Как и чем заряжать li-ion (Li-po) аккумулятор? Лучшие способы

LifePO4, это группа литиевых аккумуляторных батарей, не содержащих в своем составе литий фосфат железа. В то время когда остальные литиевые батареи представляют некоторую опасность, данные аккумуляторы являются неопасными

Устройство аккумулятора Li-ion

Первые модели серийных аккумуляторов на основе лития стали появляться еще в начале 1990 годов. Однако в качестве активного электролита тогда использовался кобальт и марганец. В современных же литий-ионных батареях важно не столько вещество, сколько конфигурация его размещения в блоке. Такие аккумуляторы состоят из электродов, которые разделяются сепаратором с порами. Масса сепаратора, в свою очередь, как раз и пропитывается электролитом. Что касается электродов, то их представляет катодная основа на алюминиевой фольге и медный анод. Внутри блока катод и анод соединяются между собой клеммами-токосъемникам. Обслуживание заряда выполняет положительный заряд ион лития. Этот материал выгоден тем, что располагает способностью легко проникать в кристаллические решетки других веществ, формируя химические связи. Впрочем, положительных качеств таких батарей все чаще оказывается недостаточно для современных задач, что и обусловило появление элементов Li-pol, которые имеют немало особенностей. В целом же стоит отметить и сходство литий-ионных источников питания с гелиевыми полноформатными АКБ для автомобилей. В обоих случаях батареи разрабатываются с расчетом на физическую практичность в использовании. Отчасти это направление развития продолжили и полимерные элементы.

Вопросы эксплуатации: зарядка, раскачка, балансировка

Итак, рассмотрим радиоуправляемые игрушки, как полигон, на котором обкатываются новые технологии хра­не­ния электрического заряда. Отметим преимущества и недостатки литий-полимерных аккумуляторов, нако­пив­ши­еся в процессе их эксплуатации.

Li-Pol батарея требует особого режима зарядки. Время, ког­да ее можно было просто подключить к первому по­пав­ше­му­ся источнику тока не только безвозвратно прошло, но, по большому счету, и не начиналось.

Еще один фактор, связанный с восстановлением кондиций батареи – балансировка. Это означает, что батарея по­сле­до­ва­тель­но включенных элементов питания заряжается не чо­хом. Каждому элементу уделяется особое внимание: мо­ни­то­рит­ся ток зарядки и готовность элемента принять его.

Несоблюдение этих правил приведет к ухудшению характеристик аккумулятора, в крайнем и самом неприятном случае – к взрыву или возгоранию. Неплохой иллюстрацией к этому служит отчет Федерального управления гражданской авиации США об инцидентах с батареями.

Последнее замечание – весомый аргумент к тому, что не оставлять без присмотра литий-полимерный ак­ку­му­ля­тор. Естественный нагрев может стать миной замедленного действия, если устройство расположить в непро­вет­ри­ва­е­мом, теплом или закрытом месте. К счастью, батарея приходит в готовность к новому циклу эксплуатации достаточно быстро. Это несомненный плюс для устройств с таким электрохимическим процессом.

Еще одно следствие, связанное с нагревом в процессе заряда, – необходимость охлаждения аккумулятора перед началом эксплуатации. Дать остыть до температуры окружающей среды – это не только хороший тон, но и удо­воль­ствие от батареи в процессе работы, которое увеличивается пропорционально времени остывания 🙂

По большому счету Li-Pol аккумулятор – лакомство для ис­ку­шён­ных. Он не «любит» полного разряда, ему не «нра­вит­ся» длительное время нахождения под напряжением, когда, по сути, зарядка уже состоялась. Так называемая «пере­за­ряд­ка» неимоверное зло для него. При первых признаках то­го, что батарея начинает «садится», стоит прервать ее ис­поль­зо­ва­ние, отключить, дать остыть и только затем по­ста­вить ее заряжаться.

Наивно предполагать, что использование литий-по­ли­мер­ных батарей не влечёт за собой никаких обязательств. Но уж точно среди них нет того, что называется «раскачкой» ак­ку­му­ля­тора. Под этим процессом понимается несколько цик­лов полной разрядки с последующей полной зарядкой. Если для батарей с NiCd и/или NiMH гальваникой такие трю­ки были оправданы, то Li-Pol процесс только ухудшится после подобного «улучшения».

Особенности литиевых аккумуляторов

Первые экспериментальные батареи на основе лития без возможности подзарядки появились в начале прошедшего века. Однако их применение началось в 70 гг. Они характеризовались большой емкостью и напряжением. Однако нестабильность лития приводила к воспламенению элементов при циклической работе.

