Бүгінгі күні ұялы, тұрмыстық техника, құралдар үшін арнайы батареялар қолданылады. Олар өнімділік сипаттамалары бойынша ерекшеленеді. Батарея ұзақ уақыт бойы ақауларсыз жұмыс істеуі үшін ұсынылған өнімдерді өндірушілердің талаптарын ескеру қажет.
Бүгінгі таңда ең танымал түрлерінің бірі - литий-ионды батареялар. Батареяның осы түрін қалай дұрыс зарядтау керек, сондай-ақ оның жұмыс істеу ерекшеліктері құрылғыны іске қоспас бұрын егжей-тегжейлі қарастырылуы керек.
Жалпы сипаттамасы
Бүгінгі күні ең көп таралған батарея түрлерінің бірі - Li-Ion түрі. Мұндай құрылғылардың құны салыстырмалы түрде төмен. Сонымен қатар, олар жұмыс жағдайларына талап етілмейді. Бұл жағдайда пайдаланушыда цилиндрлік Li-Ion 18650 аккумуляторын немесе басқа түрді қалай дұрыс зарядтау туралы сұрақ сирек кездеседі.
Көбінесе ұсынылған батареялар смартфондарға, ноутбуктерге, планшеттерге және басқа ұқсас құрылғыларға орнатылады. Ұсынылған батареялар беріктігі мен сенімділігімен ерекшеленеді. Олар толық босатудан қорықпайды.
Ұсынылған өнімдердің басты ерекшеліктерінің бірі - «есте сақтау әсерінің» болмауы. Бұл батареяларды кез келген ыңғайлы уақытта зарядтауға болады. «Жад әсері» батареяның заряды толығымен таусылмаса пайда болады. Егер зарядтың аз мөлшері қалса, батареяның сыйымдылығы уақыт өте келе азая бастайды. Бұл жабдықты электрмен жабдықтаудың жеткіліксіздігіне әкеледі. Литий-ионды батареяларда «жад эффектісі» барынша азайтылады.
Дизайн
Литий-ионды аккумулятордың дизайны ол арналған құрылғы түріне байланысты. Ұялы телефон «құмыра» деп аталатын батареяны пайдаланады. Оның төртбұрышты пішіні бар және бір құрылымдық элементті қамтиды. Оның номиналды кернеуі 3,7 В.
Ноутбукке арналған аккумулятордың ұсынылған түрі мүлдем басқа дизайнға ие. Оның ішінде бірнеше жеке батарея ұяшықтары болуы мүмкін (2-12 дана). Олардың әрқайсысы цилиндрлік пішінге ие. Бұл Li-Ion 18650 батареялары.Жабдықты өндіруші оларды қалай дұрыс зарядтау керектігін егжей-тегжейлі көрсетеді. Бұл дизайн арнайы контроллерді қамтиды. Ол микросұлбаға ұқсайды. Контроллер зарядтау процедурасын бақылайды және батареяның номиналды сыйымдылығынан асып кетуге жол бермейді.
Планшеттер мен смартфондарға арналған заманауи батареялар зарядты басқару функциясын да қамтамасыз етеді. Бұл батареяның қызмет ету мерзімін айтарлықтай ұзартады. Ол әртүрлі жағымсыз факторлардан қорғалған.
Зарядтау мүмкіндіктері
Телефонның, ноутбуктің және басқа жабдықтың литий-ионды батареяларын қалай дұрыс зарядтау керектігін қарастырғанда, ұсынылған құрылғының жұмыс мүмкіндіктеріне назар аудару керек. Айта кету керек, литий-иондық батареялар терең разрядқа және шамадан тыс зарядтауға жол бермейді. Бұл дизайнға (контроллер) қосылған арнайы құрылғы арқылы басқарылады.
Ұсынылған батарея түрінің зарядын толық сыйымдылықтың 20-дан 80%-ға дейінгі деңгейінде ұстау өте қолайлы. Контроллер мұны бақылайды. Дегенмен, сарапшылар құрылғыны үнемі зарядтауға қосулы қалдыруды ұсынбайды. Бұл батареяның қызмет ету мерзімін айтарлықтай қысқартады. Бұл жағдайда контроллер тұрақты жүктемеге ұшырайды. Уақыт өте келе оның функционалдығы осыған байланысты төмендеуі мүмкін.
Сонымен қатар, контроллер терең разрядқа жол бермейді. Ол белгілі бір сәтте батареяны өшіреді. Бұл қорғаныс функциясы өте қажет. Әйтпесе, пайдаланушы кездейсоқ батареяны шамадан тыс зарядтауы немесе шамадан тыс зарядсыздандыруы мүмкін. Заманауи батареялар да қызып кетуден жоғары сапалы қорғауды қамтамасыз етеді.
Батареяның жұмыс принципі
Li-Ion батареясын (жаңа немесе пайдаланылған) қалай дұрыс зарядтау керектігін түсіну үшін оның жұмыс принципін ескеру қажет. Бұл құрылғының разряды мен зарядының деңгейін бақылау қажеттілігін бағалауға мүмкіндік береді.
Осы типтегі аккумулятордағы литий иондары бір электродтан екіншісіне ауысады. Бұл жағдайда электр тогы пайда болады. Электродтар әртүрлі материалдардан жасалуы мүмкін. Бұл көрсеткіш құрылғының өнімділік сипаттамаларына аз әсер етеді.
Литий иондары электродтардың кристалдық торында өседі. Соңғысы, өз кезегінде, олардың көлемі мен құрамын өзгертеді. Батарея зарядталған немесе зарядсызданған кезде электродтардың бірінде иондар көбірек болады. Литий орналастыратын металл құрылымдық элементтерге жүктеме неғұрлым жоғары болса, құрылғының қызмет ету мерзімі соғұрлым қысқа болады. Сондықтан иондардың жоғары пайызының бір немесе басқа электродқа шөгуіне жол бермеген дұрыс.
Зарядтау опциялары
Аккумуляторды пайдаланбас бұрын смартфонның, планшеттің және басқа жабдықтың литий-ионды аккумуляторын қалай дұрыс зарядтау керектігін қарастыру керек. Мұны істеудің бірнеше жолы бар.
Ең дұрыс шешімдердің бірі - зарядтағышты пайдалану. Оны әр өндіруші электронды жабдықпен толық қамтамасыз етеді.
Екінші нұсқа - батареяны тұрмыстық желіге қосылған жұмыс үстелі компьютерінен зарядтау. Ол үшін USB кабелі пайдаланылады. Бұл жағдайда зарядтау процедурасы бірінші әдісті пайдаланғанға қарағанда ұзағырақ болады.
Бұл процедураны көлігіңіздегі темекі тұтандырғышын пайдаланып орындауға болады. Тағы бір танымал әдіс - әмбебап құрылғыны пайдаланып литий-ионды аккумуляторды зарядтау. Оны «бақа» деп те атайды. Көбінесе мұндай құрылғылар смартфонның батареяларын зарядтау үшін қолданылады. Бұл құрылғының контактілерін ені бойынша реттеуге болады.
Жаңа батареяны зарядтау
Жаңа батарея дұрыс іске қосылуы керек. Ол үшін телефонның, планшеттің немесе басқа жабдықтың заряды толығымен бітуі керек. Құрылғы өшірілгенде ғана оны желіге қосуға болады. Контроллер батареяның тым көп таусылуына жол бермейді. Ол батарея сыйымдылығы алдын ала белгіленген деңгейге дейін жоғалтқан кезде құрылғыны өшіреді.
Әрі қарай, стандартты зарядтағышты пайдаланып электр жабдығын желіге қосу керек. Процедура индикатор жасыл жанғанша орындалады. Құрылғыны желіде тағы бірнеше сағатқа қалдыра аласыз. Бұл процедура бірнеше рет орындалады. Телефонды, планшетті немесе ноутбукты арнайы зарядсыздандырудың қажеті жоқ.
Қалыпты зарядтау
Li-Ion батареяларын қалай дұрыс зарядтау керектігін білу батареяның қызмет ету мерзімін айтарлықтай ұзартуы мүмкін. Сарапшылар жаңа батарея үшін осы процестің дұрыс процедурасын орындауды ұсынады. Осыдан кейін батареяны толығымен зарядсыздандыру ұсынылмайды. Көрсеткіш батарея сыйымдылығы тек 14-15% зарядталғанын көрсеткенде, оны желіге қосу керек.
