Літій-іонні акумулятори вельми поширені в якості джерел живлення сучасної побутової електроніки.
В даний час це найпопулярніший тип акумуляторів для стільникових телефонів, ноутбуків, цифрових фотоапаратів.
Найбільші ж перспективи зростання ринку літій-іонних акумуляторів відкриваються у зв'язку з використанням цих вторинних хімічних джерел струму в якості джерела живлення електротранспорту.

Перші експерименти з літієвими акумуляторами відносяться до 1912 року, але перші серійно вироблені літієві батареї з'явилися в 1970-х, вони були неперезаряжаемие.

В середині 1980-х з'явилися серійні літієві акумулятори, але їх використання було обмежене через високу вибухонебезпечність - при Циклирование на літієвому аноді утворювалися дендрітообразние кристали літію, які проростали
до катода і провокували внутріелементное коротке замикання і вибух через перегрів, який запускав хімічну реакцію між літієм і органічним електролітом.
З 1991 року почалося комерційне використання літій-іонних акумуляторів, виготовлених фірмою Sony. У цих акумуляторах використовувався кобальтат літію (LiCoO2) і кокс в якості матеріалу електродів. Електролітом був розчин солі літію в органічному розчиннику. При дотриманні умов розряду / заряду дані елементи досить безпечні в плані вибуху, що забезпечило їх комерційний успіх.
В кінці 1990-х - початку 2000-х з'явилося багато нових гравців на ринку літій-іонних акумуляторів - стали проводиться батареї на базі кобальтатов літію на графітових електродах, з'явилися батареї на основі більш дешевої хімії - LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4. Також з'явилися акумулятори з полімерним електролітом для використання в мініатюрній електроніці.
В даний час кожні півроку з'являються літій-іонні акумулятори, засновані на нових хімічних і конструктивних складових. Можливості вдосконалення, заснованих на літії акумуляторів, ще далеко не вичерпані, що вселяє надію на появу все більш ємних, безпечних і дешевих акумуляторів на ринку в найближчому майбутньому.

Розглянемо переваги і недоліки літій-іонних акумуляторів і акумуляторних батарей на їх основі.

переваги

• найбільша щільність енергії з усіх різновидів акумуляторів - як об'ємна, так і вагова
  
• напруга живлення на елементі - 3,6, що в 3 рази вище, ніж у NiMH і NiCd акумуляторів і майже в 2 рази вище, ніж для свинцево-кислотних акумуляторів
  
• швидкий процес заряду батарей - до 90% ємності за 30-40 хвилин
  
• високий показник ресурсу - понад 1000 циклів розряду / заряду (в лабораторних умовах)
  
• низький показник саморазряда - до 5% на місяць
  
• дружність навколишньому середовищу - можуть утилізуватися без попередньої переробки
  

• можливість вибуху при механічному пошкодженні або перезарядки акумулятора (можливість вибуху для сучасних акумуляторів різко знижена)
  
• досить швидке старіння акумулятора - більшість акумуляторів різко знижують свої характеристики при зберіганні або використанні більше 5 років
  
• для створення акумуляторних батарей потрібна складна система управління батареєю
  
• висока вартість, але над цим параметром посилено працюють китайські виробники
  

З моменту початку масового виробництва літій-іонних акумуляторних батарей в 1991 році фірмою Sony вже пройшло більше 17 років, однак багато процесів, що відбуваються в літій-іонних акумуляторах досі мало вивчені. У даній статті ви зможете доторкнутися до тих крихтах знання щодо продовження терміну життя літій-іонних акумуляторів, які накопичилися за ці роки.

Матеріал в статті піднесений у вигляді добірки окремих фактів, що стосуються життя і умов роботи літій-іонних акумуляторних батарей. Ця добірка фактів дозволить зі знанням справи визначити стратегію збереження життя літій-іонного акумулятора в залежності від галузі використання в наступній статті циклу.
Літій-іонні акумулятори більше страждають від процесу "старіння" (погіршення характеристик протягом часу), ніж від циклирования. Це означає, що більшість акумуляторів не може служити понад 5 років при звичайних умовах експлуатації (оптимістичний прогноз). Мораль така - якщо купуєте літій-іонний акумулятор, звертайте увагу на дату виготовлення - при піврічної давності ви втратите 10% від заявленого терміну життя.

