4.7. Заряд полностью разряженных литий-ионных аккумуляторных батарей

Типовое значение напряжения конца разряда для ли­тий-ионных аккумуляторов составляет 3 В на элемент, а упоми­наемое выше 2,5 В — это напряжение отсечки, прерывающее процесс дальнейшего разряда. Однако на практике случается,

что такие аккумуляторы могут быть совершенно разряжены, ког­да напряжение имеет значение ниже 2,5 В на элемент. Обычно это происходит при их длительном хранении без подзарядки. В этом случае производители литий-ионных батарей рекоменду­ют трехступенчатый способ их заряда для перевода в рабочее со­стояние.

Не все зарядные устройства могут обеспечить зарядку ли­тий-ионных батарей, разряженных до напряжения менее 2,5 В на элемент. Сначала необходимо поднять напряжение на батарее до уровня, достаточного для начала работы зарядного устройства. После этого необходим заряд малым током для вос­становления ее емкости. Особую осторожность следует прояв­лять при возвращении к жизни литий-ионных батарей, которые имели длительный перерыв в эксплуатации и хранились в состо­янии глубокого или полного разряда.

В качестве примера приведем рекомендации по зарядке пол­ностью разряженной литий-ионной батареи, применяемой для питания мобильных телефонов Siemens серии 45 (S45, МЕ45). В этих телефонах используется литий-ионная батарея емкостью 840 мАч. Роль датчика температуры в ней выполняет терморези­стор сопротивлением 22 кОм при t° = 25 °С. В целом управление питанием сотового телефона обеспечивает специализированная микросхема (ASIC). Производитель — компания Siemens — чет­ко определил, что нижний предел напряжения, до которого можно разрядить аккумуляторную батарею, составляет 3,2 В. Почему не 2,5 В, как было указано выше? Потому что только при напряжении не ниже 3,2 В гарантирована работа мобильно­го телефона. Напряжение же полностью заряженной батареи со­ставляет 4,2 В.

В случае, если произошел глубокий разряд батареи, зарядить ее как обычно — за 2—3 часа — не удастся. Восстановительный заряд необходимо выполнять в три этапа:

1. Заряд батареи током 20 мА до напряжения 2,8 В.

2. Заряд током 50 мА до напряжения 3,2 В.

3. Нормальный заряд до напряжения 4,2 В.

При полном разряде аккумуляторной батареи процессом ее заряда управляет специализированная (заказная) микросхема ASIC типа DO8296B. Причем в данном случае ее источником питания на первых двух этапах заряда является зарядное устрой­ство, а на третьем — уже сама аккумуляторная батарея.

108

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Каждая цепочка параллельно включенных литий-ионных ак­кумуляторов должна иметь собственные средства мониторинга их состояния.

Чем больше элементов последовательно соединено в батарее, тем совершеннее должна быть ее схема защиты. В коммерческих приложениях количество аккумуляторов в батарее не должно превышать четырех.

Глава 5

АЛКАЛИНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИОНИСТОРЫ

5.1. Алкалиновые элементы многократного использования

Алкалиновые элементы широко применяются для питания бытовой электронной аппаратуры. Правильнее было бы назы­вать их щелочными (от англ. alkali — щелочь), но, поскольку на­звание «алкалиновые» прижилось, будем использовать этот тер­мин. На рис. 5.1 показано устройство алкалинового элемента.

Идея перезарядки алкалиновых (щелочных) батарей не нова. Хотя такая возможность производителями не подтверждена, из практики следует, что при подзарядке такие батареи могут слу­жить длительное время. Однако подзарядка эффективна только в

Прокладка (пластик)

Корпус (сталь)

Сепаратор

Плюсовой вывод (анод)

Цинково-гелевый анод

Вентиляционное отверстие

Минусовый вывод (катод)

Катод из двуокиси марганца

Рис. 5.1. Устройство алкалинового элемента

110

Алкалиновые элементы и ионисторы

Алкалиновые элементы и ионисторы

111

том случае, если емкость батареи не успела снизиться более чем на 50 % от номинальной. Число возможных циклов подзарядки зависит исключительно от степени разряда батареи и в лучшем случае составляет несколько раз. С каждым циклом емкость ба­тареи уменьшается. При этом к самому процессу подзарядки следует подходить осторожно: во время него выделяется водо­род — взрывоопасный газ. Поэтому следует предпринимать меры предосторожности.

Тесты, проведенные с аккумуляторными элементами типо­размера АА, показали, что после первой перезарядки их емкость была близка к номинальной. Фактически их энергетическая плотность соответствовала плотности никель-металлгидридных батарей. После того как элемент АА был разряжен, а потом вновь заряжен, его емкость уменьшилась до 60 % и стала меньше емко­сти никель-кадмиевых батарей такого же размера. При дальней­ших испытаниях (разряд током 0,2С до напряжения конца заряда 1 В/элемент и заряд) емкость элементов продолжала снижаться.

Дополнительным недостатком повторного использования ал-калиновых батарей является ограничение их тока разряда — он не должен превышать 400 мА, и, чем меньше эта величина, тем лучших результатов удается добиться. Хотя такие токи и допус­тимы при использовании алкалиновых батарей в качестве источ­ников питания AM/FM радиоприемников, CD и кассетных пле­еров и вспышек для фотоаппаратов, их нельзя использовать для питания мобильных телефонов и видеокамер. Поэтому для пита­ния устройств с более высокими токами нагрузки следует ис­пользовать обычные алкалиновые батареи.

Достоинства алкалиновых батарей многократного использо­вания:

• дешевизна и немедленная готовность к применению сразу после покупки;

• возможность замены обычных неперезаряжаемых батарей;

• более экономичны, чем неперезаряжаемые батареи, — до­ пускают несколько перезарядок;

• малый саморазряд — новые батареи могут храниться до 10 лет;

• экологическая чистота — батареи не содержат токсичных веществ;

• простота обслуживания и отсутствие «эффекта памяти».

Недостатки алкалиновых батарей многократного использова-

ния:

• ограниченный ток нагрузки;

• ограниченный срок эксплуатации.

Ионистор (по зарубежной терминологии — суперконденса­ тор, или supercapacitor) — это энергонакопительный конденса­ тор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред — электрода и электролита (фото 5.1). Энергия в ионисторе хранится в виде статического заряда. Накопление происходит, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение). Концепция создания ионисторов по­ явилась несколько лет назад, и в настоящее время они нашли свою нишу применения. Ионисторы с успехом могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Если простой конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор — это со­четание конденсатора с электрохимической батареей. В нем ис­пользуются специальные обкладки и электролит. В качестве об­кладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды ме-