Мобильное питание. Часть 2
АрхивПлатформаНа сегодняшний день самым распространенным типом аккумуляторов, применяемых в мобильных устройствах, являются литий-ионные и литий-полимерные. Связано это с целым рядом преимуществ по сравнению с аккумуляторами на основе никеля.
На сегодняшний день самым распространенным типом аккумуляторов, применяемых в мобильных устройствах, являются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. Связано это с целым рядом преимуществ по сравнению с аккумуляторами на основе никеля (никель-металлгидридные, никель-кадмиевые).
Общие сведения
Батарейки с литиевым анодом появились достаточно давно и, благодаря большой удельной энергии, быстро нашли применение в качестве элементов питания портативной аппаратуры. Но создание литиевых аккумуляторов было сопряжено с определенными технологическими трудностями, окончательно преодолеть которые удалось лет 15 назад. Высокая активность щелочных металлов (лития) является как достоинством (высокое рабочее напряжение, большая удельная энергия), так и недостатком (высокая химическая активность вплоть до взрыва в процессе эксплуатации). Известны случаи, когда ранние модели литиевых аккумуляторов в прямом смысле слова взрывались, обжигая пользователей и разрушая питаемое устройство. Решением оказалось использование в аккумуляторах не лития, а его ионов, что позволило обезопасить АКБ при обеспечении правильных режимов заряда и разряда, ценой крайне незначительного снижения энергетической плотности.
Рассмотрим процессы, происходящие в литиевом аккумуляторе в процессе эксплуатации.
Рабочее напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3 вольта и выше.
Отрицательный электрод изготовляется из углеродных материалов путем интеркаляции (обратимое включение молекул или группы между другими молекулами или группами) лития. Ионы лития раздвигают слои углеродной матрицы, располагаясь между ними.
Положительный электрод создается из литированных оксидов кобальта, никеля или литий-марганцевой шпинели. Наилучшие характеристики аккумулятора достигаются при использовании смешанных оксидов или фосфатов.
При разряде аккумулятора на положительном электроде происходит интеркаляция лития в оксид и деинтеркаляция из углеродного материала на отрицательном. Таким образом, процессы заряда-разряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой, отсюда и название "литий-ионные" аккумуляторы.
Конструкция
Конструктивно данный тип аккумуляторов может быть выполнен в призматическом, цилиндрическом и смешанном (когда в призматическом корпусе выполнена рулонная сборка пакета в форме эллиптической спирали) вариантах.
Большинство выпускаемых аккумуляторов данного типа производятся в призматическом корпусе, что связано с их преимущественным использованием в мобильных телефонах, ноутбуках и прочих портативных устройствах.
Для обеспечения безопасной работы АКБ применяются следующие конструктивные меры: под крышкой располагается устройство, реагирующее увеличением сопротивления на повышение температуры, и клапан, размыкающий контакт между катодом и положительным выводом при повышении внутреннего давления газов. Корпус литий-ионного аккумулятора (равно как и большинства источников тока) является герметичным, причем не только ради изоляции опасных реактивов от аппаратуры, но и из-за вредного воздействия паров воды и кислорода на АКБ. Обязательным условием является применение внешней электронной защиты с контролем перезаряда и переразряда, повышения температуры и короткого замыкания.
Эксплуатация
Современные литий-ионные батареи обладают следующими характеристиками: плотность – 150-200 Втч/кг или 350-450 Втч/л, рабочее напряжение 3,6-3,7 В и диапазон рабочих температур от -20 до +50 ◦С. Рабочий ресурс до потери 20% ёмкости составляет 500-1000 рабочих циклов заряд/разряд. У всех литиевых аккумуляторов очень хорошая сохранность – саморазряд составляет всего 7-10% в год (сравните с никель-кадмиевыми или никель-металлгидридными). Пресловутый "эффект памяти" у данного типа источников тока практически отсутствует.