Старіння батарей прискорюється при роботі або зберіганні в жарких умовах - дивись таблицю для літій-кобальтових акумуляторів (для літій-марганцевих і літій-залізних батарей результати трохи краще).

Деградація характеристик літій-кобальтових акумуляторів у зв'язку з температурою зберігання

Температура, ° C 40% рівень заряду (рекомендований рівень заряду) 100% рівень заряду (підтримується користувачами при роботі) 0 ° C 98% через 1 рік 94% через 1 рік 25 ° C 96% через 1 рік 80% через 1 рік 40 ° C 85% через 1 рік 65% через 1 рік 60 ° C 75% через 1 рік 60% через 3 місяці
З огляду на, що стандартом визначення моменту завершення життя акумулятора виробником є ​​зниження його ємності до 80% від номінальної зрозуміло, звідки з'явилися 5 років життя (коли акумулятор працює при температурі не вище 25 ° C і більшість часу перебуває в підлозі розрядженому стані). Тому слід правильно організовувати охолодження батарей при експлуатації і заряджати акумулятор безпосередньо перед використанням, домагаючись середнього рівня заряду в процесі експлуатації близького до 40% (перевірено на практиці - при заряді батареї мого мобільного раз в 3-4 дня до 80-90% ємності і носінні його у зовнішній кишені одягу - термін життя вже досяг більше 4х років при збереженні ємності).
Слід враховувати температурний фактор і при експлуатації літій-іонних акумуляторів - розряд може здійснюватися і при низьких температурах (в залежності від хімії акумулятора від -25 ° C до -10 ° C), але заряд обов'язково повинен проводитися тільки при позитивній (за Цельсієм) температурі батареї.
Кількість циклів заряду-розряду не так сильно впливають на ресурс літій-іонної батареї, як вік і температурний фактор - при короткому часі циклирования (безперервні цикли заряду / розряду струмом 0,5C) і хорошому охолодженні літій-іонна батарея може витримати від 1000 циклів ( для літій-кобальтових) до 2000-3000 циклів (для літій-марганцевих).
Перевищення кінцевого напруги після заряду з 4,2В до 4,35В підвищує ємність акумулятора на 10-15% при зниженні часу життя в 4-6 разів.
BMS (Battery Manegement System) - система управління батареєю - електронний прилад, який обов'язково ставиться на кожну акумуляторну банку в батареї для контролю процесу заряду-розряду батареї, просунуті BMS також мають логіку для визначення температури, кількості зарядів / розрядів, оцінку ймовірності виходу з ладу акумулятора. В основному, завдання BMS полягає в контролі напруги на акумуляторі і шунтування струмів при досягненні граничних меж, також може контролюватися температура елементу.
Для уникнення виходу з ладу літій-іонного акумулятора при повній його розрядці необхідно негайно зарядити його. В іншому випадку, BMS не дозволить початися заряду коли напруга на елементі впаде нижче певного порогу через саморозряду батареї з міркувань безпеки (перевірено на практиці - я було залишив свій наладонник на 3 тижні в майже розрядженому стані і потім, незважаючи на пізні реанімаційні заходи , душа акумулятора благополучно відійшла в кращий світ (я на це щиро сподіваюся :)).
Літій-іонні батареї погано переносять низькі струми заряду і високі струми розряду (зауваження про високі струми розряду не відноситься до LiFePO4 акумуляторів, які можуть переносити великі струми розряду, і, в меншій мірі для LiMnO2 і LiMn2O4). Для досягнення максимальної тривалості життя необхідно використовувати струми 0,5C (половина номінальної ємності) для заряду і розряду акумулятора. Для LiCoO2 акумуляторів небажано переходити межу в 1C для струмів заряду і розряду (розряд при 2C призводить до скорочення життя в 2 рази, при 3C - в 4 рази).
На закінчення можна сказати, що дотримання всіх зазначених пересторог дозволить досягти великого терміну життя (ресурсу) вашого літій-іонного акумулятора і він буде довго радувати вас своєю ємністю і низьким рівнем внутрішнього опору. Однак кожні 6-12 місяців з'являються літій-іонні акумулятори на основі інших хімічних сполук і внутрішньої конструкції - у них будуть трошки (або множко :) інші характеристики. До заяв виробників з приводу нових акумуляторів потрібно ставитися з певною часткою скептицизму, оскільки тільки досвід тривалої експлуатації може дати відповідь на питання відповідності заявлених параметрів реальним і перевірити рішення з приводу правильної експлуатації літій-іонних акумуляторів.
Дана стаття зазначає суб'єктивний погляд на проблему продовження ресурсу літій-іонних акумуляторів. Практично всі цифрові дані взяті з перевірених джерел ( http://batteryuniversity.com , З сайтів виробників літій-іонних батарей - Valence, ThunderSky, Everspring), однак під час компіляції інформації деякі занадто оптимістичні заяви виробників батарей довелося опустити або дещо виправити.

