Типовые характеристики быстрого заряда Li-ion (Li-polymer) аккумуляторов
Li-ion-ные аккумуляторные батареи, как и следовало ожидать, кроме своих бесспорных положительных качеств имеют и плохие стороны. Но рассмотрим все по очереди...
Во-первых, это несомненно прогресс техники - создание Li-Ion аккумуляторов. По сравнению с предыдущими типами аккумуляторов, они имеют большую емкость при меньших размерах (и весе) - то есть мы можем обеспечить такое же время работы устройства от такой аккумуляторной батареи, и при этом она будет меньше весить и занимать меньше места! Кроме того, несомненным положительным признаком (свойством) таких батарей является нетребовательность в выборе режимов зарядки-разрядки. Аккумуляторные батареи такого типа можно заряжать когда угодно (при любой степени раряда) и разряжать произвольно. Почти... Но, все же, для тех, кто хочет из своей батареи получить максимум, мы постараемся описать набор правил, или рекомендаций, каких следует придерживаться для того, чтобы дать возможность своей батарее работать на вас верой и правдой.
Литий является самым легким металлом, в то же время он обладает и сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением и значительной емкостью.
Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н.Льюисом (G. N. Lewis) в 1912 году. Однако, только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними.
В результате исследований, проведенных в 80-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом, на поверхности лития формируются дендриты. Прорастание дендрита до положительного электрода и возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока является причиной выхода элемента из строя. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв. Так, большое количество литиевых аккумуляторов поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек.
В попытке создать безопасный источник тока на основе лития, исследования привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Наиболее популярными материалами для создания литий-ионноых аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). В таком источнике тока в ходе заряда-разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и наоборот. Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда-разряда. В 1991, фирма Sony начала коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов и в настоящее время является их самым крупным поставщиком.
Удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов по крайней мере вдвое превышают аналогичные показатели никель-кадмиевых аккумуляторов и хорошо характеризуют себя при работе на больших токах, что необходимо, например, при использовании данных аккумуляторов в сотовых телефонах и портативных компьютерах. Литий-ионные аккумуляторы имеют достаточно низкий саморазряд (2-5% в месяц).
Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей, возможность образования металлического лития на поверхности элетродов в ходе эксплуатации (что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям), практически устранена.
По материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (фирма Sony) и на основе графита (большинство других изготовителей). Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда, по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом (см. рисунок). Поэтому, в целях получения максимально возможной емкости, конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым отрицательным электродом обычно устанавливают ниже (до 2.5 V), по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом (до 3.0 V). Кроме того, аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с коксовым отрицательным электродом.
Н апряжение окончания разряда 3.0 V для аккумуляторов с графитовым отрицательным электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств.
Производители непрерывно совершенствуют технологию литий-ионных аккумуляторов. Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литий ионных аккумуляторов как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем.
Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее дорогими из доступных сегодня на рынке. Совершенствование технологии производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материалом может приведет к уменьшению их стоимость на 50 % в течение ближайших нескольких лет.
Продолжается развитие других литий-ионных технологий, о чем говорят опубликованные результаты исследований. Так, согласно данным Fujifilm, разработанный этой фирмой аморфный композиционный окисный материал на основе олова для отрицательного электрода способен обеспечить в 1,5 раза более высокую электрическую емкость по сравнению с аккумуляторами со стандартным углеродным электродом. Дополнительные возможные преимущества аккумуляторов с этим материалом заключаются в большей безопасности, более быстром заряде, хороших разрядных характеристиках и высокой эффективности при низкой температуре. Недостатки на ранних этапах исследований обычно не упоминаются.
Меры безопасности: Литий-ионные аккумуляторы обладают очень высокой удельной энергией. Соблюдайте осторожность при обращении и тестировании. Не допускайте короткого замыкания аккумулятора, перезаряда, разрушения, разборки, протыкания металлическими предметами, подключения в обратной полярности, не подвергайте их воздействию высоких температур. Это может нанести Вам физический ущерб.