Читайте также:  Выбор текущего местоположения и просмотр подробных сведений на карте

Ввиду этого в 90 гг. от металлических батарей перешли к ионным. В совокупности с некоторыми мерами это позволило достичь приемлемой безопасности. Хотя на ion-li вариантах плотность энергии сократилась в сравнении с металлическими, она вдвое выше характеристик предшествующих никель-кадмиевых моделей.

Особенности литиевых аккумуляторов

К тому же существует возможность повышения показателей путем применения активных материалов.

Высокое напряжение энергетических элементов позволило упростить конструкцию. Отсутствие эффекта памяти упрощает эксплуатацию. При этом особенности разрядки не отличаются.

К плюсам литиевых аккумуляторов относят:

  • большую емкость ввиду высокой плотности энергии;
  • высокое напряжение единичного элемента;
  • простоту эксплуатации.
Особенности литиевых аккумуляторов

Выявлен ряд минусов:

  • система защиты усложняет конструкцию и повышает стоимость;
  • старение происходит и без эксплуатации.

Преимущества LifePOаккумулятора, над аналогичными моделями батарей

Как уже упоминалось, срок использования LifePO4 намного дольше аналогов. 

В сравнении с остальными аккумуляторами, эти батареи обеспечивают стабильный разряд. До самой разрядки батарея обеспечивает напряжение максимально приближенное к Данное преимущество отбрасывает нужду в частом регулировании напряжения цепи. 

Исходя из стабильного напряжения в , расположив четыре батареи последовательно, можно получить номинальное напряжение на выходе в Следовательно, это может стать альтернативой свинцово – кислотным аккумуляторным батареям, и их можно эксплуатировать в автомобилестроении или в работе солнечной энергетикой. 

Фосфаты максимально уменьшают необходимость в использовании кобальта, и это в свою очередь уменьшает выброс кобальта в воздух. LifePO4 отличается высокой мощностью и пиковым током. Литий — ионные аккумуляторы имеют на 14% выше плотность энергии. Скорость разрядки ячеек LifePO4 намного больше других батарей. Так как плотность энергии снижается гораздо медленнее, после определенного срока использования, LifePO4 ячейки будут иметь плотность энергии выше LiCoO2 и литий — ионные ячейки. 

LifePO4 ячейки намного дольше теряют емкость. Термическая, а также химическая стабильность батарей максимально обеспечивает безопасную эксплуатацию, что является, наверное, одним из самых главных преимуществ. 

Технические характеристики батарей

Технические характеристики LiFePO4:

  • номинальное напряжение батареи – вольта;
  • нижний порог напряжения – 2 вольта;
  • полностью заряженный – 3.6 В;
  • температурный диапазон работы – от -30 до +50.

Для сравнения, Li-Ion имеет следующие характеристики:

  • номинальное напряжение батареи – В;
  • нижний порог напряжения – 3.0 В (для емких аккумуляторов нижний предел составляет 2.5 вольт);
  • полностью заряженный – В (для емких аккумуляторов – В);
  • температурный диапазон работы – от -20 до +60 (с уменьшением температуры теряется емкость, оптимальная температура работы составляет от +20 до +25 градусов).

Но не спешите сразу клеймить железо-фосфатные батарейки из-за показателей напряжения. У них есть ряд преимуществ. В аккумуляторе LiFePO4 используется структура оливина (высокотемпературный минерал, способный выдерживать температуру до 1900 градусов). Материал не токсичный и имеет низкую стоимость. Более того, к достоинствам аккумулятора можно отнести следующие свойства:

  • длительный срок эксплуатации – 5000-7000 циклов у литий-железо-фосфатного аккумулятора против 500-1000 для литий-ионного, при этом потеря емкости LiFePO4 составляет всего 20%;
  • срок хранения батареи – 12-15 лет (литий-ионные хранятся всего 3-5 лет, потом они начинают деградировать);
  • высокая плотность энергии и устойчивость к низким температурам (у Li-Ion просадки составляют порядка 3-4 вольт при нагрузке, а емкость падает в 2-3 раза при отрицательной температуре);
  • устойчивость к переразряду (если напряжение выйдет за пределы максимально допустимого, LiFePO4 получит лишь незначительные внутренние повреждения, сохранив при этом свою работоспособность. Li-Ion аккумулятор при перенапряжении становится очень опасен, происходит разгерметизация с выбросом лития в атмосферу, вплоть до взрыва);
  • не горит при повреждении элементов (только дымит и нагревается, литий-ионные при повреждении взрываются с сопровождением в виде яркого пламени).