Сонымен қатар, аккумулятордың сыйымдылығын толтыру үшін стандартты құрылғылардан басқа құрылғыларды пайдалану ұсынылмайды. Оның нақты батарея үлгісі үшін рұқсат етілген максималды рұқсат етілген ток көрсеткіштері бар. Басқа опцияларды өте қажет болған жағдайда ғана пайдалану керек.
Калибрлеу
Li-Ion аккумуляторларын қалай дұрыс зарядтау туралы мәселені зерттеу кезінде білу керек тағы бір нюанс бар. Сарапшылар бұл құрылғыны мезгіл-мезгіл калибрлеуді ұсынады. Ол үш айда бір рет өткізіледі.
Біріншіден, қалыпты режимде электр жабдығын өшірмес бұрын оны зарядсыздандыру керек. Содан кейін ол желіге қосылады. Зарядтау индикатор жасыл түске айналғанша жалғасады (батарея 100% зарядталған). Контроллердің дұрыс жұмыс істеуі үшін бұл процедураны орындау керек.
Мұндай процедураны орындау кезінде батареяның схемалық тақтасы зарядтау және зарядсыздандыру шектерін анықтайды. Бұл контроллердің қалыпты жұмысын қамтамасыз ету және ақауларды болдырмау үшін қажет. Бұл жағдайда өндіруші телефонмен, планшетпен немесе ноутбукпен бірге жеткізілетін стандартты зарядтағыш пайдаланылады.
Сақтау
Батарея мүмкіндігінше ұзақ және тиімді жұмыс істеуі үшін сіз Li-Ion аккумуляторын сақтау үшін қалай дұрыс зарядтау туралы мәселені қарастыруыңыз керек. Кейбір жағдайларда жабдықты қуаттандыруға арналған құрылғы уақытша пайдаланылмаған кезде жағдай туындауы мүмкін. Бұл жағдайда оны сақтауға дұрыс дайындау керек.
Батарея 50%-ға дейін зарядталған. Бұл күйде оны ұзақ уақыт сақтауға болады. Дегенмен, қоршаған орта температурасы шамамен 15 ºC болуы керек. Ол жоғарыласа, батареяның сыйымдылығын жоғалту жылдамдығы артады.
Батареяны жеткілікті ұзақ уақыт сақтау қажет болса, оны толық зарядсыздандыру және айына бір рет зарядтау қажет. Батарея белгіленген сыйымдылығының 100% жетеді. Содан кейін құрылғы қайтадан зарядсызданып, 50% дейін зарядталады. Бұл процедура үнемі орындалса, батареяны өте ұзақ уақыт сақтауға болады. Осыдан кейін ол толығымен пайдалануға жарамды болады.
Li-Ion батареяларын қалай дұрыс зарядтау керектігін қарастыра отырып, сіз батареяның осы түрінің қызмет ету мерзімін айтарлықтай ұзартуға болады.
Мен қымбат өлшеу құралдарын сатып алмай-ақ аккумулятордың сыйымдылығын өлшеудің ең оңай жолы туралы идеяммен бөлісемін. Сынақ үлгісі 18650 литий-ионды батарея болды, бірақ менің сыйымдылықты өлшеу әдісім басқа батареялар үшін де жұмыс істейді.
Мақаланың бірінші бөлігі бюджеттік опцияны сипаттайды.
Екіншісінде - (мультиметр және USB тестері жоқ).
Мақаланың соңында кішігірім.
Ли-ионды батареялар.
Қазіргі заманғы электронды құрылғылар әртүрлі пішіндегі және өлшемдегі литий-ионды (Li-Ion) батареяларды кеңінен пайдаланады.
Стандартты өлшемдерге қарамастан, олардың барлығы ұқсас сипаттамаларға ие және тұтастай алғанда тек сыйымдылығы бойынша ерекшеленеді.
Әдетте, номиналды кернеуі 3,7 вольт болатын батареялар бар (бірақ 3,8 вольт бар).
3,7 В литий-ионды батареяларды 4,23 В кернеуден жоғары зарядтау және 2,5 В төмен зарядтау мүмкін емес, әйтпесе қайтымсыз процесс орын алып, ұяшықты тек қоқысқа тастау керек болады. Кернеу 2,5-тен 4,23 В-қа дейінгі диапазонда болған жағдайда, батареяны кез келген мәнге дейін зарядсыздандыруға және зарядтауға болады (оның жад әсері жоқ). Дегенмен, толық зарядталған батареяны мүмкіндігінше тезірек зарядтау керек. ол өзінің қабілетін мерзімінен бұрын жоғалтпайды.
Сондай-ақ, литий-ионды батареялар бір-бірінен қорғаныстың болуымен ерекшеленеді. Батареяда электрондық қорғаныс болмауы мүмкін (тек гальваникалық элемент) немесе ұяшықты шамадан тыс зарядсызданудан, шамадан тыс зарядтаудан және қызып кетуден қорғайтын кіріктірілген схема болуы мүмкін.
Бірақ батареяның күйін қалай қорғап, бақылап отырсаңыз да, оның сыйымдылығы уақыт өте келе азаяды. Жұмыс температурасы неғұрлым жоғары болса және соғұрлым көп зарядтау-разряд циклдері орындалса, батарея соғұрлым тезірек ескіреді.
18650 литий-ионды батарея.
Ноутбук батареясынан 18650 батарея18650 - өлшемдері кәдімгі AA батареясынан (18x65 мм) сәл үлкенірек болатын ең көп таралған Li-Ion батареясының белгісі. 18650 батареясына қатысты барлық нәрсе басқа литий-ионды батареяларға да қатысты!
18650 батарея өлшемі жиі қуатты шамдарда, лазерлерде және әртүрлі электроникада қолданылады. Ноутбуктерге, кейбір бұрағыштарға, тіпті электр көліктеріне арналған батареялар 18650 ұяшықтан құрастырылған.
Егер сіз брендтік аккумуляторды сатып алсаңыз, оның кірістірілген электрондық қорғанысы болуы мүмкін. Мысалы, Aliexpress-тен тапсырыс берілген арзан қытай батареяларында қорғаныс жоқ. Сонымен қатар, олардың қуаты әдетте жарияланғаннан бірнеше есе төмен.
18650 батареяның сыйымдылығын өлшеу.
Литий-ионды батареялардың сыйымдылығы әдетте миллиамп-сағатпен (мАч) көрсетіледі. 18650 ұяшығыңызда «1800» немесе «2200» сияқты жазу болса, бұл оның жарияланған сыйымдылығы. Сыйымдылықты ватт сағаттарында өлшеу дұрысырақ, бірақ элементтерді белгілеу кезінде тек миллиамп сағаттары көрсетіледі.
Батарея сыйымдылығын, зарядтауды және басқа зерттеулерді өлшеу үшін кең баға диапазонында көптеген арнайы құрылғылар бар. Олардың ең танымалы IMAX шамамен 2000 рубльді құрайды. Мұндай сатып алу күн сайын әр түрлі батареяларды зарядтаған жағдайда ғана ақталады.
Литий-иондық аккумулятордың сыйымдылығын өлшеуге арналған бюджеттік опция.
Мұның бәрі не туралы болды? Ноутбуктің батареясы өте тез біте бастады. Әдетте, аккумулятор 6 18650 ұяшықтан тұрады.Тіпті бір ұяшық істен шықса, ол жалпы батареяның өнімділігіне әсер етеді. Сондықтан мен оны жаңасына ауыстыру үшін элементтердің қайсысының сыйымдылығы төмендегенін анықтауды шештім. Ноутбуктің аккумуляторындағы ұяшықтар, сондай-ақ бюджеттік 18650 батареяларының көпшілігінде жеке қорғаныс жоқ, сондықтан олармен жұмыс істегенде оларды шамадан тыс зарядтауға немесе шамадан тыс зарядтауға болмайды.
Жұмыс тәртібі
- Сыйымдылықты өлшемес бұрын сыналатын 18650 элементін басқа тізбек элементтерінен ажыратып, толық зарядтау керек (4,23 В дейін). Мен қытайлық арзан зарядтағыштарды қарап шықтым және шолуларға сүйене отырып, олардың сапасыздығынан көптеген адамдар батареяларын бүлдіріп қойғанын түсіндім. Өз мақсаттарым үшін мен ең арзан Powerbank сатып алдым. Бұл 1 немесе бірнеше 18650 аккумуляторға арналған электронды түрлендіргіші бар қорап, оның мақсатына қосымша аккумуляторды 4,23 В кернеуге дейін зарядтауға және 2,5 В-қа дейін разрядтауға мүмкіндік береді.
