Схема роботи.
Літій-іонний акумулятор складається з електродів (катодного матеріалу на алюмінієвій фользі і анодного матеріалу на мідній фользі), розділених просоченими електролітом пористими сепараторами. Пакет електродів поміщений в герметичний корпус, катоди і аноди приєднані до клем-токос'емник. Корпус має запобіжний клапан, що скидає внутрішній тиск при аварійних ситуаціях і порушенні умов експлуатації. Літій-іонні акумулятори розрізняються за типом використовуваного катодного матеріалу. Переносником заряду в літій-іонному акумуляторі є позитивно заряджений іон літію, який має здатність впроваджуватися (інтеркалірованних) в кристалічну решітку інших матеріалів (наприклад, в графіт, оксиди і солі металів) з утворенням хімічного зв'язку, наприклад: в графіт з утворенням LiC6. оксиди (LiMnO2) і солі (LiMnR ON) металів.
Спочатку в якості негативних пластин застосовувався металевий літій. потім - кам'яновугільний кокс. Надалі почали застосовувати графіт. Застосування оксидів кобальту дозволяє акумуляторам працювати на значно нижчих температурах, підвищує кількість циклів розряду / заряду одного акумулятора. Поширення літій-ферум-фосфатних акумуляторів обумовлено їх відносно низькою вартістю. Літій-іонні акумулятори застосовуються в комплекті з системою контролю і управління - СКУ або BMS (battery management system) і спеціальним пристроєм заряду / розряду.
В даний час в масовому виробництві літій-іонних акумуляторів використовуються три класи катодних матеріалів:
- кобальтат літію LiCoO2 і тверді розчини на основі ізоструктурні йому нікелата літію
- літій-марганцева шпінель LiMn2 O4
- літій-феррофосфат LiFePO4.
Електро-хімічні схеми літій-іонних акумуляторів:
- літій-кобальтові LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi + C6
- літій-феро-фосфатні LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi + C6
Завдяки низькому саморазряду і великій кількості циклів заряду-розряду, Li-ion-акумулятори найкращими є для застосування в альтернативній енергетиці. При цьому крім системи BMS (СКУ) вони укомплектовуються инверторами (перетворювачі напруги).
Переваги [ред]
- Висока енергетична щільність (ємність).
- Низький саморозряд.
- Не вимагають обслуговування.
Недоліки [ред]
Акумулятори Li-ion першого покоління були схильні до вибухового ефекту. Це пояснювалося тим, що в них використовувався анод з металевого літію, на якому в процесі багаторазових циклів зарядки / розрядки виникали просторові освіти (дендрити), що призводять до замикання електродів і, як наслідок, пожежі або вибуху. Цю проблему вдалося остаточно вирішити заміною матеріалу анода на графіт. Подібні процеси відбувалися і на катодах літій-іонних акумуляторів на основі оксиду кобальту при порушенні умов експлуатації (перезарядці). Літій-феро-фосфатні акумулятори повністю позбавлені цих недоліків. Крім того, всі сучасні літій-іонні акумулятори забезпечуються вбудованою електронною схемою, яка запобігає перезаряд і перегрів внаслідок занадто інтенсивного заряду.
Втрата ємності при зберіганні [2].
З 40% зарядом,% за рік
З 100% зарядом,% за рік
But the key was the idea of looking for it at all.
Як показало дослідження, часті цикли неповної зарядки і подальшого розряду призводять до виникнення окремих «мікроефекти пам'яті», які потім сумуються. Це відбувається тому, що основою роботи батареї є процеси вивільнення та зворотного захоплення іонів літію, динаміка яких стає далека від оптимальної в разі неповної зарядки [4].
Якщо батарея не буде повністю заряджена, то на катоді залишиться певна кількість частинок, близьких до прикордонного стану. Вони практично досягли бар'єру вивільнення іонів літію, але не встигли його подолати. При розряді вільні іони літію прагнуть повернутися на місце і рекомбінувати з іонами феррофосфата. Однак на поверхні катода їх також зустрічають частки в прикордонному стані, вже містять літій. Зворотне захоплення не може, і порушується мікроструктура електрода.
В даний час проглядаються два шляхи вирішення проблеми: внесення змін до алгоритми роботи системи управління батареями і розробка катодів зі збільшеною площею поверхні.
Велику роль в довговічності і справній роботі акумулятора грає його експлуатація. Багато фахівців виділяють три простих правила, які допоможуть продовжити термін служби батареї:
Старіння [ред]
Температурний режим заряду літій-полімерних і літій-іонних акумуляторів впливає на їх ємність: ємність знижується при зарядці на холоді або в спеку. Глибокий розряд повністю виводить з ладу літій-іонний акумулятор. Також на життєвий цикл акумуляторів впливає глибина його розряду перед черговою зарядкою і зарядка струмами вище регламентованих виробником. Вкрай чутливі вони і до напруги заряду. Якщо його підвищити всього на 4%, то акумулятори будуть удвічі швидше втрачати ємність від циклу до циклу. Струм зарядки залежить від різниці напруг між акумулятором і зарядним пристроєм і від опору як самого акумулятора, так і підводяться до нього проводів. Тому збільшення напруги заряду на 4% може призводити до збільшення струму заряду в 10 разів. Це негативно позначається на акумуляторі. Він може перегріватися і деградувати. Оптимальні умови зберігання Li-ion-акумуляторів досягаються при 40-відсотковому заряді від ємності акумулятора і температурі 0 ... 10 ° C. Літієві акумулятори старіють, навіть якщо не використовуються. Через 2 роки батарея втрачає близько 20% ємності. Відповідно, немає необхідності купувати акумулятор «про запас» або надмірно захоплюватися «економією» його ресурсу. При покупці варто подивитися на дату виробництва, щоб знати, скільки дане джерело живлення вже пролежав на складі. У разі, якщо з моменту виготовлення пройшло більше двох років, краще утримайтеся від покупки.
Зниження ємності при низьких температурах [ред]
При зниженні температури навколишнього повітря нижче значення 0 ° C відбувається зниження потужності літій-іонного акумулятора до 40-50% [6]. Власники переносної електроніки найменше схильні до негативних наслідків використання техніки в умовах низьких температур, а сегменти промисловості, задіяні у виробництві безпілотних літальних апаратів, роботизованих систем і космічної техніки, вкрай потребують нових підігрівають акумуляторах. Для вирішення цієї проблеми створені конструкції акумуляторів з внутрішнім підігрівом.