LI-ION АККУМУЛЯТОРЫ. СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ
кафедра теплоэнергетики железнодорожного транспорта,
Российский университет транспорта,
г. Москва
Аннотация: Li-ion аккумуляторы являются самым популярным типом аккумуляторных батарей на данный момент. Они имеют свои преимущества, но также не лишены недостатков. Различные факторы влияют на их работу. В данной работе описываются преимущества и недостатки Li-ion аккумуляторов, способы продления их срока службы.
Ключевые слова: Li-ion аккумулятор, ёмкость аккумулятора, энергоэффективность.
Li-ion аккумулятор – тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике, а так же используется в качестве источника энергии для электромобилей. Данный вид аккумуляторов является самым популярным на данный момент [1].
Материалы и конструкция Li-ion аккумуляторов.
В качестве основы для данных аккумуляторов служит матрица из углерода. Эта матрица может изготавливаться из природного или синтетического графита, сажи, пиролизного или мезофазного углерода, кокса и т.д. Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и распологаются между ними. Положительные электроды Li-ion аккумуляторов изготавливаются из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.
Литий-ионные аккумуляторы изготавливаются в двух форм факторах: плоском и цилиндрическом. В цилиндрическом варианте изготовления пакет электродов и сепаратора свёрнут в виде рулона и помещён в алюминиевый или стальной корпус. С данным корпусом соединён отрицательный электрод. Через изоляцию на крышку аккумулятора выведен положительный полюс.
Плоский тип аккумуляторов производится складыванием в прямоугольник пластин друг на друга. Эти пластины обеспечивают более плотную упаковку в плоском аккумуляторе, чем в цилиндрическом, но в них сложнее сохранять сжимающие усилия на электроды. В некоторых плоских Li-ion аккумуляторах применяется рулонная сборка пакетов электродов, которые скручиваются в спираль. Это способствует объединению двух описанных выше типов конструкций.
Разноимённые электроды разделяются сепаратором из пористого полипропилена. Конструкция аккумуляторов имеет абсолютную герметичность. Это нужно для того, чтобы избежать вытекания жидкого электролита и попадания в Li-ion аккумулятор паров воды и кислорода из окружающей среды. Кислород и пары воды полностью выводят из строя аккумулятор [2].
Преимущества и недостатки.
Литий-ионные аккумуляторы имеют несколько преимуществ: большой срок службы при малых габаритах и весе, а также более высокая по сравнению с другим типом батарей энергетическая плотность. Li-ion батареи принимают более высокий ток зарядки и разрядки. В следствие чего зарядка занимает меньшее время, проходит более эффективно (полезно при рекуперации энергии во время движения).
Но не стоит забывать про недостатки: возможность перегрева (сокращает срок службы и может привести к пожару).
Количество циклов.
Очень важной характеристикой является количество циклов заряда и разряда аккумуляторов.
Под количеством циклов
имеется ввиду количество, через которое ёмкость аккумуляторной батареи падает ниже 80% от первоначального значения. Затем Liion аккумулятор не приходит в негодность, но значения максимального тока и ёмкости у него падают.
Токоотдачу, а также ток заряда принято обозначать буквой С
– ёмкость аккумулятора.
Количество циклов обычно указывается для определённых условий: ток разряда 0,2С, ток заряда 0,2C, комнатная температура. Если аккумуляторная батарея используется при токах 1C и выше, либо при отличной от комнатной температуре, то количество циклов будет ниже заявленного числа.
Хранение.
Li-ion аккумуляторы имеют саморазряд. Это значит, что при хранении они теряют свой заряд с небольшой скоростью. Оптимальными условиями для хранения являются: температура 0 градусов Цельсия и уровень заряда в районе 40%.
Из-за этого с производства аккумуляторы выходят заряженными на 40%, а напряжение аккумуляторов без нагрузки в таком состоянии находятся на уровне 4В.
Данные аккумуляторы стареют, даже если их не использовать. Через 2 года хранения аккумуляторная батарея теряет около 20% своей ёмкости. Следовательно, нет необходимости в покупке аккумулятора про запас.
Заряд.
Аккумуляторы необходимо заряжать методом CC-CV – сначала постоянны током, затем постоянным напряжением. Если на стадии заряда постоянным напряжением превысить его всего лишь на 4%, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять свою ёмкость от цикла к циклу. Из этого следует, что необходимо использовать качественные зарядные устройства, чтобы сохранить срок службы батареи.
Высокотоковые IMR аккумуляторы.
