Аккумуляторы и батареи на основе лития практически полностью изменили современную портативную электронику за последние 20 лет. Никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы были практически полностью вытеснены. Благодаря Li-Ion у нас есть смартфоны, умные часы и миниатюрные беспроводные наушники, а также практичные электромобили. Но для многих начинающих эти источники энергии представляют собой загадку, прояснить которую и постарается данный сборник практической информации.
Литий-ионные аккумуляторы
Это самый старый и популярный тип элементов (также часто говорят: банок, ячеек). В зависимости от типа они предлагают номинальное напряжение 3,6 В или 3,7 В. Максимальное напряжение для современных элементов составляет 4,2 В, но первые были ограничены 4,1 В. Чаще всего они встречаются в аккумуляторах для ноутбуков и других портативных устройств, электроинструментов и электромобилей. Они бывают всех форм и размеров, но чаще нескольких стандартов. В основном в виде цилиндрических ячеек с металлическими корпусами или в виде плоских, собранных в жесткую пластиковую или металлическую упаковку.
Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет не менее 300-500 циклов зарядки, но типичное значение составляет 1000 циклов.
Цилиндрические ячейки
Размеры их стандартны и маркируются пятизначными кодами. Первые две цифры — диаметр в миллиметрах, следующие три цифры — длина. Исключением из этого правила являются элементы, обозначенные 07540 и 08570, где их размеры соответствуют диаметру 7,5 мм и длине 40 мм и диаметру 8,5 мм и длине 70 мм.
Самый распространенный размер ячейки – 18650, то есть 18 х 65 мм.
Они предлагают емкости до 3500 мАч, хотя чаще всего встречаются от 1200 мАч до 2400 мАч. Китайские дешёвые аккумуляторы иногда имеют заявленную ёмкость 2000-3000 мАч, но на практике всего 500-600 мАч. Аккумуляторы для ноутбуков практически все от именитых производителей, так что такой б/у АКБ будет даже лучше нового Noname.
Следующими популярными размерами являются 21700 и 26650. Аккумуляторы 21700 в основном производятся Tesla и имеют емкость 3000-5000 мАч. С другой стороны, элементы 26650 имеют емкость 2400-5750 мАч и используются, когда требуется больше энергии.
Использование литий-ионных элементов
Максимальное напряжение литий-ионного элемента составляет 4,2 В, а минимальное — 3 В. Ячейку можно разряжать и до 2,5 В, но это сокращает срок ее службы. Банка, разряженная ниже 2,5 В, деградирует и не должна использоваться, хотя ее ещё можно спасти.
Неиспользуемые ячейки теряют 3-5 % своей емкости в год. Процесс можно замедлить если хранить их в холодильнике, в герметичной упаковке и с поглотителем влаги. Литий-ионные аккумуляторы плохо переносят перегрев — это снижает их емкость и срок службы, увеличивает внутреннее сопротивление. По этой причине они плохо переносят перегрузку.
Ток заряда и разряда выражается как множитель емкости элемента. Ток 1С для элемента емкостью 1000 мАч составляет 1000 мА, то есть 1 А. Значит ток 0,5С для элемента 2000 мАч тоже будет 1000 мА или 1 А.
Для цилиндрических элементов максимальный разрядный ток не должен превышать 1,5С. Плоские элементы иногда могут выдерживать ток 2C (за счет снижения срока службы). Конечно, можно найти и сильноточные элементы, но в их случае из-за высокой рабочей температуры срок службы весьма ограничен.
- Категорически запрещается замыкать элементы накоротко, так как это может привести к возгоранию или взрыву!
Для зарядки элементов требуется специальное зарядное устройство или приличный лабораторный источник питания. В процессе зарядки используется источник тока с максимальным напряжением 4,2 В и током, регулируемым в зависимости от емкости элемента. Элемент с напряжением 2,5 – 3 В заряжается током 0,05 – 0,1С, от напряжения 3 В до 4,2 В током 0,5 – 1С. Когда элемент достигает 4,2 В, следует контролировать ток зарядки. Процесс зарядки завершен, когда зарядный ток упадет до 0,03C. Затем следует прекратить дальнейшую зарядку, чтобы не повредить аккумулятор.