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы можно встретить в форм-факторе 18650, также, как и литий-ионные. Из них можно сделать батарею практически любой формы, расположив отдельные элементы любым удобным способом. Отличие будет лишь в весе готовой сборки всего блока аккумуляторов – при одинаковом напряжении LiFePO4 будет несколько тяжелее и габаритнее, поскольку ячейки имеют разное номинальное напряжение.

Читайте также:   Узнайте больше о сканере отпечатков пальцев

Для зарядки и тех, и других аккумуляторов нужно иметь специальную плату BMS (контроллер заряда), без контроллера риск угробить батареи близка к 100 процентам, а в случае с литий-ионными добавится еще и риск возникновения пожара. Но при покупке контроллера нужно учитывать, для какого типа аккумуляторов он предназначен по величине номинальных напряжений. Контроллер не просто заряжает батарею, но еще балансирует ячейки аккумуляторов между ними.

Аккумуляторы LiFePO4 стоят дороже традиционных Li-Ion, но взамен вы получаете безопасность при эксплуатации и длительный срок службы – аккумулятор, которого хватит на долгие годы. Но единственный недостаток это все же вес и меньшая емкость по сравнению с Li-Ion.

Главные правила подзарядки аккумуляторов, каким током заряжать

  li-ion аккумуляторы имеют свои срок службы и рассчитаны на определенное количество циклов заряда-разряда.

Они способны  выдержать около 1000 циклов зарядки, после чего становятся непригодными для дальнейшего использования.

Поэтому, если вы хотите, чтобы ресурс на батарее сохранялся как можно дольше, рекомендуем вам следовать нескольким несложным правилам:

  1. Всегда ставьте аккумулятор на зарядку, когда емкость батарей составляет 10-20% от заряда. Никогда не ждите полной разрядки.
  2. Не спешите снимать полностью заряженный гаджет с зарядки. Оставьте его еще на 20-30 минут. За это время происходит зарядка малым током.
  3. Всегда используйте только оригинальное зарядное устройство
  4. Соблюдайте температурный режим. Заряжать аккумулятор нужно в помещении, при температуре выше +10 градусов.

При первой зарядке важно убедиться, что процесс происходит правильно. Сделать это совсем не сложно. Просто регулярно проверяйте температуру  устройства, АКБ, всех разъемов и проводов. Сильного нагревания элементов быть не должно, иначе это будет говорить о неисправности.

Как правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор?

Какая бы батарея не была установлена в смартфон, без надлежащего ухода она быстро начнет изнашиваться и терять емкость. Оберегайте телефон от перегрева и переохлаждения. Высокие температуры способны вызвать возгорание. Что касается низких температур, то на морозе в аккумуляторе снижается отдача тока из-за замедления химических реакций электролитов. Именно поэтому мобильные устройства часто выключаются на сильном холоде — такая своеобразная самозащита.

Чтобы продлить жизнь литий-полимерного аккумулятора, заряжайте его правильно и следуйте базовым советам и рекомендациям. Помните, что многие АКБ чувствительны к перепадам температур и полным разрядам.

В современных батареях установлен специальных контроллер, который защищает смартфон от перезаряда и переразряда. Он не позволяет продолжать питать устройство электроэнергией после достижения 100% восстановленной емкости, даже если кабель зарядного устройства подключен к сети. При полном отключении телефона из-за истощения батареи в аккумуляторе всегда сохраняется немного мощности, так как контроллер отключает устройство заранее. Однако телефон после этого необходимо как можно скорее зарядить.

Как правильно заряжать литий-полимерный аккумулятор?

В идеале, нельзя допускать полной разрядки устройства. Некоторые эксперты рекомендуют не заряжать гаджет выше 90% и не разряжать ниже 10% — это может продлить срок службы батареи. Исключение — профилактическая калибровка раз в полгода. Для этого необходимо полностью разрядить смартфон, а затем зарядить батарею на 100%.

При покупке нового смартфона важно следовать простым правилам первой зарядки.

«С» значит Capacity

Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет , надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Схема простого зарядного устройства на LM317

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Рис. 5.

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx. Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax. Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Схема простого зарядного устройства на LTC4054

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Рис. 6.

