Аккумуляторы. Справочник - Андрей Кашкаров

Несмотря на значительное снижение емкости под большой нагрузкой при низких температурах, эти аккумуляторы рекомендованы при отрицательных температурах (до —3 °C) при малых токах разряда.

Потерю заряда вызывает и их старение. У изношенной батареи пластины электродов разбухают и начинают слипаться друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда. Укрупнение кристаллических образований в NiCd-батареях на основе никеля происходит в основном из-за слишком долгого нахождения ее в зарядном устройстве и многократного заряда без периодического полного разряда.

Разукрупнить кристаллические образования позволяет проведение такой процедуры, как тренировка, которую достаточно проводить один раз в 30–60 дней.

1.1.3. Литиевые аккумуляторы

Литиевые (Li-Metal) аккумуляторы имеют напряжение элемента 3 В и специфицируются для использования при температурах окружающей среды до —30 °C. Их рекламируют к применению (как имеющих наиболее высокую плотность энергии при комнатной температуре по сравнению с любыми другими типами аккумуляторов), однако это преимущество постепенно «сходит на нет» при понижении температуры.

При температуре около 0 °C емкость этих батарей падает примерно до 70 % от их емкости при комнатной температуре, при – 20 °C – до 55 %, а при – 30 °C можно рассчитывать примерно на 40 % емкости. Эти аккумуляторы до сих пор считаются не безопасными при разгерметизации, и производители продолжают работать над их усовершенствованием.

Ввиду специальных требований к режиму заряда и по соображениям безопасности все выпускаемые типы литиевых аккумуляторов доступны только в виде законченных батарей для определенных типов аппаратуры, в которые встроены предохранительные устройства и, зачастую, контроллеры заряда.

1.1.4. Литий-ионные (Li-Ion) АКБ

Разработка этих аккумуляторов началась в далеком 1912 году. Несмотря на это, на прилавках магазинов первые батареи этого типа появились в только в 70-х годах. Спустя 10 лет была предпринята попытка создать перезаряжаемую батарею, однако тогда это оказалось невозможным в связи с высокой опасностью при работе данных аккумуляторов.

В 1991 году от вполне реальных микровзрывов мобильных телефонов с литиевыми батареями пострадало несколько человек. Именно потому самые первые партии этих батарей, которые выпустили на рынок Японии, пришлось срочно отзывать из продажи. В связи с нестабильностью лития, разработчики направили свое внимание на неметаллические литиевые батареи, в которых использовались ионы лития. В очень короткие сроки, в течение того же 1991 года, на рынок были выпущены первые образцы литий-ионных аккумуляторов. Эти батареи имеют встроенную систему управления, которая позволяет ограничить напряжение и ток при работе батареи. Применение системы управления позволило обеспечить безопасность и долговечность аккумулятора, а также взять под контроль температуру батареи.

По состоянию на 2012 год технология изготовления литий-ионных батарей постоянно совершенствуется, так как применение аккумуляторов этого типа наиболее перспективно. Даже несмотря на довольно большую цену, преимуществ в использовании этих батарей столько, что они легко компенсируют затраченные средства.

Кроме того, литий-ионные батареи завоевывали позиции на рынке устройств мобильной связи. Это обусловлено такими их преимуществами, как:

• высокая плотность электрической энергии (вдвое большая, чем у Ni-Cd батареи того же размера, а значит, и вдвое меньшие габариты при той же емкости);

• медленный саморазряд («2–5 % в месяц плюс «3 % на питание встроенной электронной схемы защиты);

• отсутствие каких-либо требований к обслуживанию, за исключением требования длительного хранения в заряженном состоянии.

Но есть и недостатки: батареи некоторых производителей работают только при положительных температурах, все батареи дороги и подвержены процессу старения, даже если они не используются. Уменьшение емкости наблюдается примерно после одного года. После 2 лет хранения батарея часто становится неисправной. Поэтому не рекомендуется хранить Li-Ion аккумуляторы в течение длительного времени – нужно использовать их, пока они новые.