- Аккумуляторы нельзя заряжать напряжением выше 4,2 В, так как это может привести к возгоранию или взрыву, то есть к разрушению аккумуляторов!
Теоретически можно заряжать два последовательно соединенных аккумулятора без балансира или системы BMS. Оба элемента должны быть идентичны по емкости и количеству циклов зарядки. В дешевых фонариках и электронных сигаретах используются такие решения, но достаточно небольшой разницы между параметрами ячеек, чтобы перегрузить одну из них, с плачевными результатами.
Рекомендуем использовать специальное зарядное устройство или контроллер заряда аккумулятора. Такие модули стоят дешево, а специализированные зарядные устройства ненамного дороже.
Восстановление литиевых банок
Следующий способ спасения слишком глубоко разряженных элементов приводим только как теорию и не советуем использовать его на практике, потому что это опасный метод.
- Ячейка с напряжением от 2 В до 2,5 В подключается отрицательными полюсами ко второй ячейке с напряжением не менее 2,8 В. Положительный полюс подключается через резистор 1 Ом/5 Вт, при этом ячейка разряжается максимум 0,5-1С. И ячейки, и резистор должны быть в лучшем случае теплыми на ощупь.
- Если какая-либо из банок, особенно глубоко разряженная, нагрелась, процесс необходимо остановить!
- После успешного цикла проверьте напряжение обоих элементов. Повторяйте по мере необходимости. Обе ячейки должны иметь напряжение выше 2,5 В. Спасенный элемент должен быть полностью заряжен с учетом его температуры – если он начнет греться, прекратите зарядку – элемент поврежден и уходит в мусор.
Гораздо полезнее будет процесс регенерации ячеек, имевших проблемы со слишком большим саморазрядом и внутренним сопротивлением. Этот процесс не увеличивает емкость элементов, но может продлить срок их службы и уменьшить перегрев. Процесс выглядит следующим образом:
Аккумуляторы должны быть предварительно полностью заряжены, затем их несколько раз оборачивают туалетной бумагой (она выполняет роль утеплителя и поглотителя влаги одновременно) и упаковывают в пакет из фольги, который следует плотно завязать. Этот мешок упаковывается в другой, который также завязывается. Подготовленный таким образом пакет следует поместить в морозильную камеру на 24 – 48 часов, переложить из морозильной камеры в холодильник еще на 48 часов, а затем оставить при комнатной температуре еще на 24 – 48 часов. Затем элементы следует разрядить до 3 В при нормальном использовании и, наконец, полностью зарядить.
Подключение литий-ионных аккумуляторов
Ячейки разной емкости могут быть соединены параллельно. Емкость такой батареи будет суммой емкостей всех ячеек. Перед подключением элементов убедитесь, что они имеют одинаковое напряжение – в противном случае из элемента с более высоким будет протекать большой ток в элементы с более низким напряжением, что в крайних случаях может привести к пожару. Параллельно из соображений безопасности следует соединять не более восьми элементов, но сборщики домашних аккумуляторов часто игнорируют эту рекомендацию.
При последовательном соединении все элементы должны иметь одинаковую емкость. Дополнительно такой пакет должен быть оснащен балансировщиком или системой BMS, что обеспечит равномерную нагрузку отдельных ячеек или пакетов в ряду. При последовательном соединении емкость не меняется, а складываются напряжение и количество запасенной в аккумуляторе энергии.
Литиевые батареи часто описывают в виде XsYp, например 3s2p. Первое число указывает количество последовательно соединенных пакетов, второе — количество параллельно соединенных ячеек в пакете. Система 3s2p означает три последовательных пакета с двумя параллельными ячейками.
Некоторые цилиндрические и многие плоские АКБ имеют встроенную схему защиты. В такой системе предусмотрена защита от перегрузки по току (OCP), защита от перенапряжения (OVP) и чрезмерного разряда (UVP – защита от пониженного напряжения). Если ячейка работает в последовательном пакете, за все эти защиты отвечает система BMS. Эта BMS также может иметь защиту от перегрева (OTP – overtemperature protection) в виде термистора, который следует приклеить к одной из ячеек.