При існуючому темпі зростання тямовитості (SMART) контролерів пристроїв, ми скоро будемо найнижча кланятися своєму акумулятора з проханням віддати дещицю його енергії для роботи так потрібного нам пристрої. А також укладати договір про своєчасну годівлі акумулятора електроенергією і вносити внески до фонду соціального страхування акумуляторів. Крім того, доведеться оплачувати акумулятора медичну страховку і пай в пенсійному фонді :).

Правильна експлуатація акумуляторів стільникових телефонів

Електроди літій-іонних акумуляторів, через процес виробництва вже наполовину заряджені, проте свіжий акумулятор небажано відразу ж перевіряти під навантаженням. Спочатку літій-іонний акумулятор потрібно повністю зарядити. Використання акумулятора без початкової підзарядки може різко скоротити доступну користувачеві ємність.
Після початкової зарядки акумулятора бажано його повністю розрядити для калібрування системи управління акумулятором. Відразу ж після розрядки зарядити акумулятори. Цикли калібрування для стільникових телефонів з літій-іонними акумуляторами не слід робити часто (зазвичай вистачає одного циклу повного заряду-розряду в 3 місяці). Самі цикли калібрування потрібні тільки для правильного відображення прогнозу залишилася ємності акумулятора. Рекомендовані ж деякими користувачами і продавцями трьох-чотирьох кратні глибокі цикли заряду-розряду можуть виявитися фатальними для не нового літій-іонного акумулятора.
Бажано використовувати оригінальні акумулятори від виробника мобільного телефону. Так як функції системи управління акумуляторною батареєю для мобільних сильно урізані, а зарядом керує система підзарядки стільникового телефону, то акумулятор від стороннього виробника проживе менше, оскільки система підзарядки не знає особливостей неоригінальних акумуляторів.
У зв'язку з тим, що ефект «старіння» літій-іонних акумуляторів різко посилюється при високій температурі, стільниковий телефон бажано тримати подалі від джерел тепла (тіло людини, прямі сонячні промені, радіатор опалення).
Бажано часто вже не заряджати акумулятор стільникового телефону повністю, а також ставити акумулятор на підзарядку раніше, ніж рівень заряду досягне червоного значення індикатора заряду (приблизно 20% залишкової ємності).
Старіння літій-кобальтових акумуляторів (найбільш поширених акумуляторів для стільникових безпосередньо залежить від рівня навантаження). Говоріть по мобільному менше і рідше - це дозволить зберегти здоров'я не тільки вашому акумулятора, але і вам самим.
Не заряджайте акумулятор, який побував на морозі до тих пір, поки він не прогріється до позитивної (за Цельсієм) температури - це важлива вимога безпеки експлуатації літій-іонних акумуляторів.

