Какое напряжение Li-ion аккумулятора лучше

• Типы напряжений
• Параметры зарядки Li-ion аккумуляторов
• Влияние химического состава
• Методы повышения напряжения
• Какое напряжение лучше?
• Преимущества LFP аккумуляторов

При выборе Li-ion аккумуляторов учитываются разные характеристики: типоразмер, наличие защиты, бренд, циклический ресурс, допустимые токи заряда и разряда. Но главную роль играют 2 параметра – емкость и номинальное напряжение. У большинства литий-ионных элементов номинальное напряжение равно 3,6 или 3,7 В.

Но встречаются и ячейки с отличающимся вольтажом. Например, элементы питания на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4) имеют номинальное напряжение 3,2 вольта. Встречаются в продаже и литий-ионные ячейки с увеличенным напряжением: 3,75 В, 3,8 В, 3,85 В. О том, какое напряжение Li-ion аккумулятора лучше, почему и что зависит от этого параметра, проанализируем в этой статье.

Типы напряжений

Этот параметр включает несколько видов:

1. Номинальное напряжение – измеряется в средней точке графика разряда. Как правило, составляет 3,6 или 3,7 В.
2. Реальное или рабочее – бывает от 2,4 до 4,4 В.
3. Минимальное – допустимое значение, до которого аккумулятор может разрядиться без потери своих эксплуатационных характеристик. Для большинства литиевых ячеек составляет 2,4–2,5 В, а для высоковольтных моделей – 2,8–3 В.
4. Максимальное – допустимый верхний предел, превышение которого считается перезарядом и вредит работоспособности аккумулятора. Как правило, составляет от 4,2 В у большинства до 4,35–4,4 В у высоковольтных моделей.

Как меняется напряжение при работе Li-ion аккумулятора?

Когда элемент питания полностью заряжен (уровень заряда равен 100%), его вольтаж составляет 4,2–4,4 В, в зависимости от характеристик модели. При дальнейшем подключении к нагрузке аккум отдает накопленную энергию и постепенно разряжается, удерживая при этом номинальный вольтаж 3,6–3,7 В (±0,1 В при разрядном токе 0,2–0,5С).

Когда уровень остаточного заряда достигает 20% от накопленной емкости, напряжение снижается до 3 В. Чтобы не допустить глубокого разряда и химической деградации аккума, BMS плата отключает его от нагрузки. Обычно это происходит при снижении напряжения до 3–2,75 В. Когда разряженные элементы подключаются к зарядному устройству, их вольтаж снова увеличивается до 4,2–4,4 В.

Параметры зарядки Li-ion аккумуляторов

До какого напряжения заряжать Li-ion аккумулятор – зависит от параметров конкретной модели, но для большинства литиевых элементов верхний предел составляет 4,2 В. Кроме напряжения полного заряда, важную роль при выборе зарядного устройства играет допустимый ток заряда. Он может составлять от 0,5С до 1С, где С – это значение емкости. Например, аккум емкостью 2500 мАч допускается заряжать током от 1,25 А до 2,5 А.

Влияние химического состава

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных подвидов, с некоторыми различиями в электрохимической системе. Эти различия влияют на рабочие параметры аккумов, в т. ч. и на значения напряжения. В зависимости от используемого активного вещества, различают литий-кобальтовые, литий-марганцевые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и другие подвиды Li-ion элементов питания.

Самые популярные категории и их основные характеристики приведены в таблице.

Различия в характеристиках объясняются разным составом аккумуляторов, а именно использованием в роли катодного материала оксидов кобальта, никель-марганец-кобальта, марганца, никель-кобальт-алюминия или железо-фосфата.

Методы повышения напряжения

Для повышения напряжения ячеек нужно снизить их внутреннее сопротивление. Для этого производители экспериментируют с материалами катода и анода, совершенствуют известные схемы и формулы, разрабатывают и внедряют инновационные добавки к электролиту. На каждом этапе они стараются найти компромисс между емкостью, токоотдачей и сроком службы элементов питания.

Кроме распространенных моделей на 3,6 и 3,7 В, можно встретить Li-ion аккумы на 3,75 В, 3,8 В, 3,85 В. В частности, батареи с вольтажом порядка 3,8 В широко используются в смартфонах. Такие элементы питания называют высоковольтными и обычно обозначают LiHV или High Voltage Li-ion. Заряжаются они не до 4,2, а до 4,4 В. Чтобы достичь таких значений, производители прибегают к разным хитростям, например, покрывают поверхность катода тонким слоем специальных материалов и включают добавки в электролит.

Какое напряжение лучше?

Существенной разницы между элементами питания с номинальным напряжением 3,6 В и 3,7 В при эксплуатации не наблюдается. Тем не менее, увеличение этого параметра влечет за собой возрастание энергоемкости. Известно, что для приблизительного расчета запасаемой емкости (в ватт-часах) достаточно умножить напряжение в вольтах на емкость в ампер-часах. Чем больше это значение, тем выше энергоемкость аккумулятора.

С другой стороны, у аккумуляторов с увеличенным вольтажом бывает меньший циклический ресурс. И наоборот, аккумы с меньшим напряжением могут значительно превосходить конкурентов по остальным не менее важным параметрам. Яркий пример таких аккумуляторов – модели на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4).

Преимущества LFP аккумуляторов

Несмотря на меньшее напряжение (3,2 В), они превосходят конкурентов по таким параметрам как:

• диапазон рабочих температур от -30 до +50 °С;
• увеличенный циклический ресурс – минимум 2000 циклов;
• меньшая подверженность эффекту старения – при хранении емкость падает всего на 1,5% в год;
• термическая и химическая стабильность;
• безопасность эксплуатации;
• устойчивость к возгоранию, даже при разгерметизации;
• простота утилизации;
• устойчивость к глубокому разряду, перезаряду, короткому замыканию, перегреву;
• способность выдерживать токи разряда до 25С и увеличенный зарядный ток;
• меньшее время заряда.

И хотя удельная энергоемкость у LFP ячеек на 14% меньше, чем у Li-ion элементов других типов, во многих случаях этот аспект отходит на второй план. Например, при выборе аккумуляторных батарей для электровелосипедов и других видов персонального транспорта для круглогодичной эксплуатации лучшими заслуженно считаются АКБ типа LiFePO4. Также они предпочтительны в качестве тяговых АКБ для лодочных моторов и в целом для жестких условий эксплуатации.

Поэтому правильно выбирать Li-ion аккумуляторы не только и не столько по напряжению, как по всей совокупности характеристик.

Ранее в блоге VirtusTec.ru вышла статья о видах АКБ для активного отдыха.