Заряд Li-ion аккумуляторов выполняется в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (40-60 минут до достижения 70-80% ёмкости), далее при постоянном напряжении до достижения 100% ёмкости (процесс может занять 40-80 минут, в зависимости от характеристик АКБ). Таким образом, устройство с литиевой батареей достаточно включить на заряд примерно на полчаса для того, чтобы получить 70% ёмкости аккумулятора, что может быть полезно при нехватке времени на полную зарядку.
Единственным недостатком этого типа аккумуляторов является высокая чувствительность к переразрядам и перезарядам.
При переразряде на поверхности отрицательного электрода становится возможным осаждение металлического лития, а на катоде - выделение кислорода. Возникает опасность повышения давления и "теплового разгона".
По этой причине производители должны встраивать в аккумуляторную батарею ограничители разряда и заряда, что, в свою очередь, несколько увеличивает стоимость продукции. Но есть исключение – Li-ion аккумуляторы, в состав которых включен марганец, благодаря которому резко замедляется реакция металлизации анода и прекращается выделение кислорода на катоде. Недостатком батарей, содержащих марганец, как раз и является отсутствие внутренних схем защиты, что делает невозможным применение нештатных зарядных устройств. Это в основном касается недорогих сетевых ЗУ или устройств зарядки от бортовой сети автомобиля. Устройство просто не знает, когда прекратить заряд, а внутренних цепей защиты, которые могли бы ограничить зарядный ток, – нет. В результате получаем перезаряд, нагрев, вздутие и - в морг (АКБ, конечно, хотя может и не повезти).
Все остальные аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий, а некоторые и от внешних КЗ. В целом, устройства защиты литиевых батарей являются самыми совершенными среди всех типов АКБ.
С ростом рабочего тока разряда, ёмкость данного типа аккумуляторов снижается незначительно, но немного уменьшается рабочее напряжение. В любом случае, ограничителем максимального рабочего тока выступает встроенное устройство защиты.
При повышении рабочей температуры литиевых АКБ возможно снижение ёмкости (вплоть до необратимой), а при понижении температуры – уменьшение рабочего напряжения. Кроме того, в условиях эксплуатации при температурах ниже 5◦С возможна начальная просадка напряжения.
Практические рекомендации по использованию в различных типах мобильных устройств.
Все владельцы мобильно-портативных устройств с аккумулятором знают, что причиной прекращения службы устройства или значительного снижения его потребительских характеристик является, в основном, именно снижение времени автономной работы (опустим банальное: утопил, разбил, потерял). На основе вышеизложенного попробуем составить список рекомендаций по продлению срока службы аккумулятора, и, как следствие, устройства в целом.
Условия хранения. Старение – неизбежный и необратимый процесс, но, тем не менее, довольно сильно зависящий от условий использования и хранения аккумуляторной батареи. Оптимальным для хранения является 40% заряд АКБ и температура ниже комнатной (эксперты рекомендуют положить батарею в целлофановый пакет и в холодильник. Только не в морозилку!!!). При полном заряде и комнатной температуре процесс старения ускоряется в 2-3 раза.
Режим эксплуатации. После 500-1000 рабочих циклов заряда и разряда ёмкость снижается до 80% от максимальной, это все уже знают. Но, при повышенных температурах эксплуатации (40 градусов и выше) 20% снижение ёмкости может произойти уже после 300-500 циклов. Следует помнить, что циклы считаются только полные (100% заряд и последующий разряд до 0%). Например, заряжая аккумулятор при его 50-процентном разряде, будет "засчитана" только половина цикла, и потеря ёмкости произойдет позже.
Старение. Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются, а просто лежат на полке. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор "про запас" или чрезмерно увлекаться "экономией" его ресурса. При покупке обязательно посмотрите на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае, если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки, т.к. более трети ресурса АКБ уже "вылежал".
На практике:
В настоящее время, благодаря многообразию материалов для катодов и развитию аккумуляторостроения, наблюдается большое количество источников тока на основе ионов лития.
В идеальном варианте аккумулятор будущего – это такая связка батарея-электроника, которая не требовала бы от пользователя никаких "телодвижений", и позволила б выпускать устройства с несменными, встроенными батареями, что мы уже можем наблюдать в некоторых современных гаджетах.