Правильна експлуатація акумуляторних батарей ноутбуків

Акумуляторна батарея ноутбука містить повноцінну систему управління, що часто дозволяє користувачеві забути про те, чи правильно він експлуатує батарею. Однак, при роботі з ноутбуком слід пам'ятати про деякі речі.
При першому підключенні акумуляторну батарею ноутбука слід повністю зарядити, після чого зробити калібрування системи управління. Калібрування здійснюється повним розрядом батареї при постійному навантаженні (необхідно увійти в налаштування BIOS, і залишити ноутбук працювати при відключенні від мережі до виключення, у багатьох Настроювач BIOS є спеціальний пункт Calibration, призначений для виконання даного завдання). Не забудьте відразу ж зарядити батарею свого ноутбука після повної розрядки.
Калібрування акумуляторної батареї ноутбука зазвичай здійснюється раз в 1-3 місяці, для виключення ефекту «цифрової пам'яті» - в процесі роботи від акумулятора поступово накопичуються помилки визначення залишкової ємності, через що знижується час автономної роботи ноутбука.
Для деяких моделей ноутбуків існують утиліти виробника для завдання рівня розряду батареї, при якому починає проводиться заряд. Якщо акумулятор ноутбука служить як джерело безперебійного живлення (робота здійснюється стаціонарно з живленням від мережі), то установка рівня допустимого розряду в 40% і підтримку акумуляторної батареї в полуразряженного стані дозволить продовжити життя батареї в два рази.
Частина ноутбуків поставляються з додатковою батареєю. Якщо ви не користуєтеся мобільним їй, має сенс розрядити додаткову батарею до 40%, упакувати в поліетиленовий пакет з вакуум-замком і залишити пакет в холодильній камері холодильника при температурі 3-4 ° C.

Правильна експлуатація батарей Power Tools і відеокамер

Правила експлуатації батарей Power Tools (в основному, батарей шуруповертів) і відеокамер мало відрізняються від правил експлуатації акумуляторів стільникових телефонів.
Відмінністю є те, що використання цих пристроїв в побуті здійснюється досить рідко, а вартість акумуляторів висока і ці акумулятори з часом стають мало доступні. Для забезпечення тривалого життя таких акумуляторів слід зберігати їх в полуразряженного стані в холодильнику при температурі 3-4 ° C, заздалегідь упакувавши в поліетиленовий пакет з вакуум-замком. Перед використанням акумулятор необхідно повністю зарядити за допомогою штатного зарядного пристрою, і при роботі не допускати повного розряду акумулятора (при першій же можливості заряджайте батарею в процесі роботи).
На закінчення статті хочу сказати, що хоч правила експлуатації і дозволяють зберегти параметри акумулятора тривалий час, проте життя диктує свої умови роботи, часто не сумісні з поняттям правильної експлуатації такої високотехнологічної речі, як літій-іонний акумулятор.

Прийшов час зануритися в глибини хімії літій-іонних акумуляторів.

Спроби створення вторинних хімічних джерел струму сходять до двадцятих років минулого століття. Дослідників приваблювала висока теоретична ємність таких акумуляторів.

Перешкодою на шляху до літієвих акумуляторів стала висока реакційна здатність літію. Навіть в 1980-х промислові літієві акумулятори представляли досить вибухо- і вогненебезпечні вироби, із середньою цікліруемостью в 50 циклів. Основною причиною виходу з ладу літієвих акумуляторів було проростання дендритів літію, які утворюються при циклировании, до електрода з протилежним знаком, що призводило до короткого замикання всередині елемента і швидкому розігріву. При цьому літій бурхливо реагував з органічним електролітом, що досить часто призводило до вибуху.

Прогрес в області електроніки посилив потреба в ємних і легких перезаряджаються джерелах струму, а також створив передумови до появи систем управління акумуляторними батареями (BMS). У 1992 році корпорація Sony представила світу нове бачення акумулятора на основі літію.

У нових акумуляторах металевий літій був замінений більш безпечної іонної формою. Для забезпечення безпеки акумуляторні батареї оснащувалися системою BMS (контроль режимів заряду і розряду дозволив різко знизити ризик появи в акумуляторі металевого літію - основного винуватця вибухонебезпечності літій-іонного акумулятора).

Перший літій-іонний акумулятор мав позитивний електрод на основі кобальтата літію, анод на основі вуглецю (Sony застосувала кокс - матеріал, що отримується при термічній обробці кам'яного вугілля) і електроліт на базі гексафторфосфіда літію, розчиненого в органічному розчиннику.

Оскільки Sony не поспішала ділитися патентом на свої нові акумулятори, інші виробники знайшли вихід з положення в застосуванні нових хімічних складів електродів і зміні властивостей електроліту.

Перші модіфікації торкнуло структуру негативного електрода - кокс замінювалі на графіт різного ступенів зерністості. Однак, хіміки Sony настільки вдало застосували дешевий кокс з чудовими характеристиками, що іншим виробникам аналогічних акумуляторів з графітовими електродами довелося пройти довгий шлях до підбору правильної структури графітового порошку, що забезпечує такі ж параметри при експлуатації.