Зарядтау үшін батареяны Powerbank ішіне салып, оны кәдімгі ұялы телефон зарядтағышына жалғаңыз. - Батарея толығымен зарядталғанда, Powerbank телефонын зарядтағыштан ажыратыңыз.
Батарея сыйымдылықты өлшеуге дайын. Қазір бізге сол Aliexpress-те сатып алынғандар керек USB сынақ құралы(220 рубль) және жүктеме резисторы(50 рубль).
Жай USB сынақ құралын бір жағынан Powerbank жүйесіне, ал екіншісін жүктеме резисторына қосыңыз. Сатып алу кезінде абай болыңыз, USB тестерлерінің әртүрлі түрлері бар. Кейбір USB тестерлері тек ток пен кернеуді көрсетеді, бірақ бізге олардан басқа өлшейтін біреуі керек сыйымдылығы!
Мақаланың соңында бірнеше фотосуреттер және USB тестері туралы қысқаша шолу
Батареяның сыйымдылығын өлшеу құралдарынсыз өлшеу.
Li-ion 18650 аккумуляторының сыйымдылығын өлшейтін, қолдан жасалған USB сынақ құралының схемасы Мен жоғарыда сипатталған әдіс арқылы аккумулятордың сыйымдылығын білгім келді, бірақ 2 айдан кейін Қытайдан келген USB тестері ақаулы болып шықты, сондықтан сыйымдылықты өлшеу құралдарынсыз өлшеуді шештім.
Бақытымызға орай, менде Powerbank болды. Оның дизайны бір жағынан аккумулятордың рұқсат етілген кернеуден төмен зарядсыздануына жол бермейді, ал екінші жағынан шығысында тұрақты 5 вольтты сақтайды. 5 Ом резисторды 5 вольт шығысына қоссақ, 1 ампер разряд тогын аламыз. Және бұл мән теориялық тұрғыдан бүкіл разряд уақытында сақталуы керек. Ток (1 А) және кернеу (5 В) белгілі, уақытты ескеру ғана қалады. Қолыңызда таймермен бір сағат отырмау үшін қарапайым тұрмыстық электромеханикалық оятқышты (сағат) бес Ом резистормен қатар Powerbank шығысына қосу керек. Бірақ сағат 1,5 вольтты (AA батареясының кернеуі) қажет етеді және бізде 5-ке жетеді. Сондықтан сағатты екі резистордан тұратын кернеу бөлгіші арқылы қосамыз - 470 және 1070 Ом. Егер сізде мультиметр болса, осы резисторлардың орнына 470 Ом - 1,5 кОм айнымалы резисторды қолдануға болады, сағаттық кірісті 1,5-1,8 Вольтқа орнатады.
Сонымен, мен қолдарды сағат 12:00-ге қойып, балласты сағатпен Powerbank-ке қосамын. Біраз уақыттан кейін батарея 2,5 вольтқа дейін зарядсызданады. Қуат банкі өшеді, сағат тоқтап, қолдар уақытты жазады. Менің жағдайда босату уақыты 50 минут болды (50 мин/60 = 0,83 сағат).
Енді батареяның сыйымдылығын есептейік.
Егер біз Powerbank сыйымдылығын тәуелсіз құрылғы ретінде есептегіміз келсе, біз жай ғана ток пен уақытты көбейтеміз: 1A*0,83h=0,83 Ah немесе 830 миллиампер-сағат.
Бірақ біз білуіміз керек батарея сыйымдылығы 18650, сондықтан нәтижені Powerbank кернеуінің (U.pwb) 18650 ұяшығының номиналды кернеуіне (U.b) қатынасына көбейту керек. Сонымен қатар, дәлірек нәтиже алу үшін біз бәрін Powerbank түрлендіргішінің тиімділігіне бөлеміз, бұл шамамен 0,95.
Жоғарыда айтылғандарды ескере отырып, финал батарея сыйымдылығын есептеу формуласынысанда болады:
I * t * U.pwb / U.батарея / тиімділік = 1A * 0,83 сағ * 5 В / 3,7 В / 0,95 = 1,18 Ah (1180 миллиампер-сағат)
Бақылаулар мен түзетулер.
Тәжірибе барысында сағаттың жұмысына кедергі келтіретін пульсациялардың пайда болуы анықталды. Сондықтан конденсаторды олардың кірісіне параллель (аккумулятордың орнына) дәнекерлеу керек болды. Схема тұрақты жұмыс істейтін сыйымдылық 100 микрофарад (көбірек мүмкін), конденсатор кернеуі кез келген, бірақ 5 вольттан кем емес.
Разряд кезінде 5 Ом балласттық резистор 100 градустан жоғары қызады, сондықтан оны ұстамаңыз. Бұл резистор Powerbank корпусына немесе конденсаторға тиіп кетпеуі үшін тізбекті дәнекерлеңіз, әйтпесе олар еріп кетеді.
Егер сіз разрядтың тезірек өтуін қаласаңыз, параллель дәнекерленген 2 5 Ом резисторларды пайдаланыңыз, бұл жағдайда ток екі есе артады және разряд уақыты екі есе азаяды. Бейне жеделдетілген режимде сатылы қозғалтқышы бар сағаттың жұмысын көрсетеді, ол да қытайлық болып шықты және жатқан кезде мезгіл-мезгіл кептеледі. Әрі қарай эксперименттер үшін мен кеңестік сағатты маятник механизмімен қостым, ол мүлдем тұрақты жұмыс істейді.
Ыңғайлы болу үшін сіз өзіңіздің схемаңызға сәйкес теруді бөлу бағасын есептей аласыз және шкаланы американдық сағаттармен белгілеңізжәне/немесе ватт сағаттарында. Бұл жағдайда сағат әрқашан дайын нәтижеге ие болады және қосымша есептеулер ешқашан қажет болмайды.
USB сынақ құралына қысқаша шолу
Сонымен, Aliexpress веб-сайты арқылы Қытайда сатып алынған USB тестері туралы қысқаша шолу - біз сәтсіздікке ұшырағанға дейін түсіріп алғанның бәрі.
Алып, орағаннан кейін мен сынаушының өнімділігін тексеруді шештім. Ол үшін мен оны зарядтағыш пен смартфонның арасына қостым. Құрылғы кернеуді, токты, ток тұтынуды, жұмыс уақытын және тұтынылатын энергияны (Вт-сағат) көрсететінін көруге болады. Батареяның сыйымдылығын өлшеу үшін USB тестерін аккумулятор мен жүктеме резисторы арасына жалғаңыз, батареяның заряды толығымен таусылғаннан кейін USB тестері өшеді және өлшенген сыйымдылық оның жадында сақталады. Дегенмен, мәселе теориядан арыға бармады, өйткені сынаушы ақаулы болып шықты. 1 амперге сәйкес келетін 5 Ом жүктемені қосқан кезде құрылғы токты және өлшенетін басқа параметрлерді көрсетуді тоқтатты, бірақ жарияланған рұқсат етілген жүктеме тогы 3 Ампер. Бейнероликтің соңында ноутбукке USB тестері арқылы қосылған тінтуірдің жұмысы көрсетілген. Мұнда сынаушы әлдеқашан ақаулы күйде. Бұрын ол өлшеген тінтуірдің ток күші демалыс және белсенді күйлер үшін сәйкесінше 10-нан 30 миллиамперге дейін болды, бірақ қазір ток көрсетілмейді.
USB тестері бөлшектелген: 
Литий батареялары немесе аккумуляторлар туралы айтқанда, олар көбінесе соңғы екі жылда олардың он шақтысы пайда болғанын түсінбейді, олардың әрқайсысы басқа химиялық элементтердің әртүрлі қоспалары бар литий болып табылады, олар сайып келгенде олардан айтарлықтай ерекшеленеді. бір-бірін.
Олардың түрлерін қарастырып, классикадан бастайық:
Литий-ионды аккумуляторлар классикалық қайта зарядталатын батареялар болып табылады, онда литий иондары зарядсыздану кезінде теріс электродтан оң электродқа ауысады және зарядтау кезінде қайтадан қайтады. Литий-ионды батареялар тұрмыстық электроникада кеңінен қолданылады. Олар портативті электроникаға арналған қайта зарядталатын батареялардың ең танымал түрлерінің бірі болып табылады, ең жақсы энергия тығыздығы, жад әсері жоқ және пайдаланбаған кезде зарядтың баяу жоғалуы (төмен өздігінен разряд).