Увеличение срока службы литиевых элементов питания
Все типы литиевых элементов стареют по мере использования и даже в простаивающем состоянии. Но есть способы заставить их работать дольше. Неиспользуемые элементы необходимо зарядить до ~3,8 В (40% емкости) и хранить в холодильнике в сухой и герметичной упаковке. Ячейки, хранящиеся таким образом, будут терять только ~ 2% своей емкости в год. С другой стороны, аккумуляторы, хранящиеся при температуре 25 градусов и полностью заряженные, теряют до 20% своей емкости в год.
Хороший способ увеличить количество циклов заряда и разряда — зарядить его до напряжения ниже 4,2 В. Это показано в следующей таблице из одного из экспериментов:
| Напряжение | Количество циклов | Емкость |
| 4,3V | 150-250 | 110-115% |
| 4,25V | 200-350 | 105-110% |
| 4,2V | 300-500 | 100% |
| 4,15V | 400-700 | 90-95% |
| 4,1V | 600-1000 | 85-90% |
| 4,05V | 850-1500 | 80-85% |
| 4V | 1200-2000 | 70-75% |
| 3,9V | 2400-4000 | 60-65% |
Как видите, каждый раз при снижении зарядного напряжения на 0,1 В, удваиваем количество циклов за счет максимально доступной емкости. Это решение имеет большой смысл в стационарных схемах накопления энергии, особенно если используемые на старте элементы имеют срок службы 1000 циклов.
Использование ячеек Li-Ion
Чем меньше ток, потребляемый ячейкой, тем меньше нагрузка на ячейку и тем дольше срок ее службы. Рабочая температура элемента также влияет на его емкость. В приведенной таблице показано, насколько емкость элемента уменьшается каждые 50 циклов в зависимости от рабочей температуры.
| Количество циклов | 25°C | 35°C | 45°C | 55°C |
| 50 | -0,79% | -1,37% | -1,4% | -1,86% |
| 100 | -1,72% | -2,62% | -3,05% | -4,07% |
| 150 | -0,26% | -3,93% | -5,01% | -7,29% |
| 200 | -3,29% | -5,55% | -6,7% | -10,48% |
| 250 | -4,22% | -6,57% | -8,74% | -13,24% |
Быстро заряжающиеся элементы и большие токи разряда повышают их температуру из-за внутреннего сопротивления. Это может привести к экзотермической реакции разложения электролита, которая приводит к возгоранию или взрыву элемента.
Li-Po аккумуляторы
На практике литий-полимерные элементы почти не отличаются от литий-ионных. Из-за использования электролита и гелевого сепаратора эти элементы могут быть чрезвычайно плоскими, поэтому их чаще всего упаковывают в полиэтиленовые пакеты. В результате они легче, но более подвержены механическим повреждениям. Они также предлагают более низкую плотность энергии, чем их литий-ионные аналоги.
Li-Po могут быть любых форм и размеров и поэтому используются в самых разных портативных устройствах, особенно в смартфонах и планшетах. Литий-полимерные элементы не саморазряжаются в той же степени, что и литий-ионные, поэтому их можно хранить гораздо дольше. Кроме того, они лучше переносят более высокие токи заряда и разряда. Взамен они не только дороже в производстве, но и имеют меньший срок службы. С литий-полимерными элементами следует обращаться так же, как с литий-ионными.
Аккумуляторы LiFePO4
Элементы LiFePO4 значительно отличаются от других типов литиевых элементов. Они имеют меньшую плотность энергии, но гораздо более стабильны, намного лучше выдерживают высокие разрядные токи и имеют значительно более длительный срок службы. Литий-железо-полимерные элементы обеспечивают минимум 1000 циклов зарядки, максимум около 10000 циклов.