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Рис. 7. У этого мелкого 5-ногого чипа маркировка «LTH7» или «LTADY»

«С» значит Capacity
«С» значит Capacity

Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности. Ток заряда до 800 мА. Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт. Индикация заряда. Защита от КЗ на выходе. Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°). Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

«С» значит Capacity

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

Читайте также:  4G и 5G: Ключевые различия между двумя поколениями сотовых сетей

I=1000/R, где I — ток заряда в Амперах, R — сопротивление резистора в Омах.

Сравнительная таблица Li-ion и Li-Pol батарей

Чтобы выяснить с учетом индивидуальных приоритетов, что лучше, Li-polymer или литий-ионная АКБ, нужно сопоставить их характеристики. Это легко сделать с помощью сравнительной таблицы:

Характеристика У Li-ion батарей У Li-Pol батарей
Количество циклов Больше Меньше
Выбор типоразмеров Узкий, есть модели в форме цилиндра и призмы, самый популярный цилиндрический размер – 18650. Широкий, без стандартных рамок формата элементов питания, возможно создание элементов толщиной от 1 мм.
Вес Немного больше Легкий – за счет применения гелеобразного электролита и сокращения элементов из металла.
Емкость при идентичных размерах Ниже Выше, почти вдвое.
Плотность энергии на единицу массы От 100 до 190 Втч/кг, в зависимости от материала катода. От 130 до 200 Втч/кг.
Эксплуатационный ресурс Приблизительно одинаковый: у литий-ионных – от 500 до 2000 циклов заряд-разряд, в зависимости от материала катода, у литий-полимерных – 800 – 1000 циклов.
Риск взрыва или возгорания Присутствует, но использование платы защиты исключает такой риск. Минимизирована – благодаря невозможности утечки электролита и использованию интегрированной защиты от избыточного заряда.
Допустимые температуры От -20 до +60 °С, оптимально – от 0 до +30 °С.
Длительность подзарядки Больше Меньше
Напряжение (номинал) 3,6 В 3,7 В
Граничное напряжение разряда 2,8 В 3 В
Оптимальный и пиковый ток нагрузки <1С и ˃2С, где С – значение емкости.
Особенности заряда Током величиной 0,1…1С до достижения 4,1…4,2 В, а затем при неменяющемся напряжении.
Степень износа (естественное старение) Порядка 0,1% в месяц. Ниже, 20% за 2 года.
Скачки напряжения при разряде Малые
Ценовая категория Ниже Выше

По этой таблице легко сопоставить, чем лучше литий-ионные аккумуляторы, и по каким параметрам они уступают литий-полимерным аналогам.

Дополнительная информация о литиевых батарейках

Данные элементы питания являются наиболее эффективными и способны выдерживать большие нагрузки. Пользователи выделяют ряд плюсов: повышенный энергетический объем, стабильно держит напряжение, высокая емкость. Как и другие элементы питания литиевые батарейки имеют в своем строении анод, катод, сепаратор и диафрагму. Два последних элемента служат диэлектриком. В данном источнике энергии использована специальная пропитка для диафрагмы.

Основное отличие от солевых и щелочных элементов питания заключается в долгом сроке службы. Этого удалось достичь за счет применения особой технологии которая позволяет избавить Li-ion накопители энергии от зависимости нагрузочного тока. У них этого нет. В связи с этим хранить их можно до 12 лет. Не смотря на всю сложность процесса изготовления, производители научились выпускать разные типы литиевых батареек. Такие элементы питания спокойно переносят перепады температуры и способны долгое время работать при долгих и постоянных нагрузках.

Электролит используемый в литиевых батарейках

  1. тионилхлорид.
  2. диоксид марганца;
  3. полифторуглеродные соединения;
  4. серный диоксид;
  5. йод;
  6. оксид меди;
  7. дисульфид железа;
Дополнительная информация о литиевых батарейках

Номинальное напряжение такой батареи равно 3.7 вольт. Из лития получаются элементы малой массы и очень тонкие. По сути это мягкий и пластичный металл.

Изготавливать данные источники тока стали в начале 70-х годов. Изначально опыты с этими батареями не удавались и все оканчивалось взрывом. Но через некоторое время все недочеты удалось устранить. Несмотря на это пользоваться литиевыми батарейками нужно соблюдая инструкцию по эксплуатации.

Чтобы создать из лития безопасный источник питания пришлось совместить его с твердо органическими электролитами. В результате этого вышел более мощный и миниатюрный аккумуляторный элемент. 2 батареи из лития на 3 вольта могут запросто стать заменой 4-5 щелочным.