Бұл серия цилиндрлік және призмалық батарея өлшемдерін қамтиды. Ли-ион кез келген ескі типтегі батареялардың ең жоғары қуат тығыздығына ие. Өте жеңіл салмақ және ұзақ қызмет ету циклі оны көптеген шешімдер үшін тамаша өнім етеді.
Литий титанаты (литий титанаты) - литий-ионды батареялардың салыстырмалы түрде жаңа класы - (толығырақ). Ол мыңдаған циклдармен өлшенетін өте ұзақ өмірлік циклмен сипатталады. Литий қорғасын титанаты да өте қауіпсіз және темір фосфатымен салыстыруға болады. Энергия тығыздығы басқа литий-ионды қуат көздеріне қарағанда төмен және оның номиналды кернеуі 2,4 В.
Бұл технология өте жылдам зарядтауды, төмен ішкі қарсылықты, өте жоғары өмірлік циклді және тамаша төзімділікті (сонымен қатар қауіпсіздік) сипаттайды. LTO өз қолдануын негізінен электр көліктері мен қол сағаттарында тапты. Жақында ол жоғары қауіпсіздіктің арқасында мобильді медициналық құрылғыларда қосымшаны таба бастады. Технологияның бір ерекшелігі – көміртегінің орнына анодта нанокристалдар қолданылады, бұл әлдеқайда тиімді беттік ауданды қамтамасыз етеді. Өкінішке орай, бұл батареяның кернеуі басқа литий батареяларына қарағанда төмен.
Ерекшеліктер:
- Меншікті энергия: шамамен 30-110 Вт/кг
- Энергия тығыздығы: 177 Вт * сағ/л
- Меншікті қуат: 3000-5100 Вт/кг
- Шығару тиімділігі: шамамен 85%; зарядтау тиімділігі 95% жоғары
- Энергия бағасы: 0,5 Вт/доллар
- Жарамдылық мерзімі: >10 жыл
- Өздігінен разряд: айына 2-5%
- Төзімділік: 6000 циклден 90% сыйымдылыққа дейін
- Номиналды кернеу: 1,9 - 2,4 В
- Температура: -40 және +55°C
- Зарядтау әдісі: Тұрақты тұрақты токты, содан кейін шекті мәнге жеткенше тұрақты кернеуді пайдаланады.
Химиялық формуласы: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2< >Li7Ti5O12 + 6Li0,5CoO2(E=2,1 В)
Литий полимерінің салмағы бойынша литий-иондық батареяларға қарағанда энергия тығыздығы жоғары. Өте жұқа жасушаларда (5 мм-ге дейін) литий полимер жоғары көлемдік энергия тығыздығын қамтамасыз етеді. Артық кернеуде және жоғары температурада тамаша тұрақтылық.
Батареялардың бұл сериясын 30-дан 23000 мАч-қа дейінгі диапазонда, призматикалық және цилиндрлік корпус түрлерінде шығаруға болады. Литий-полимерлі батареялар бірқатар артықшылықтарды ұсынады: көлемі бойынша үлкен энергия тығыздығы, ұяшық өлшемдеріндегі икемділік және жоғары температурада да тамаша кернеу тұрақтылығымен кеңірек қауіпсіздік шегі. Қолданудың негізгі бағыттары: портативті ойнатқыштар, Bluetooth, сымсыз құрылғылар, PDA және сандық камералар, электрлік велосипедтер, GPS навигаторлары, ноутбуктер, электронды оқу құралдары.
Ерекшеліктер:
- Номиналды кернеу: 3,7 В
- Зарядтау кернеуі: 4,2±0,05В
- Зарядтау тогы, жылдамдығы: 0,2-10С
- Разряд кернеуінің шегі: 2,5 В
- Шығару жылдамдығы: 50С дейін
- Циклға төзімділік: 400 цикл
Литий темір фосфаты жақсы қауіпсіздік сипаттамаларына, ұзақ қызмет ету мерзіміне (2000 циклге дейін) және өндірістің төмен құнына ие. LiFePO4 батареялары әскери техника, электр құралдары, электрлік велосипедтер, мобильді компьютерлер, UPS және күн энергиясы жүйелері сияқты жоғары разрядтық ток қолданбалары үшін өте қолайлы.
Литий-ионды батареяларға арналған жаңа анодтық материал ретінде lifepo4 алғаш рет 1997 жылы енгізілді және бүгінгі күнге дейін үздіксіз жетілдірілуде. Ол сенімді қауіпсіздігі, ұзақ мерзімділігі, кәдеге жарату кезінде қоршаған ортаға әсерінің төмендігі, ыңғайлы зарядтау және разрядтау сипаттамалары арқасында мамандардың назарын аударды. Көптеген сарапшылар lifepo4 батареялары электрониканы автономды түрде қуаттандыру үшін ең жақсы нұсқа болып табылады деп мәлімдейді.
Литий күкірт диоксиді (Li және SO2 батареясы) - бұл батареялар жоғары энергия тығыздығына және жоғары қуатты разрядқа жақсы қарсылыққа ие. Мұндай элементтер негізінен әскери ғылымда, метеорологияда және астронавтикада қолданылады.
Литий металды анодты (барлық металдардың ішіндегі ең жеңілі) және күкірт диоксидімен (SO2) толтырылған кеуекті көміртекті ток жинағышы бар сұйық катодты литий күкіртті диоксидті аккумуляторлар 2,9 В кернеу береді және пішіні цилиндр тәрізді.
Ерекшеліктер:
- Жоғары жұмыс кернеуі, разрядтың көп бөлігінде тұрақты
- Өте төмен өздігінен разряд
- Экстремалды жағдайларда өнімділік
- Жұмыс температурасының кең диапазоны (-55°C-тан +65°C)
Литий-марганец диоксиді (Li-MnO2 батареясы) - бұл аккумуляторларда коррозияға ұшырамайтын, улы емес органикалық электролитке батырылған жеңіл литий металл аноды және қатты марганец диоксиді катоды бар. Аккумулятордың бұл түрі ЕО RoHS талаптарына сәйкес келеді және үлкен сыйымдылығымен, жоғары зарядсыздану қабілетімен және ұзақ қызмет ету мерзімімен сипатталады.
Li-MnO2 резервтік қуат көздерінде, авариялық маяктарда, өрт дабылында, қол жеткізуді басқарудың электронды жүйелерінде, сандық камераларда, медициналық жабдықтарда кеңінен қолданылады.
Ерекшеліктер:
- Жоғары энергия тығыздығы
- Өте тұрақты разряд кернеуі
- Сақтау мерзімі 10 жылдан астам
- Жұмыс температурасы: -40 - +60°C
Литий тионилхлориді (литий-SOCl2) батареяларында тионилхлоридпен (SOCl2) толтырылған кеуекті көміртекті ток жинағышы бар жеңіл литий металды анод және сұйық катод бар. Li-SOCL2 батареялары автомобиль құрылғылары, медициналық құрылғылар, әскери және аэроғарыштық қолданбалар үшін өте қолайлы. Олар -60-тан + 150 ° C-қа дейінгі ең кең жұмыс температурасына ие.
Ерекшеліктер:
- Жоғары энергия тығыздығы
- Ұзақ жарамдылық мерзімі
- Кең температура диапазоны
- Жақсы тығыздау
- Тұрақты разряд кернеуі
Li-FeS2 батареялары
Li-FeS2 батареялары мен батареялары литий темір дисульфидін білдіреді. Олар туралы ақпарат кейінірек қосылады.
Қазіргі қоғамда ерекшеліктер туралы қарама-қарсы пікірлерді жиі естуге болады.Бұл жағдай портативті электроника мен технология саласындағы инновациялардың дамуы өте импульсивті болғандықтан және қоғамның жақсартуларға тез жауап беруге әрдайым уақыты бола бермейтіндіктен туындады.
Осыған байланысты көптеген стереотиптер пайда болады, олар біздің заманның шындығына әрдайым сәйкес келмейді.