Эта информация - отрывок из книги “Batteries in a Portable World “by Isidor Buchmann.
Перевод Владимира Васильева
Следует отметить, что в разных устройствах такие батареи ведут себя по-разному. Но некоторые общие свойства у них всех одинаковы. Если Вы приобрели новое устройство, то аккумулятор, скорее всего там разряжен, или заряжен не полностью. Первое, что Вам необходимо сделать - это полностью его зарядить. И первое, что Вам на этот счет посоветует продавец - "Заряжайте его целую ночь, или лучше сутки!". Чушь. Причем полная! Ведь всем известно, что литиевая батарея - "интеллектуальная". Внутри нее содержатся специальные контроллеры, которые отключают батарею от зарядки при определенном уровне напряжения. И дальше она не заряжается. Поэтому и нет смысла заряжать ее после полной зарядки. Единственное, что бывает у новых батарей - так это если она отключается от зарядки аномально рано (до часа, например - в зависимости от емкости и от зарядного устройства). В таких случаях советуют вынуть батарею из устройства (отсоединить) и снова вставить, после чего проследить, чтобы она нормально заряжалась. Также если батарея у Вас заряжается аномально долго (до суток, например) - то она однозначно неисправна и нуждается в немедленном ремонте. После полной зарядки новый аккумулятор должен быть полностью разряжен. Цикл полной зарядки - разрядки рекомендуют повторить раза 3 - 4. Это называют "раскачкой" батареи, в результате чего она приобретает максимальную емкость. Увлекаться, однако, нельзя. Необходимо помнить, что такого типа батареи боятся как перезаряда, так и переразряда. Как уже упоминалось, в них уже встроены контроллеры, которые предостерегают от перезаряда. Также туда встроены и контроллеры, предостерегающие от переразряда. У мобильных телефонов, например, производителем закладывается некоторый процент емкости, ниже которого происходит отключение телефона контроллерами, несмотря на то, что реально батарея разряжена не полностью. В то же время в ноутбуках также есть и те, и другие контроллеры, но контроллер, предостерегающий от переразряда - управляемый. В настройках энергосбережения системы мы можем установить, при достижении какого процента заряда батареи необходимо произвести отключение либо переход в спящий режим. Рекомендуемый предел - 5-10 %. Настоятельно рекомендуют не понижать этот предел ниже 3 %, а тем более не отключать его! Потому что отключение системы при полном разряде батареи может повлечь за собой кроме простой неисправности батареи также и неисправность всей системы энергосбережения компьютера. При этом всем утверждают, что нельзя проводить полную аналогию между батареями одинаковых типов в разных устройствах. Обусловлено это опять - таки, разностью между расположением вышеупомянутых контроллеров в каждом конкретном устройстве. Например, в мобильных телефонах, сам аккумулятор имеет небольшой размер, и поэтому технологически проще расположить контроллеры напряжения в самом телефоне, в то время как аналогичные контроллеры в ноутбуках помещаются в саму батарею - там, конечно, она и больше, и тяжелее. Естественно, что в этих изделиях работа устройств, контролирующих уровень напряжения в батарее, будет различной. Из-за непонимания этого момента можно часто встретить утверждение, что режим эксплуатации литиевой батареи в мобильном телефоне, проверенный на личном опыте, также будет максимально подходящим и для ноутбука с литиевой батареей. Повторимся - это ошибочное мнение. Так, литиевые батареи в ноутбуках нужно стараться использовать максимально редко. Имеется ввиду, если у Вас есть выбор - работать от сети либо же в автономном режиме, "для тренировки" - однозначно склоняйтесь в сторону последнего. При всем этом рекомендуется раз в несколько месяцев (иногда говорят раз в месяц) проводить цикл разряд (до 5-10 %) - полный заряд. Это поможет батарее максимально сохранять свою емкость. Также нужно обратить внимание на некоторые особенности, связанные с эксплуатацией батарей в ноутбуках (мы не говорим о мобильных телефонах - там структура батарей намного проще и особенностей в работе меньше). Следующие утверждения могут показаться тривиальными и смешными опытному пользователю - однако начинающему незнание некоторых простых моментов может вылиться в проблемы посерьезней, или просто беспокойство... Итак
При зарядке и разрядке (т.е. автономной работе) аккумуляторная батарея нагревается - это абсолютно нормально и обусловлено выделением тепла в результате химических процессов, которые происходят в батарее.