Аккумуляторы, которые могут отдавать токи 2C и выше называют «высокотоковыми». Высокотоковые IMR аккумуляторы могут отдавать большие токи при сохранении стабильного напряжения. Также эти батареи менее пожароопасны при значительном нагреве. Такие аккумуляторы имеют меньшую ёмкость и меньший ресурс, чем обычные аккумуляторы и не снабжаются защитной платой. Если сборка состоит из высокотоковых IMR аккумуляторов, то на сборку устанавливается общая плата зашиты, которая защищает аккумуляторы от глубокого разряда и перезаряда [3].
В наше время литий-ионный аккумулятор один из эффективных источников питания для бытовой электротехники. Данные аккумуляторы предлагают более перспективное будущее, поскольку обладают более высокой плотностью энергии, чем другие типы аккумуляторных батарей, но остается решить две важные проблемы: безопасность и производительность.
Безопасность является наиболее важной и серьезной проблемой. Известия о перегреваниях, возгорании и взрывах батарей смартфонах выдвинуты на первое место проблем безопасности потребителей.
Производительность батарей особенно важна для электромобилей и смартфоном, где со временем подверженные износу и погодным факторам (низкие и высокие температуры, влажность) аккумуляторы теряют свою эффективность и привлекательность для потребителей [4].
Способы продления жизни
.
С каждым зарядом литий-ионный аккумулятор изнашивается и теряет свою функцию сохранения заряда, из-за чего устройство в котором установлен аккумулятор разряжается быстрее, чем в начале эксплуатации.
Происходит это из-за деградации силовых модулей в аккумуляторе по воздействием постоянных циклов зарядки. Если говорить проще, то деградация аккумулятора происходит также, как и распространяется ржавчина на железе, то есть появляется в отдельных зонах, а затем распространяется на всю поверхность.
Для сохранения жизни
аккумулятора достаточно придерживаться простых правил эксплуатации, что заметно продлит срок службы.
1. Не стоит разряжать аккумулятор полностью
Огромное число владельцев смартфонов и планшетов забывают следить за уровнем заряда батареи и разряжают ее до 0%. Так делать нельзя. Литий-ионные аккумуляторы по правилам эксплуатации рекомендуется заряжать чаще. Когда уровень заряда становится равным 10-20%, устройство рекомендуется ставить на зарядку, это увеличит срок его службы. Полностью заряжать и разряжать такие аккумуляторы рекомендуется один раз в три месяца, если делать это чаще, то емкость хранения заряда теряется и аккумулятор изнашивается быстрее.
2. Не стоит допускать перезаряда аккумулятора
Не нужно оставлять телефон на длительной зарядке, например, как это делает подавляющее большинство людей, ставя смартфон заряжаться на всю ночь. Для решения этой проблемы, как вариант подойдут специальные энергосберегающие розетки, которые отключат ваше зарядное устройство от сети через заданное время.
3. Отключайте службы и приложения, которыми не пользуетесь
Огромная часть заряда батареи расходуется на работу фоновых приложений и на различные беспроводные технологии передачи данных такие как WI-FI, GPS, Bluetooth, нет необходимости постоянно держать активными эти сервисы и включать их без надобности. Чтобы избежать этого достаточно просто пользоваться встроенными приложения по сохранению энергоэффективности своего устройства или скачать его.
4. Отключение автояркости экрана
Абсолютно все современные смартфоны оснащены встроенными датчиками света, которые регулируют уровень яркости экрана вашего устройства от условий естественного освещения окружающей вас среды. Данная функция требует от процессора устройства беспрерывного анализа и обработки данных. В результате устройству для работы нужно больше энергии. Лучше выставить яркость в ручную.
5. Не подвергайте устройство воздействию экстремальных температур
Следует обращать свое внимание к температуре хранения и эксплуатации литий-ионных батарей – высокие и низкие температуры негативно влияют на срок службы аккумуляторов. Ваша батарея дольше сохранит заряд если она будет находить в условиях, комфортных для самого человека. Рекомендуемая температура для большинства батарей – 15°C.
6. Используйте оригинальное зарядное устройство
Мало кто знает, что зарядное устройство в большинстве случаев встроено непосредственно внутрь мобильных устройств, а внешний сетевой адаптер лишь понижает напряжение и выпрямляет ток бытовой электросети, то есть напрямую на батарею не воздействует.
Некоторые устройства, например, цифровые фотокамеры, лишены встроенного зарядного устройства, и поэтому их литий-ионные аккумуляторы вставляют во внешний зарядник
. Вот тут-то использование внешнего зарядного устройства сомнительного качества вместо оригинального может негативно сказаться на работоспособности батареи [5].
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы являются современными с точки зрения плотности энергии на единицу веса, что приводит к их более широкому использованию в изделиях от мобильных телефонов до электрических и гибридных транспортных средств. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы могут также пострадать от внешних факторов и неправильной эксплуатации, что дает широкий выбор действий по улучшению эффективности и безопасности данных аккумуляторов [6].
Список литературы