Основные свойства литий-ионных аккумуляторов
- Свойства литий-ионных аккумуляторов
- Зарядка Li-ion АКБ
- Взрывоопасность и защита литиевых АКБ
- Материалы Li-ion аккумуляторов
- Принцип работы Li-ion аккумуляторов
По соотношению емкости, веса, мощности и остальных характеристик Li-ion аккумуляторы не имеют равных. Их ресурс составляет более 1000 циклов, а у элементов с типом химии LiFePO4 –свыше 2000, до снижения исходного значения номинальной емкости на 20%. Для сравнения, ресурс свинцово-кислотных АКБ составляет всего 300–500 циклов.
Свойства литий-ионных аккумуляторов
Перечислим ключевые особенности Li-ionэлементов питания:
- отсутствие выраженного эффекта памяти;
- незначительный саморазряд – менее 10% в месяц;
- рабочий диапазон температур – от -20 до +50 °С, для LiFePO4 – от -30 до +60 °С;
- допустимые температуры для зарядки – от 0 до 45 °С;
- диапазон рабочих напряжений – от 2,7 в разряженном состоянии до 4,2 Вв заряженном, для LiFePO4 – от 2,3 до 3,65 В;
- чувствительность к глубокому разряду и избыточному заряду – за поддержанием напряжения в оптимальном диапазоне следит BMS плата;
- доступная емкость при граничных температурах – больше, чем у АКБ других типов;
- удельная энергоемкость – 110–240 Вт·ч/кг, в зависимости от состава Li-ion аккумулятора;
- допустимый ток зарядки – 1С, но есть модели с С-рейтингом зарядки до 3С, для LiTi–до 5C;
- допустимый ток нагрузки – до 1С, есть модели с увеличенным С-рейтингом разряда, для LiFePO4 – до 25С, для литий-титаната – до 10С;
- внутреннее сопротивление – 30–50 мОм;
- время быстрого заряда – 30–60 минут;
- подверженность старению – даже если литиевые аккумуляторы не используются, а лежат на полке, их доступная емкость постепенно снижается.
Зарядка Li-ion АКБ
Такие источники питания заряжаются в комбинированном режиме CC/CV. Изначально процесс зарядки идет при постоянном значении тока величиной от 0,2С до 1С. Когда напряжение достигает установленного производителем максимума (обычно 4,2 В), начинается 2-й этап зарядки – при неизменном напряжении и плавно снижающемся токе. Когда его значение достигнет 3% от начальной величины, процесс зарядки завершается.
Литий-ионныеэлементы не имеют эффекта памяти, поэтому разряжать их «в ноль» перед зарядкой не нужно и даже вредно. Лучше подключать АКБ к зарядному устройству после каждого применения. Перед длительным хранением Li-ionаккумуляторы рекомендуется заряжать примерно наполовину.
Взрывоопасность и защита литиевых АКБ
К возгоранию или взрыву литий-ионных аккумуляторов может привести критическое повышение температуры, внутреннее короткое замыкание и недопустимо высокие токи заряда или разряда. В таких ситуациях происходит критический нагрев электролита металлизация лития и цепная реакция, при которой наблюдается вздутие элементов и нарушение целостности их внешней оболочки.
При нагреве лития повышается его химическая активность, начинается взаимодействие с электролитом, и выделяются углеводороды. В случае разгерметизации ячейки в реакцию вступает кислород, и происходит возгорание. При разложении участников химической реакции процесс горения прекращается.
Чтобы избежать риска возгорания и взрыва Li-ionэлементов, необходимо использовать специальную систему защиты – BMSплату. Она устанавливается на аккумуляторную батарею и оберегает ее от перезаряда, перегрева, короткого замыкания, глубокого разряда и других опасных состояний. Если хотя бы один из параметров литиевых аккумуляторов выходит за допустимые пределы, БМС контроллер отключает батарею от нагрузки или зарядного устройства.
Материалы Li-ion аккумуляторов
В основе таких источников энергии – 2 электрода, подключенные к токосъемникам. Это анод из пористого углерода на медной фольге и катод из оксида лития на алюминиевой фольге. Между ними находится пористый сепаратор из полипропилена, содержащий в себе электролит. Все составляющие содержатся в герметичном корпусе.
В зависимости от состава используемого катода, Li-ionаккумуляторы подразделяются на группы:
- Литий-марганцевые – с материалом катода LiMn2O4. Отличаются высокой мощностью, используются для автономного питания электроинструментов, медтехники, силовых агрегатов.
- Литий-кобальтовые – с катодом из оксида LiCoO2. Имеют высокую энергоемкость, умеренную термическую стабильность и допустимые токи до 1С. Используются в цифровой технике.
- Литий-железо-фосфатные – LiFePO4. Их преимущества – стабильная работа в широком диапазоне температур, максимально безопасная эксплуатация, токи разрядки до 25С и ресурс более 2000 циклов. Используются для автономного питания складской техники, электротранспорта, промышленного оборудования.
- Литий-титанатные – Li4Ti5O12. Безопасны в эксплуатации, имеют ресурс более 3000 циклов, широкий температурный диапазон и допустимые токи разряда до 10С. Ставятся на электротранспорт, ИБП, уличные светильники.
- Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные – LiNixMnyCozO2. Обладают солидным циклическим ресурсом, высокой емкостью и мощностью. Часто ставятся на электротранспорт.
- Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные – LiNiCoAlO2. Их плюс – высокая емкость.
Еще один вид современных аккумуляторов на основе лития – литий-полимерные. Они востребованы при изготовлении радиотехники, детских игрушек, квадрокоптеров. Характерное отличие LiPoэлементов заключается в использовании в роли электролита полимерного материала.
Принцип работы Li-ion аккумуляторов
При подаче напряжения на катод и анод положительно заряженные ионы Li+отсоединяются от молекул оксида лития и переносятся электролитом на углеродную пластинку. Так происходит зарядка аккумулятора, т.е. протекает реакция окисления. При подключении нагрузки протекает реакция восстановления – ионы Li+ возвращаются в свое привычное состояние. В результате за счет переноса заряженных частиц между электродами происходит накопление и отдача энергии аккумулятором.
Читайте в предыдущей статье нашего блога о технологии сборки АКБ из болтовых элементов.