Қаланың аңыздары
Бұрын электронды құрылғылардың барлық дерлік түрлерінде никель-кадмий немесе никель-металл гидридті батареялар қолданылған. Қолданылған кезде бұл гальваникалық элементтерді толығымен босатуға тура келді, бұл олардың қызмет ету мерзімін ұзартуға және энергия сыйымдылығының төмендеуіне жол бермеуге мүмкіндік берді. Енді бұл батареялар өз орнын жоғалтқан жоқ, бірақ олардың қолдану аясы өзгерді, енді оларды ұялы телефондарда, ноутбуктерде немесе планшеттерде табу мүмкін емес. Бірақ сатушылардың «алдымен разряд, содан кейін зарядтау, үш рет қайталау» деген қанатты сөзі әлі де кездеседі. Өйткені, мұндай пайдалы кеңестер қоғамда есте қалып, қазір ауыздан-ауызға жетіп жатыр. Дегенмен, прогресс өз бағытын алды және Ni-Cd, Ni-MH энергетикалық ұяшықтары литий-ионды батареямен, ал сәл кейінірек литий-полимерлі батареямен ауыстырыла бастады. Никель-кадмий немесе никель-металл гидриді өнімділігі аз электроникада - калькуляторларда, навигаторларда, әуесқой камераларда және т.б. табыла бастады. Олардың жаңашыл әріптестері ноутбуктерде, ұялы телефондарда, смартфондарда, планшеттерде және т.б. өз орнын тапты.
Қолдану принциптері
Ол жасалған дизайн оған нақты көзқарасты талап етеді. Ол терең разрядқа шыдамайды және бұл жағдай қайталанса, тіпті сәтсіздікке ұшырауы мүмкін. Сондықтан оларды пайдаланатын барлық құрылғылар өлі сатылмайды - бұл олардың энергетикалық жасушаларының қызмет ету мерзімін айтарлықтай ұзартады. Дегенмен, бұқараның сүйектенген ойлауы өзінің лас жұмысын жасауда - Ni-Cd, Ni-MH гальваникалық элементтердің жалпы ережелеріне назар аудара отырып, литий-ионды аккумуляторды зарядтау қажет екендігі туралы дауыстар әлі де ауыздан-ауызға естіледі. немесе тіпті олардың түріне назар аудармай. Өйткені, тіпті бұл энергия жасушаларын сақтау әртүрлі жолдармен жүзеге асырылуы керек. Никель-кадмий немесе металл гидридті аккумуляторларды толығымен зарядсыздандыру маңызды, ал литий-иондық және литий-полимерлі батареялар, керісінше, 60-80 пайыздық энергия қорын қалдыруы керек.
Шағымдар және жауапкершілік
Адамдардан сатып алынған литий-ионды аккумулятор ұзақ қызмет етпейтінін және оны қайтадан ауыстыруға тура келетінін жиі естисіз. Мысалы, біраз уақыттан кейін телефон өте тез зарядсызданады. Сатып алғаннан кейін ол өте ұзақ уақыт жұмыс істеп, иесін қуантты. Қарап отырсаңыз, мұндай тәртіпсіздікке кінә өндірушілерде емес, литий-ионды аккумуляторларды зарядтаған және пайдаланған жағдайда. Өйткені, олармен адам мінез-құлқының барлық зиянды модельдері қазірдің өзінде жоғарыда сипатталған және иесі тек оларды қатаң ұстанады.
Қолдану ерекшеліктері
Осылайша, қазіргі заманғы энергетикалық ұяшықтар қатал қоршаған орта жағдайында (аязда немесе суықта) жұмыс істегенде, батарея жылы бөлмеге қарағанда әлдеқайда көп ресурстарды жұмсайды, бұл тозуды арттырады. Мұндай жағдайларда электрониканы тым қарқынды емес пайдалану өте ұтымды (GPRS Интернет, навигация, ойындар және басқа ресурстарды қажет ететін қолданбаларды іске қоспаңыз), содан кейін әлдеқайда көп болады. Сондай-ақ логикалық сұрақ туындайды: мұндай жағдайларда литий-ионды аккумуляторды қалай зарядтауға болады? Құрылғы толығымен өлмеген кезде жылы бөлмеде қуат көздеріне қосылуы керек. Осылайша, батарея ол жобаланған ең қолайлы жағдайларда жұмыс істейді.
Гальваникалық элементтердің «сақталуы».
- оны 40-50 пайызға дейін зарядтау;
- құрылғыдан алып тастаңыз;
- полиэтиленде герметикалық түрде тығыздаңыз, егер мүмкін болса, осы қапшықта вакуум жасаңыз;
- әр батареяны басқалардан бөлек жинаңыз;
- гальваникалық элементтерді тоңазытқышқа жылжытыңыз (бірақ мұздатқышқа емес);
- бірнеше айда бір рет сол жерден алып тастаңыз және бөлме температурасында жылынғаннан кейін жоғарыда көрсетілген сыйымдылықты қалпына келтіріңіз;
- Қарқынды пайдалану алдында толық зарядтаңыз.
Бұл шаралар батареяның тиімділігін жоғалтпауға көмектеседі. Өйткені олар сіз өзіңіз жайлы сезінетін жағдайларда ғана тұрақты пайдалануға арналған - бөлме температурасында немесе оған жақын жерде.
Сапалы жабдықты пайдалану
Сонымен қатар, аккумулятордың кез келген түрі - Li-ion, Ni-Cd, Ni-MH - өндіруші ұсынған түпнұсқа құрылғымен зарядталуы керек, өйткені арзан аналогтар өз параметрлері бойынша бастапқы жабдықтан өте ерекшеленеді. Өйткені, тіпті шамалы артық болса да, оны екі есеге дерлік азайтуға болады. Қарама-қарсы сценарийде, яғни небәрі 0,1 вольтқа төмендегенде, батареяның қызмет ету мерзімі 10 пайыздан астамға қысқарады және батарея ешқашан толық зарядталмайды. Бұл режимде тұрақты пайдалану кезінде ол өзінің сыйымдылығын жоғалтады және өндіруші мәлімдеген мәндерге сәйкес келмейді.
Литий-ионды (Li-ion) батареялар көбінесе мобильді құрылғыларда (ноутбуктер, ұялы телефондар, PDA және т.б.) қолданылады. Бұл олардың бұрын кең таралған никель-металл гидридті (Ni-MH) және никель-кадмий (Ni-Cd) батареяларынан артықшылығына байланысты.
Ли-ионды батареялар айтарлықтай жақсырақ параметрлерге ие.
Литий аноды бар бастапқы ұяшықтар («батареялар») 20 ғасырдың 70-жылдарының басында пайда болды және олардың жоғары меншікті энергиясы мен басқа да артықшылықтарына байланысты тез қолданыс тапты. Осылайша, аккумулятордың жұмыс кернеуін де, оның меншікті энергиясын да күрт арттыруға мүмкіндік беретін ең белсенді тотықсыздандырғыш - сілтілі металмен химиялық ток көзін құруға көптен бергі тілек жүзеге асты. Литий аноды бар бастапқы жасушалардың дамуы салыстырмалы түрде жылдам табыспен аяқталды және мұндай элементтер портативті жабдықтың қуат көзі ретінде өз орнын алды, литий батареяларын жасау 20 жылдан астам уақытты еңсеру үшін түбегейлі қиындықтарға тап болды.
1980 жылдардағы көптеген сынақтардан кейін литий батареяларына қатысты мәселе литий электродтарына қатысты екені белгілі болды. Дәлірек айтқанда, литий белсенділігінің айналасында: жұмыс кезінде болған процестер, сайып келгенде, «жалын шығарумен желдету» деп аталатын күшті реакцияға әкелді. 1991 жылы ұялы телефондар үшін қуат көзі ретінде алғаш рет пайдаланылған литий батареяларының үлкен саны өндірушілер тарапынан кері қайтарылды. Оған себеп, сөйлесу кезінде ток тұтыну максималды болған кезде батареядан жалын шығып, ұялы телефон қолданушының бетін күйдіріп жіберген.
Литий металының тұрақсыздығына байланысты, әсіресе зарядтау кезінде, зерттеулер Li-ны қолданбай, бірақ оның иондарын пайдалану арқылы аккумулятор жасауға көшті. Литий-ионды батареялар литий батареяларына қарағанда біршама төмен қуат тығыздығын қамтамасыз еткенімен, литий-ионды батареялар дұрыс зарядталған және зарядсызданған кезде қауіпсіз.
Ли-ионды батареялардың химиялық процестері.
Қайта зарядталатын литий батареяларының дамуы Жапонияның көміртекті материалдардан жасалған теріс электроды бар батареяларды жасағаны туралы хабарландыру арқылы төңкеріс жасады. Көміртек литий интеркалациясы үшін өте қолайлы матрица болып шықты.
Аккумулятордың кернеуі жеткілікті жоғары болуы үшін жапондық зерттеушілер оң электродтың белсенді материалы ретінде кобальт оксидтерін пайдаланды. Литерленген кобальт оксидінің литий электродына қатысты потенциалы шамамен 4 В, сондықтан Li-ионды батареяның жұмыс кернеуі 3 В және одан жоғары сипаттамалық мәнге ие.