При постоянной работе от сети, заряд аккумулятора может незначительно уменьшаться. Это происходит также, если батарея не используется некоторое время и отсоединена от компьютера. Явление это называют саморазрядом батареи и тоже считают это нормальным, не приносящим вред батарее процессом.
Эксплуатировать батареи данного типа можно только в интервале температур +(5 -- 45) градусов по Цельсию (оптимально - + (15 -- 25) градусов). Ни в коем случае не включайте ноутбук на морозе! Также после длительного пребывания на морозе батарея должна успеть нагреться до нормальной температуры. Не включайте ноутбук сразу после прихода домой, если на дворе - зима!
Также литиевые батареи портятся от повышенной температуры. Поэтому при эксплуатации ноутбука размещать его нужно таким образом, чтобы была возможность нормального теплоотвода (свободное выдувание воздуха кулером на процессоре). Ибо ухудшение теплоотвода влечет за собой повышение температура внутри корпуса ноутбука, а это и процессор, и батарея, и жесткий диск... Особое внимание на проблему перегрева должны обращать владельцы небольших ноутбуков.
Ни в коем случае нельзя допускать замыкания между клеммами батареи! Это с необходимостью повлечет за собой неисправность последней. Поэтому, извлекая батарею из устройства, помещайте ее в отдельную упаковку (полиэтиленовый пакет) для избегания любых контактов с другими предметами.
Для длительного хранения (от месяца) батарею рекомендуется отсоединять от ноутбука и хранить отдельно в прохладном месте в полузаряженном состоянии (40 -- 80) %. То же самое рекомендуют и в случае мобильных телефонов.
Если Вы заметили неисправность батареи - нужно немедленно нести ее в ремонт. Недельное промедление может стоить Вам новой батареи!
Не пытайтесь заряжать свою батарею от неоригинальных зарядных устройств.
Теперь рассмотрим еще один интересный момент. Для разных марок и емкостей литиевых аккумуляторных батарей существует гарантированное производителем количество циклов заряд - разряд, которые аккумулятор должен отработать при соблюдении правил его эксплуатации.
Цифры встречаются разные, но колеблются они в основном от 400 до 1000. Что же получается? Наивно хотелось бы думать, что если работать постоянно от сети, то батарея никогда не придет в непригодность! Однако, это не так. К сожалению, все литиевые батареи имеют также и временное ограничение. Встречаются цифры от 1 до 4 лет. Таким образом, независимо от способа эксплуатации, ваша батарея придет в негодность по истечении не более 4 лет с момента производства. Но, как показывает практика, батареи теряют почти всю свою емкость гораздо ранее. Наверное, основной причиной для этого является несоблюдение всех правил эксплуатации. Считается нормальным, если батарея прослужила Вам год - полтора. Посмотрим, что же утверждается, когда говорится о ресурсе батареи в терминах количества циклов заряд - разряд. Здесь имеется ввиду количество полных циклов заряда - разряда, т.е. заряда до 100% и разряда до 3% (тут о цифрах можно говорить только с некоторой степенью приближения). Таким образом, производя раз в месяц плановую "профилактику" батарее, мы осознанно лишаем ее еще одного цикла в ее жизни. Но не стоит этого пугаться. Если мы разрядили батарею наполовину, а потом зарядили, то мы забрали у нее лишь полцикла. При последующей разрядке, скажем на 25%, мы списываем с ее жизни еще четверть полного цикла. Таким образом, если есть возможность подзаряжать батарею, не допуская ее большего разряда - именно так нужно и поступить. Другими словами, литиевую батарею можно как моно чаще заряжать и стараться держать в зараженном состоянии, нежели в полуразряженном.