Оскільки літій-кобальтові позитивний електрод вже був запатентований Sony, то погляди дослідників звернулися до альтернативних варіантів - електроди створювалися на базі літій-марганцевих, літій-залізо-фосфатних і багатьох інших хімічних складових.
Схема кристалічної решітки літій-кобальтового електрода

Багато з нових електродів показали себе з кращого боку і виявилися затребуваними ринком. В даний час найбільшого поширення набули літій-марганцевої, літій-кобальтові та літій-залізофосфатні літій-іонні акумулятори.

За допомогою чудової безкоштовної програми 3D моделювання Blender мені вдалося схематично уявити кристалічні решітки різних варіантів позитивних електродів літій-іонних акумуляторів.

Як ви можете бачити - для літій-кобальтової кристалічної решітки характерно розташування іонів літію пошарово. Таке розташування пророкує досить хороші розрядні характеристики акумулятора, проте стабільність такої кристалічної решітки відносно низька, тому літій-кобальтові акумулятори погано переносять розряд великими струмами.
Кристалічна решітка літій-марганцевого електрода

Для літій-марганцевих акумуляторів характерно "тривимірне" розташування іонів літію в кристалічній решітці позитивного електрода. Таке розташування веде до гарної переносимості високих струмів розряду і досить хорошою стабільності електрода в процесі експлуатації.

Літій-залізофосфатні позитивні електроди досить стабільні - що дуже добре видно по міцної кристалічній решітці з "каналами" для іонів літію. Однак цей факт різко обмежує рухливість іонів літію і такими електродами стали користуватися відносно недавно - після того, як виробникам вдалося створити електроди, що збираються з частинок літій-железофосфата розміром в сотні нанометрів (розмір часток в сто разів менше, ніж у "3D" літій марганцевих акумуляторів, отже загальна площа на чотири порядки вище і цей факт кардинально покращує характеристики літій-железофосфата).
Схема кристалічної решітки железофосфата літію

Придбавши модну нині приставку "нано-" до своєї назви, літій-залізофосфатні акумулятори виявилися одними з найбільш перспективних для подальшого використання в потужних пристроях (їх можна використовувати навіть як стартерні акумулятори для автомобілів).

Крім матеріалу для негативного електрода виробники навчилися застосовувати в якості електроліту полімерний матеріал з включеннями гелеобразного літій-провідного наповнювача. Такі літій-іонні акумулятори з полімерним електролітом зараз стали стандартом для мініатюрних пристроїв.

Розробки в області полімерних електролітів дозволили створити твердий електроліт, який проводить іони літію за механізмом обміну іонів всередині матриці електроліту. Такий електроліт дозволив повернути до життя захіревшей акумулятори з електродами з металевого літію.

Твердий електроліт створює в місці контакту з металевим літієм поверхню, що перешкоджає утворенню дендритів літію при циклировании, що дозволяє забути про основну проблему, яка призводить до виникнення пожежі та вибуху літієвих акумуляторів.

Як завжди, в бочці меду виявилася хороша домішка дьогтю - літій-полімерні акумулятори можуть працювати тільки при температурах понад 40 градусів Цельсія (так як іонна провідність твердого електроліту при кімнатній температурі незначна). Необхідність високої робочої температури диктує необхідність системи підігріву акумулятора - тому можна не вірити виробникам, гордо маркірують свої акумулятори для мобільних телефонів як "Li-Pol" (насправді це літій-іонний акумулятор з полімерним електролітом).

Як би мені не хотілося закінчити статтю, проте залишилася ще тема негативного електрода в літій-іонному акумуляторі. В даний час з'являються розробки на базі титанату літію (з модною приставкою "нано-"). Поєднання цих електродів з позитивними електродами на основі літій-железофосфата обіцяє різке збільшення терміну життя і рівня безпеки літій-іонних акумуляторів.

Звичайно ж, в невеликій статті неможливо охопити таку ємну тему, як хімія заснованих на літії вторинних хімічних джерел струму, однак побіжний огляд існуючих рішень допоможе читачеві не потонути у величезній масі рекламних заяв виробників. Кожні півроку з'являються нові розробки на ниві літій-іонних акумуляторів, і тільки час і досвід може дати відповіді на питання відповідності експлуатаційних характеристик, заявлених виробниками, реальним показникам.