Ли-ионды аккумулятор зарядсызданған кезде литий көміртегі материалынан деинтеркалацияланады (теріс электродта), ал литий оксидке (оң электродта) интеркалацияланады. Батареяны зарядтау кезінде процестер кері бағытта жүреді. Демек, бүкіл жүйеде металдық (нөлдік валентті) литий жоқ, разряд пен заряд процестері литий иондарының бір электродтан екіншісіне ауысуына дейін төмендейді. Сондықтан бұл батареялар «литий-ион» немесе тербелетін орындық батареялары деп аталады.
Ли-ионды аккумулятордың теріс электродындағы процестер.
Коммерцияландыруға әкелінген барлық литий-ионды батареяларда теріс электрод көміртекті материалдардан жасалған. Литийдің көміртекті материалдарға интеркалациялануы күрделі процесс, оның механизмі мен кинетикасы негізінен көміртекті материалдың табиғатына және электролиттің табиғатына байланысты.
Анод ретінде пайдаланылатын көміртекті матрица табиғи немесе синтетикалық графит, ретсіз аморфты немесе ішінара реттелген (кокс, пиролиз немесе мезофаза көміртегі, күйе және т.б.) сияқты реттелген қабатты құрылымға ие болуы мүмкін. Енгізілген кезде литий иондары көміртегі матрицасының қабаттарын бір-бірінен итереді және олардың арасында орналасып, әртүрлі құрылымдардың интеркалаттарын құрайды. Литий иондарының интеркалация-деинтеркалация процесінде көміртекті материалдардың меншікті көлемі аздап өзгереді.
Теріс электрод матрицасы ретінде көміртекті материалдардан басқа қалайы, күміс және олардың қорытпалары, қалайы сульфидтері, кобальт фосфоридтері, кремний нанобөлшектері бар көміртекті композиттер негізіндегі құрылымдар зерттелуде.
Ли-ионды батареяның оң электродындағы процестер.
Бастапқы литий жасушалары оң электрод үшін әртүрлі белсенді материалдарды пайдаланса, литий батареяларында оң электрод материалын таңдау шектеулі. Литий-ионды батареялардың оң электродтары тек литийленген кобальт немесе никель оксидтері мен литий марганец шпинельдерінен жасалған.
Қазіргі уақытта катодты материалдар ретінде аралас оксидтерге немесе фосфаттарға негізделген материалдар көбірек қолданылады. Батареяның ең жақсы өнімділігіне аралас оксидті катодтармен қол жеткізілетіні көрсетілді. Катодты беттерді ұсақ дисперсті оксидтермен қаптау технологиялары да игерілуде.
Ли-ионды батареяның дизайны
Құрылымдық жағынан, сілтілі батареялар (Ni-Cd, Ni-MH) сияқты литий-ионды батареялар цилиндрлік және призмалық нұсқаларда шығарылады. Цилиндрлік аккумуляторларда электродтардың оралған пакеті мен сепаратор теріс электрод қосылған болат немесе алюминий корпусқа орналастырылады. Батареяның оң полюсі оқшаулағыш арқылы қақпаққа шығарылады (1-сурет). Призмалық аккумуляторлар төртбұрышты пластиналарды бір-бірінің үстіне қою арқылы жасалады. Призмалық батареялар аккумулятордың ішіне тығызырақ орауды қамтамасыз етеді, бірақ цилиндрлік аккумуляторларға қарағанда электродтардағы қысу күшін сақтау қиынырақ. Кейбір призматикалық батареялар эллиптикалық спиральға бұралған электродтар пакетінің орамдық жинағын пайдаланады (2-сурет). Бұл жоғарыда сипатталған екі дизайн модификациясының артықшылықтарын біріктіруге мүмкіндік береді.
Сурет 1 Цилиндрлік литий-ионды аккумулятордың дизайны.
2-сурет. Прокат электродтары бар призмалық литий-ионды (Li-ион) аккумулятордың құрылғысы.
Әдетте жылдам қыздыруды болдырмау және литий-ионды батареялардың қауіпсіз жұмысын қамтамасыз ету үшін кейбір жобалау шаралары қабылданады. Батарея қақпағының астында оң температура коэффициентіне қарсылықты арттыру арқылы жауап беретін құрылғы, ал екіншісі батарея ішіндегі газ қысымы рұқсат етілген шектен жоғарылаған кезде катод пен оң терминал арасындағы электр байланысын үзетін құрылғы бар.
Ли-ионды батареяларды пайдалану қауіпсіздігін арттыру үшін аккумулятордың бір бөлігі ретінде сыртқы электрондық қорғаныс қажет, оның мақсаты әрбір аккумуляторды шамадан тыс зарядтау және шамадан тыс зарядтау, қысқа тұйықталу және шамадан тыс қыздыру мүмкіндігін болдырмау болып табылады.
Ли-ионды батареялардың көпшілігі призматикалық нұсқаларда шығарылады, өйткені литий-ионды батареялардың негізгі мақсаты ұялы телефондар мен ноутбуктерді қуаттандыру болып табылады. Әдетте, призматикалық батареялардың конструкциялары біркелкі емес және ұялы телефондарды, ноутбуктерді және т.б. өндірушілердің көпшілігі құрылғыларда үшінші тарап батареяларын пайдалануға жол бермейді.
Ли-ионды батареялардың сипаттамалары.
Қазіргі заманғы литий-ионды аккумуляторлар жоғары спецификалық сипаттамаларға ие: 100-180 Вт/кг және 250-400 Вт/л. Жұмыс кернеуі - 3,5-3,7 В.
Егер бірнеше жыл бұрын әзірлеушілер литий-ионды аккумуляторлардың қол жетімді сыйымдылығын бірнеше ампер-сағаттан аспайтын деп есептесе, қазір сыйымдылықты арттыруды шектейтін себептердің көпшілігі жойылды және көптеген өндірушілер сыйымдылығы бар аккумуляторларды шығара бастады. жүздеген ампер-сағат.
Қазіргі заманғы шағын өлшемді аккумуляторлар 2 С-қа дейінгі разрядтық токтарда жұмыс істейді, қуаттылары - 10-20 С дейін. Жұмыс температурасының диапазоны: -20-дан +60 °C-қа дейін. Дегенмен, көптеген өндірушілер қазірдің өзінде -40 ° C температурада жұмыс істейтін батареяларды әзірледі. Температура диапазонын жоғарырақ температураға дейін кеңейтуге болады.
Ли-ионды батареялардың өздігінен разряды бірінші айда 4-6% құрайды, содан кейін ол айтарлықтай аз: 12 айда батареялар жинақталған сыйымдылығының 10-20% жоғалтады. Ли-ионды батареялардың сыйымдылығын жоғалту никель-кадмий батареяларына қарағанда 20 °C және 40 °C температурада бірнеше есе аз. Ресурс: 500-1000 цикл.
Ли-ионды батареяларды зарядтаңыз.
Ли-ионды аккумуляторлар аралас режимде зарядталады: алдымен тұрақты токта (0,2 С-ден 1 С-қа дейінгі диапазонда) 4,1-4,2 В кернеуге дейін (өндірушінің ұсыныстарына байланысты), содан кейін тұрақты кернеуде. Бірінші зарядтау кезеңі шамамен 40 минутқа созылуы мүмкін, екінші кезең ұзағырақ. Импульстік режим арқылы жылдамырақ зарядтауға болады.
Бастапқы кезеңде, графит жүйесін пайдаланатын литий-ионды батареялар алғаш рет пайда болған кезде, бір ұяшыққа 4,1 В зарядтау кернеуінің шегі қажет болды. Жоғары кернеулерді пайдалану энергияның жоғары тығыздығына мүмкіндік бергенімен, 4,1 В шекті мәннен асатын кернеулерде осы типтегі ұяшықтарда орын алған тотығу реакциялары олардың қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкелді. Уақыт өте келе бұл кемшілік химиялық қоспаларды қолдану арқылы жойылды және қазіргі уақытта литий-ионды ұяшықтарды 4,20 В кернеуге дейін зарядтауға болады. Кернеуге төзімділік бір ұяшыққа шамамен ±0,05 В құрайды.
Өнеркәсіптік және әскери мақсаттағы литий-ионды батареялардың қызмет ету мерзімі коммерциялық мақсаттағы батареяларға қарағанда ұзағырақ болуы керек. Сондықтан олар үшін зарядтың шекті аяқталу кернеуі бір ұяшыққа 3,90 В құрайды. Мұндай батареялардың энергия тығыздығы (кВт/кг) төмен болғанымен, батареялардың басқа түрлерімен салыстырғанда шағын өлшемді, салмағы аз және жоғары қуат тығыздығымен ұзартылған қызмет мерзімі литий-ионды батареяларды теңдессіз етеді.