Минимальное напряжение элемента LiFePO4 составляет 2 В, типичное напряжение 3,2 В. Напряжение полностью заряженного элемента составляет 3,65 В. К сожалению, основным недостатком этого типа АКБ является низкая плотность энергии и высокая скорость саморазряда — по этим причинам они не используются в портативных устройствах. Эти банки хуже переносят отрицательные температуры, но лучше жару.
Использование элементов LiFePO4
Литий-железо-полимерные элементы намного безопаснее в использовании. На них не действует большая токовая нагрузка, а короткое замыкание не приводит к термическому разложению, заканчивающемуся пожаром. Поэтому АКБ этого типа используются в электромобилях, иногда в фонариках и электронных сигаретах, а также в качестве альтернативы свинцово-кислотным и гелевым аккумуляторам в системах накопления энергии.
Процесс зарядки точно такой же, как у литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, но меньшим напряжением, всего 3,65 В. Правда в отличие от других типов литиевых элементов, элементы LiFePO4 можно заряжать более высоким напряжением, даже 4,2 В. Это сокращает продолжительность фазы зарядки постоянным напряжением и оказывает незначительное негативное влияние на элемент.
В зависимости от модели элемента и его производителя зарядный ток может быть от 1С до 10С, а безопасный ток разряда от 1С до даже 50С. Например элемент ANR26650M1-B имеет номинальную емкость 2500 мАч и постоянный ток разряда 50 А. Импульсный ток может достигать 120 А в течение трех секунд, что составляет 48С! Номинальный зарядный ток 2,5 А, то есть 1С, но этот элемент можно быстро зарядить 10 А, а это аж 4С. И все это в стандартном цилиндрическом корпусе 26650.
Подключение элементов LiFePO4
К ним применяются те же правила, что и для других типов ячеек. Из-за более низкого напряжения полного элемента при последовательном соединении следует использовать балансиры и системы BMS, предназначенные для литий-железо-полимерных элементов. На рынке представлено множество готовых аккумуляторов, идущих в качестве замены свинцово-кислотным в системах хранения возобновляемой энергии или для более легких электромобилей.
Информация для самодельных сборок АКБ
Ячейки должны быть сначала тщательно измерены (емкость и внутреннее сопротивление), и при попытке собрать пакет из десятка или около того банок, стоит использовать калькуляторы, доступные в Интернете. То есть чтоб собрать большой пакет (например 4s8p – 32 ячейки), калькулятор отлично помогает в подборе ячеек. Задаем в калькулятор все имеющиеся ячейки (например 40), и он выдаст оптимальный вариант. Дополнительным преимуществом является возможность выбора между равным количеством ячеек в секции пакета и равной вместимостью секции. Вот пример: три секции имеют емкость 4500 мАч (каждая секция по три ячейки по 1500 мАч) и при подборе ячеек для четвертой секции выбор три ячейки по 2000 мАч или четыре ячейки по 1200 мАч.
В части безопасности стоит подчеркнуть, что очень важную функцию играют термоусадки, которыми обматываются звенья. Масса элемента скрыта под ними. Замкнуть землю плюсом ячейки относительно сложно, но только до тех пор, пока наклейка не повреждена. Для безопасности всё-же следует защищать такие места.
Пайка ячеек. литиевые элементы не любят жару, поэтому их не следует запаивать рискуя перегреть. Это можно делать, но не следует. Соединение ячеек в пакеты следует производить с помощью точечной сварки. Сварочный аппарат можно купить, сделать на базе трансформатора от микроволновки, а можно использовать старый автомобильный аккумулятор или набор конденсаторов.
Существуют также литий-ионные аккумуляторы, широко известные как LI-HV, заряжаемые до 4,35 – 4,47 В и разряжаемые до 3,3 В. Встречается на некоторых телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах. Для них характерно очень большое соотношение емкости к весу (~300 Втч/кг) и к объему (~700 Втч/л) в ущерб долговечности, хотя они легко выдерживают 1000 циклов – уровень обычных Li-Ion. И конечно же литий-титановые, подробный обзор которых имеется на Elwo.ru, со всеми их особенностями эксплуатации.
Таким образом под словом “литиевые”, подразумевается целый спектр аккумуляторов с различным химическим составом и свойствами.