Li-Ion батареи повреждаются при заряде в «чужих» зарядных устройствах, а также при хранении в разряженном состоянии. Уменьшение емкости Li-Ion батарей необратимо, так как используемые в них токсичные материалы рассчитаны на работу только в течение определенного времени (к концу срока службы батареи токсичность применяемых в них веществ снижается).

Достоинства Li-Ion аккумуляторов

Прежде всего, это относительно большая емкость данных батарей, которая превышает емкость никелевых аккумуляторов на 20–30 %. Величина суточного саморазряда составляет не более 1 %, а в месяц не превышает 10 % (и это с расходом электроэнергии на питание встроенной системы управления). Большим достоинством является то, что Li-Ion батареи абсолютно не требуют обслуживания, так как в данном случае отсутствует эффект памяти. В результате есть возможность выполнять подзарядку батарей в любое удобное время, и совсем не обязательно ждать полной разрядки. Что касается долговечности, то здесь она тоже на высоком уровне и составляет около 1000 циклов разряда-заряда.

Но все же есть и небольшой минус. Дело в том, что по истечении некоторого времени батареи начинают стареть (терять свою емкость). Причем этот процесс имеет необратимый характер и начинается сразу после изготовления батареи. Кроме того, не имеет значения, работает аккумулятор или же он просто лежит на полке. Падение емкости начинает заметно сказываться по истечении одного года.

И мало какая батарея служит более двух лет. По этой причине становится невыгодным покупать литиевые батареи для использования в качестве запасных и для хранения. Необходимо учитывать также тот факт, что на старение батареи сильно влияют степень заряженности и температура окружающей среды. Наиболее оптимальным режимом для хранения литиевых аккумуляторов является температура ниже +15 °C, а заряжена она должна быть при этом примерно на 40 %.

При соблюдении этих условий в течение года теряется не более 5 % от первоначальной емкости. Для заряжания литиевых батарей категорически запрещается использовать зарядные устройства, не предназначенные для этих аккумуляторов. В случае невыполнения этого требования происходит неполная зарядка и уменьшение срока службы. Заряжаются данные батареи, как правило, в течение четырех часов, а в случае превышения этого времени встроенная система управления просто отключает устройство, и батарея может пребывать в подключенном к сети состоянии сколь угодно долго.

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы показывают неплохие характеристики при низких температурах. Большинство производителей специфицирует этот тип батарей до —2 °C. при этом под малой нагрузкой батареи способны отдать до 70 % от своей емкости при комнатной температуре, а при больших токах нагрузки – до 40 %. При температуре около 0 °C уменьшение емкости малозаметно.

Эти элементы (с напряжением 3,5–3,7 В) имеют хорошую плотность энергии по отношению к своей массе и габаритам и популярны в малогабаритной носимой аппаратуре, в том числе в носимых радиостанциях.

1.1.5. Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol)

Литий-полимерные аккумуляторы – свежее слово в области бытовой электроники. Отличие от всех остальных батарей состоит в электролите. Существуют три вида электролитов для литий-полимерных аккумуляторов:

1) полимерные сухие (полиэтиленоксид + соли лития);

2) гомогенные гель-полимерные (смесь солей лития пластификаторов и различных полимеров);

3) микропористая полимерная матрица и сорбированные в ней растворы лития.

Чаще применяется сухой электролит из полимера, вместо ставших традиционными пропитанных электролитами пористых сепараторов. Внешне они напоминает тонкую пластиковую пленку.

По характеристикам литий-полимерные аккумуляторы во многом подобны литий-ионным, однако работать могут только при температуре более +60 °C.

При более низких температурах, например, комнатной, литий-полимерные аккумуляторы обладают сниженной электропроводностью. Для повышения электропроводности таких аккумуляторов добавляется электролит, имеющих гелеобразную консистенцию. Улучшенные литий-полимерные аккумуляторы могут работать только при положительных температурах.

Стоимость этих устройств высока и оправдывается только в тех случаях, когда батарею необходимо изготовить в какой-либо нестандартной форме, так как аккумулятор может заполнить любое пустующее в корпусе оборудования пространство. Например, в сверхтонких

мобильных телефонах. Для них могут изготавливаться аккумуляторы толщиной в 1 мм. Конкретный пример показан на рис. 1.1.

Рис. 1.1. «Тонкий» аккумулятор