Ли-ионды аккумуляторларды 1С токпен зарядтау кезінде зарядтау уақыты 2-3 сағатты құрайды.Ли-ионды аккумулятор толық зарядталған күйге ондағы кернеу кесу кернеуіне тең болғанда жетеді, ал ток күші төмендейді. айтарлықтай және бастапқы заряд тоғының шамамен 3% құрайды (3-сурет).
3-сурет. Литий-ионды (Li-ion) аккумуляторды зарядтау кезінде кернеу мен токтың уақытқа тәуелділігі
Егер 3-суретте литий-ионды аккумуляторлардың бір түрі үшін типтік заряд графигі көрсетілген болса, 4-суретте зарядтау процесі айқынырақ көрсетілген. Ли-ионды аккумулятордың зарядтау тогы жоғарылағанда, зарядтау уақыты айтарлықтай азаймайды. Жоғары зарядтау токтарында аккумулятор кернеуі жылдамырақ көтерілсе де, зарядтау циклінің бірінші кезеңі аяқталғаннан кейін қайта зарядтау кезеңі ұзағырақ уақыт алады.
Зарядтағыштардың кейбір түрлеріне литий-ионды батареяны зарядтау үшін 1 сағат немесе одан аз уақыт қажет. Мұндай зарядтағыштарда 2-кезең жойылады және батарея 1-кезең аяқталғаннан кейін бірден дайын күйге өтеді. Бұл кезде литий-ионды батарея шамамен 70% зарядталады және одан кейін қосымша қайта зарядтау мүмкін болады.
4-сурет. Ли-ионды аккумуляторды зарядтау кезінде кернеу мен токтың уақытқа тәуелділігі.
- 1-КЕЗЕҢ - максималды рұқсат етілген зарядтау тогы аккумулятор арқылы ондағы кернеу шекті мәнге жеткенше өтеді.
- 2-КЕЗЕҢ - Аккумулятордың максималды кернеуіне жетті, зарядтау тогы толығымен зарядталғанша біртіндеп азаяды. Зарядтың аяқталу сәті заряд тоғының мәні бастапқы мәннің 3% мәніне дейін төмендеген кезде пайда болады.
- 3-КЕЗЕҢ - Батареяны сақтау кезінде, шамамен әрбір 500 сағат сайын орындалатын мерзімді өтемдік заряд.
Ли-ионды батареялар қайта зарядталған кезде энергияны сіңіре алмайтындықтан, тамшылатып зарядтау кезеңі қолданылмайды. Сонымен қатар, ағынды зарядтау литийдің металдануына әкелуі мүмкін, бұл батареяны тұрақсыз етеді. Керісінше, тұрақты токпен қысқа зарядтау литий-ионды аккумулятордың аздап өздігінен разрядталуын өтей алады және оның қорғаныс құрылғысының жұмысынан туындаған энергия шығындарын өтей алады. Зарядтау құрылғысының түріне және литий-ионды аккумулятордың өздігінен зарядсыздану дәрежесіне байланысты мұндай қайта зарядтауды әр 500 сағат немесе 20 күн сайын орындауға болады. Әдетте, бұл ашық тізбектің кернеуі 4,05 В / ұяшыққа дейін төмендегенде және 4,20 В / ұяшыққа жеткенде тоқтаған кезде жасалуы керек.
Сонымен, литий-ионды батареялардың шамадан тыс зарядтауға төзімділігі төмен. Көміртекті матрицаның бетіндегі теріс электродта айтарлықтай қайта зарядталған кезде электролитке жоғары реактивтілігі бар металдық литийдің (ұсақ ұнтақталған мүк шөгіндісі түрінде) шөгуі мүмкін болады және белсенді оттегінің бөлінуі катодтан басталады. Термиялық қашу, қысымның жоғарылауы және қысымның төмендеуі қаупі бар. Сондықтан литий-ионды батареяларды өндіруші ұсынған кернеуге дейін ғана зарядтауға болады. Зарядтау кернеуінің жоғарылауымен батареяның қызмет ету мерзімі қысқарады.
Ли-ионды батареялардың қауіпсіз жұмысына үлкен көңіл бөлінуі керек. Коммерциялық литий-ионды аккумуляторларда зарядтау кернеуінің белгілі бір шекті мәннен асып кетуіне жол бермейтін арнайы қорғаныс құрылғылары бар. Қосымша қорғаныс элементі батарея температурасы 90 °C-қа жеткенде зарядтаудың аяқталуын қамтамасыз етеді. Дизайндағы ең озық батареяларда қорғаныстың тағы бір элементі бар - механикалық қосқыш, ол батареяның ішкі қысымы жоғарылаған кезде іске қосылады. Кіріктірілген кернеуді басқару жүйесі екі ажырату кернеуі үшін конфигурацияланған - жоғарғы және төменгі.
Ерекшеліктер бар - литий-ионды батареялар, оларда қорғаныс құрылғылары мүлдем жоқ. Бұл марганеці бар қайта зарядталатын батареялар. Оның қатысуының арқасында қайта зарядтау кезінде анодтың металдану реакциялары және катодта оттегінің бөлінуі соншалықты баяу жүреді, сондықтан қорғаныс құралдарын пайдаланудан бас тартуға болады.
Ли-ионды батареялардың қауіпсіздігі.
Барлық литий батареялары жақсы сақталуымен сипатталады. Өздігінен разрядқа байланысты қуаттың жоғалуы жылына 5-10% құрайды.
Берілген сандар кейбір номиналды нұсқаулар ретінде қарастырылуы керек. Әрбір нақты аккумулятор үшін, мысалы, разряд кернеуі разрядтық токқа, разряд деңгейіне, температураға байланысты; ресурс разряд пен зарядтың режимдеріне (токтарына), температураға және разрядтың тереңдігіне байланысты; жұмыс температурасының диапазоны қызмет ету мерзімінің деңгейіне, рұқсат етілген жұмыс кернеулеріне және т.б.
Ли-ионды аккумуляторлардың кемшіліктері шамадан тыс зарядтауға және артық зарядтауға сезімталдықты қамтиды, сондықтан оларда зарядтау және разрядты шектегіштер болуы керек.
Ли-ионды батареялардың разрядтық сипаттамаларының типтік түрі суретте көрсетілген. 5 және 6. Суреттерден разряд тоғының жоғарылауымен аккумулятордың разрядтық сыйымдылығы аздап азаяды, бірақ жұмыс кернеуі төмендейтіні анық. Дәл осындай әсер 10 °C-тан төмен температурада разрядталғанда пайда болады. Сонымен қатар, төмен температурада бастапқы кернеудің төмендеуі орын алады.
5-сурет. Ли-ионды аккумулятордың әртүрлі токтардағы зарядсыздану сипаттамалары.
6-сурет. Ли-ионды аккумулятордың әртүрлі температурадағы зарядсыздану сипаттамалары.
Жалпы литий-ионды батареялардың жұмысына келетін болсақ, батареяларды қызып кетуден қорғаудың барлық құрылымдық және химиялық әдістерін және батареяларды шамадан тыс зарядтау мен шамадан тыс зарядтаудан сыртқы электрондық қорғау қажеттілігі туралы бұрыннан қалыптасқан идеяны ескере отырып, жұмыс істейтін литий-иондық батареялардың қауіпсіздігі шешілді деп санауға болады. Ал жаңа катодты материалдар көбінесе литий-ионды батареялар үшін одан да жоғары термиялық тұрақтылықты қамтамасыз етеді.
Ли-ионды батареялардың қауіпсіздігі.
Литий және литий-иондық батареяларды жасау кезінде, сондай-ақ бастапқы литий жасушаларын жасау кезінде сақтау және пайдалану қауіпсіздігіне ерекше назар аударылды. Барлық батареялар ішкі қысқа тұйықталудан (кейбір жағдайларда сыртқы қысқа тұйықталудан да) қорғалған. Мұндай қорғаныстың тиімді жолы екі қабатты сепараторды пайдалану болып табылады, оның қабаттарының бірі полипропиленнен емес, полиэтиленге ұқсас материалдан жасалған. Қысқа тұйықталу жағдайында (мысалы, литий дендриттерінің оң электродқа өсуіне байланысты) жергілікті қыздыру салдарынан бұл сепаратор қабаты еріп, өтпейтін болады, осылайша дендриттердің одан әрі өсуіне жол бермейді.
