Литий-ионные аккумуляторы

На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы остаются самыми востребованными для комплектации мобильных устройств. Без мощного аккумулятора мобильный телефон, ноутбук, фотоаппарат и даже карманный фонарик быстро потеряют автономность.

Первый гальванический элемент "вольтов столб", появившийся благодаря Алессандро Вольта 20 марта 1800 года, был высотой в полметра и мало чем походил на современные аккумуляторы. Многие годы с тех времен по этому принципу разрабатывались одноразовые батарейки. Только в 1980 году благодаря Джону Гуденафу и его коллегам появились перезаряжаемые литий-ионные батареи. Почти 40 лет существования этого типа АКБ, и они стали прочным фундаментом мобильности и автономности. Сложно представить, что бы мы делали без таких "палочек-выручалочек". Без розеток и провода они дают нам возможность пользоваться многими гаджетами где угодно. Аккумуляторам Li-ion типа нашли применение в ноутбуках, карманных компьютерах, мобильных телефонах, видеокамерах, цифровых фотокамерах.

От первой гальванической батарейки в современном аккумуляторе Li-ion типа не сохранилось ни металлических дисков, ни войлочных пластинок, которые пропитывались раствором кислоты. Остался только принцип работы: АКБ содержат в себе химические реагенты, в которые входят два металла. Между электродами анодом (+) и катодом (-) пространство заполнено электролитической жидкостью. Эта жидкость является проводником и участником электролитической диссоциации. Электрическая энергия появляется за счет движения заряженных частиц от анода к катоду, в процессе взаимодействия металлов.

Li-ion аккумуляторы бывают цилиндрической формы и призматической. В цилиндрическом аккумуляторе используют электроды, завернув их в рулон. Они изолированы сепаратором и заключены в металлический корпус. Корпус связан с катодом, который не соприкасается с анодом, иначе произойдет самопроизвольный разряд. В призматическом варианте аккумуляторов конструкция имеет вид сложенных друг на друга пластин-пленок, между которыми совсем тонкий слой сепаратора.
Внутри на аноде и катоде происходят реакции.

При заряде на аноде:

• LiCoO₂→Li_1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe^-

При заряде на катоде:

• С + xLi⁺ + xe^-→CLi_x , где х – степень интеркаляции.

При разряде процесс идет в обратном направлении. Из-за такого эффекта качелей аккумуляторы литий-ионного типа называют "кресла-качалки".

К показателям, которые характеризуют литий-ионные батареи, относятся следующие технические параметры: напряжение, ёмкость, внутреннее сопротивление, диапазон рабочих температур, время быстрого заряда и ток нагрузки относительно ёмкости. Эти характеристики зависят от состава компонентов и не фиксированы. Пределы данных характеристик весьма условны.

Напряжение (В)	номинальное	3,6 - 3.85
	максимальное	4,2 или 4,4
	минимальное	2,75
Удельная энергоёмкость (Вт·ч/кг)	110-243
Время быстрого заряда (мин)	30-60
Внутреннее сопротивление (мОм)	30-50
Ток нагрузки (С)	номинальный	до 1 С
	максимальный	до 2 С
	безопасный	до 3 С (1 мин)
Рабочая температура (оС)	-20 - +60

Взрывоопасность

К взрыву аккумулятор могут привести ситуации, когда допустимая температура превышена, и электролит чрезмерно нагревается, а также при высоких зарядных или разрядных токах (коротком замыкании внутри АКБ). В такой батарейке в результате металлизации лития начинается цепная реакция, после которой он вздувается, и нарушается целостность оболочки. В моменты, когда аккумуляторная ячейка сильно перегревается или когда происходит короткое замыкание, температура внутри вырастает до 70-90^оС, литий становится химически активным и начинает вступать в реакцию. Электролит и литий анода взаимодействуют, и в результате реакций могут появиться углеводороды. Но из-за углеводородов возгорание не происходит, пока там не появится кислород. Кислород может появиться на катоде, когда при дальнейшем росте температур до 200 °C происходит разгерметизация, тогда аккумулятор и воспламеняется. Этот процесс быстро заканчивается, когда реагенты внутри аккумулятора полностью разлагаются.

Защита аккумулятора

Литиевые аккумуляторы требуют обязательной установки системы защиты, предотвращающей перезаряд, переразряд и короткое замыкание. Наиболее опасным считается перезаряд, так как это может привести к взрыву или воспламенению аккумулятора от перегрева. Вероятность негативного сценария при коротком замыкании минимальная, обычно это заканчивается вздутием аккумулятора. Переразряд - это принудительное отсоединение потребителя (мобильного устройства) при хранении в полностью разряженном состоянии.

Требования к режимам заряда/разряда

Под требованиями к режиму заряда/разряда понимают действия, при которых АКБ литий-ионного типа будет выполнять свои функции долго, безопасно, и устройство при этом будет полноценно функционировать.

• Критически высокая температура может привести к вздутию аккумулятора. Рабочая температура +20 - +40 ^оС. Не стоит устраивать солнечные ванны вашему гаджету и тем более париться с ним в бане, эти действия могут вызвать перегрев аккумулятора.
• После полной зарядки гаджет рекомендуется отключать от зарядного устройства.

Если аккумулятор полностью заряжен, то без подзарядки он в зависимости от емкости может сохранять свой заряд до 12 месяце. Это определяется малым значением саморазряда. Однако хранить полностью заряженными литиевые аккумуляторы не рекомендуется. Хранить купленные аккумуляторы надо заряженными менее чем на половину и не дольше 6 месяцев.

Старение и износ

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, в отличие от Ni-Cd и Ni-MH, не обладают эффектом памяти. Однако как и все аккумуляторы батареи литий-ионного типа подвержены износу и старению. Попытки сэкономить на том, чтобы купить аккумулятор "про запас", весьма сомнительны и не имеют смысла. Если циклы заряд/разряд не происходят, т.е. аккумулятор не используется, аккумулятор даже при оптимальных условиях хранения (40-50% от ёмкости и температуре 0-15^оС) стареет, а его ёмкость уменьшается.