Ли-ионды батареяларды қорғау құрылғылары.
Коммерциялық литий-ионды батареялар кез келген батарея түрінен ең жетілдірілген қорғанысқа ие. Әдетте, литий-ионды батареяны қорғау тізбегі аккумулятор ұяшығының кернеуі 4,30 В жеткенде ашылатын және осылайша зарядтау процесін тоқтататын өрістік транзисторлық қосқышты пайдаланады. Сонымен қатар, қолданыстағы термиялық сақтандырғыш, батарея 90 ° C дейін қызған кезде, оның жүктеме тізбегін ажыратады, осылайша оның термиялық қорғанысын қамтамасыз етеді. Бірақ бұл бәрі емес. Кейбір батареяларда 1034 кПа (10,5 кг/м2) тең, корпус ішіндегі шекті қысым деңгейіне жеткенде іске қосылатын және жүктеме тізбегін бұзатын ажыратқышы бар. Сондай-ақ, батареяның кернеуін бақылайтын және кернеу бір ұяшыққа 2,5 В дейін төмендесе, жүктеме тізбегін үзетін терең разрядтан қорғау схемасы бар.
Ұялы телефонның батареясын қорғау тізбегінің қосылған кездегі ішкі кедергісі 0,05-0,1 Ом. Құрылымдық жағынан ол тізбектей қосылған екі кілттен тұрады. Олардың бірі жоғарғы, ал екіншісі батареядағы төменгі кернеу шегіне жеткенде іске қосылады. Бұл кілттердің жалпы кедергісі оның ішкі кедергісін екі есе арттырады, әсіресе аккумулятор тек бір ұяшықтан тұрса. Ұялы телефон батареялары жоғары жүктеме токтарын қамтамасыз етуі керек, бұл батареяның ішкі кедергісі мүмкіндігінше төмен болғанда мүмкін. Осылайша, қорғаныс тізбегі литий-ионды батареяның жұмыс тогын шектейтін кедергіні білдіреді.
Химиялық құрамында марганецті қолданатын және 1-2 элементтен тұратын литий-ионды батареялардың кейбір түрлерінде қорғаныс тізбегі қолданылмайды. Оның орнына оларда бір ғана сақтандырғыш бар. Ал мұндай аккумуляторлар шағын өлшемдері мен сыйымдылығы аз болғандықтан қауіпсіз. Сонымен қатар, марганец литий-ионды батареяларды пайдалану ережелерін бұзуға жеткілікті төзімді. Қорғаныс тізбегінің болмауы литий-ионды аккумулятордың құнын төмендетеді, бірақ жаңа проблемаларды тудырады.
Атап айтқанда, ұялы телефон пайдаланушылары батареяларын зарядтау үшін стандартты емес зарядтағыштарды пайдалана алады. Электр желісінен немесе автомобильдің борттық желісінен зарядтауға арналған қымбат емес зарядтағыштарды пайдаланған кезде, батареяда қорғаныс тізбегі болса, зарядтау кернеуінің соңына жеткенде оны өшіретініне сенімді бола аласыз. Егер қорғаныс тізбегі болмаса, батарея шамадан тыс зарядталады және нәтижесінде ол қайтымсыз істен шығады. Бұл процесс әдетте батарея корпусының қызуының жоғарылауымен және ісінуімен бірге жүреді.
Ли-ионды батареялардың сыйымдылығының төмендеуіне әкелетін механизмдер
Ли-ионды аккумуляторларды айналдыру кезінде сыйымдылықты азайтудың ықтимал механизмдерінің арасында келесілер жиі қарастырылады:
- катодтық материалдың кристалдық құрылымының бұзылуы (әсіресе LiMn2O4);
- графит қабатының бөлінуі;
- электродтардың белсенді бетінің төмендеуіне және ұсақ саңылаулардың бітелуіне әкелетін екі электродта пассивтеуші пленканың түзілуі;
- металдық литийдің шөгуі;
- цикл кезінде белсенді материалдың көлемдік тербелісі нәтижесінде электрод құрылымындағы механикалық өзгерістер.
Зерттеушілер велосипедпен жүру кезінде қай электрод ең көп өзгерістерге ұшырайтыны туралы келіспейді. Бұл таңдалған электрод материалдарының табиғатына да, олардың тазалығына да байланысты. Сондықтан литий-ионды аккумуляторлар үшін жұмыс кезінде олардың электрлік және пайдалану параметрлерінің сапалы өзгеруін ғана сипаттауға болады.
Әдетте, разряд сыйымдылығы 20% төмендегенге дейін коммерциялық литий-ионды аккумуляторлардың қызмет ету мерзімі 500-1000 циклді құрайды, бірақ ол ең жоғары зарядтау кернеуінің мәніне айтарлықтай байланысты (7-сурет). Цикл тереңдігі азайған сайын қызмет ету мерзімі артады. Қызмет ету мерзімінің байқалатын ұлғаюы имплантация электродтарының көлемінің өзгеруінен туындаған механикалық кернеулердің төмендеуімен байланысты, олар заряд дәрежесіне байланысты.
7-сурет. Ли-ионды аккумулятордың сыйымдылығын әртүрлі максималды зарядтау кернеулерінде өзгерту
Жұмыс температурасының жоғарылауы (жұмыс ауқымында) электрод-электролит интерфейсіне әсер ететін бүйірлік процестердің жылдамдығын арттыруы мүмкін және циклдармен разрядтық қуаттың төмендеу жылдамдығын аздап арттыруы мүмкін.
Қорытынды.
Катод үшін ең жақсы материалды іздеу нәтижесінде қазіргі заманғы литий-ионды аккумуляторлар бір-бірінен энергия сыйымдылығымен де, зарядтау/разрядтау режимінің параметрлері бойынша да айтарлықтай ерекшеленетін химиялық ток көздерінің тұтас тобына айналады. Бұл, өз кезегінде, басқару схемаларының интеллектінің айтарлықтай жоғарылауын талап етеді, олар қазір батареялар мен қуаттандырылған құрылғылардың ажырамас бөлігіне айналды - әйтпесе батареялар мен құрылғылардың зақымдалуы (соның ішінде қайтымсыз зақымдануы) мүмкін. Тапсырма әзірлеушілер батарея қуатын барынша пайдалануға тырысып, қуат көзінің көлемін және салмағын барынша азайта отырып, батареяның қызмет ету мерзімін ұзартуға тырысатындығымен қиындатады. Бұл айтарлықтай бәсекелестік артықшылықтарға қол жеткізуге мүмкіндік береді. Texas Instruments компаниясының мобильді қуат құрамдас бөліктерінің вице-президенті Д.Хикоктың айтуынша, жаңа материалдардан жасалған катодтарды пайдаланған кезде аккумулятор жасаушылар дәстүрлі катодтардағыдай дизайн мен өнімділік сипаттамаларына бірден қол жеткізе алмайды. Нәтижесінде жаңа батареялар жиі жұмыс жағдайларында айтарлықтай шектеулерге ие болады. Сонымен қатар, жақында қайта зарядталатын ұяшықтар мен батареялардың дәстүрлі өндірушілерінен басқа - Sanyo, Panasonic және Sony - жаңа өндірушілер, негізінен Қытайдан, нарыққа өте белсенді түрде шығуда. Дәстүрлі өндірушілерден айырмашылығы, олар бір технологияның немесе тіпті бір партияның ішінде параметрлердің айтарлықтай үлкен диапазоны бар өнімдерді жеткізеді. Бұл олардың ең алдымен өнімнің төмен бағасы арқылы бәсекелесуге ұмтылуымен түсіндіріледі, бұл көбінесе процестің сәйкестігін үнемдеуге әкеледі.
Сонымен, қазіргі уақытта деп аталатын ақпараттың маңыздылығы. «ақылды батареялар»: аккумуляторды анықтау, батарея температурасы, қалдық заряд және рұқсат етілген асқын кернеу. Хикоктың пікірінше, егер дайын құрылғыларды әзірлеушілер жұмыс жағдайларын да, ұяшықтардың параметрлерін де ескеретін қуат ішкі жүйелерін жобаласа, бұл батарея параметрлеріндегі айырмашылықтарды жояды және соңғы пайдаланушылар үшін еркіндік дәрежесін арттырады, бұл оларға мүмкіндік береді. өндіруші ұсынған құрылғыларды ғана емес, басқа компаниялардың аккумуляторларын да таңдаңыз.
Жүктелуде...
