Какие бывают литий ионные аккумуляторы

Литиевые аккумуляторы

Среди самых современных аккумуляторов особое место занимают литиевые. В химии литий из металлов самый активный.

Он обладает огромным ресурсом хранения энергии. 1 кг лития способен хранить 3860 ампер-часов. Хорошо известный цинк сильно отстаёт. У него этот показатель равен 820 ампер-часов.

Элементы на основе лития могут вырабатывать напряжение до 3,7V. Но лабораторные образцы способны вырабатывать напряжение около 4.5V.

В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не применяется.

Сейчас распространены 3 типа литиевых аккумуляторов:

• Литий-ионные (Li-ion). Номинальное напряжение (U_ном.) – 3,6V;
• Литий-полимерные (Li-Po, Li-polymer или «липо»). U_ном. – 3,7V;
• Литий-железо фосфатные (Li-Fe или LFP). U_ном. – 3,3V.

Все эти типы литиевых аккумуляторов различаются материалом катода или электролита. В Li-ion используется катод из кобальтата лития LiCoO₂, в Li-Po применён электролит из гелеобразного полимера, а в Li-Fe используется катод из литий-ферро-фосфата LiFePO₄.

Любой литиевый аккумулятор (или устройство в котором он работает) оснащён небольшой электронной схемой – контроллером заряда/разряда. Так как аккумуляторы на основе лития очень чувствительны к перезаряду и глубокому разряду, это необходимо. Если «расковырять» любой литиевый аккумулятор от сотового телефона, то в нём можно обнаружить небольшую электронную схему – это и есть защитный контроллер (Protection IC).

Если встроенного контроллера (или супервизора заряда) в литиевой батареи нет, то такой аккумулятор называют незащищённым. В таком случае контроллер встроен в прибор, который питается от такой батареи, а зарядка возможна только от прибора или от специального зарядного устройства.

На фото показан незащищённый Li-Po аккумулятор «Turnigy 2200 mAh 3C 25C Lipo Pack». Данная акк.батарея состоит из 3 последовательно включенных ячеек (3C — 3 cell) по 3,7V и поэтому имеет балансировочный разъём. Продолжительный ток разряда может достигать 25С, т.е. 25 * 2200мА = 55000мА = 55А! А кратковременный ток разряда (10 сек.) – 35С!

Для литиевых батарей, которые представляют собой несколько последовательно включенных ячеек, требуется сложное зарядное устройство, оснащённое балансиром. Такой функционал реализован, например, в таких универсальных зарядных устройствах, как «Turnigy Accucell 6» и «IMAX B6».

Балансир нужен для того, чтобы во время заряда составной литиевой батареи выровнять напряжение на отдельных ячейках. Из-за различий между ячейками одни могут заряжаться быстрее, а другие медленнее. Поэтому применяется специальная схема шунтирования зарядного тока.

Вот такую распайку имеют балансировочный и силовой шлейф у LiPo-аккумулятора на 11,1V.

Как известно, перезаряд ячейки литиевого аккумулятора (особенно Li-Polymer) свыше 4,2V может привести к взрыву или самовозгоранию. Поэтому во время заряда необходимо контролировать напряжение на каждой ячейке составной батареи аккумулятора!

Правильная зарядка литиевых аккумуляторов.

Литиевые аккумуляторы (Li-ion, Li-Po, Li-Fe) заряжаются по методу CC/CV («постоянный ток/постоянное напряжение»). Метод заключается в том, что сначала, когда напряжение на элементе мало, его заряжают постоянным током (constant current) определённой величины. При достижении напряжения на элементе (например, до 4,2V – зависит от типа аккумулятора), контроллер заряда поддерживает постоянное напряжение (constant voltage) на нём.

Первая стадия заряда литиевого аккумулятора – CC – реализуется за счёт обратной связи. Контроллер так подбирает напряжение на элементе, чтобы ток заряда был строго постоянной величины.

В течение первой стадии заряда литиевый аккумулятор накапливает большую часть мощности (60 – 80 %).

Вторая стадия заряда – CV – начинается тогда, когда напряжение на элементе достигает определённого порогового уровня (например, в 4,2V). После этого контроллер просто поддерживает постоянное напряжение на элементе и отдаёт ему тот ток, который ему необходим. К концу заряда ток снижается до значения 30 – 10 мА. При таком токе элемент считается заряженным.

Во время второй стадии аккумулятор накапливает оставшиеся 40 – 20 % мощности.

Стоит отметить, что превышение порогового напряжения на литиевом аккумуляторе чревато его чрезмерным перегревом и даже взрывом!

При зарядке литиевых аккумуляторов рекомендуется помещать их в невозгораемый пакет. Это особенно актуально для аккумуляторов, которые не имеют специального бокса. Например, такие, которые применяются в радиоуправляемых моделях (авто-, авиа- моделирование).

Недостатки литий-ионных аккумуляторов.

• Основным и самым пугающим недостатком аккумуляторов на основе лития, я бы назвал их пожароопасность при превышении рабочего напряжения, перегреве, неправильном заряде и безграмотной эксплуатации. Особенно много нареканий относительно литий-полимерных (Li-Polymer) аккумуляторов. Однако, литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы не имеют такой негативной особенности – они пожаробезопасны.
• Также литиевые аккумуляторы очень боятся холода – быстро теряют свою ёмкость и перестают заряжаться. Это относится к Li-ion и Li-Po аккумуляторам. Литий-железо-фосфатные (Li-Fe) аккумуляторы более устойчивы к морозу. Собственно, это одно из положительных качеств Li-Fe аккумуляторов.
• Недостатком литиевых аккумуляторов является и то, что они требуют наличия специального контроллера заряда – электронной схемы. А в случае составной аккумуляторной батареи и балансира.
• При глубоком разряде литиевые аккумуляторы теряют свои первоначальные свойства. Особенно глубокого разряда боятся Li-ion и Li-Po аккумуляторы. Даже после восстановления такой аккумулятор будет иметь меньшую ёмкость.

Обычно срок службы рядового литиевого аккумулятора составляет 3 — 5 лет. Спустя 3 года ёмкость аккумулятора начинает довольно заметно уменьшаться.

Какой аккумулятор лучше: литиевый или никелевый?

Для автономной работы беспроводного электроинструмента и других портативных устройств нужны аккумуляторы. Именно от их способности накапливать, хранить и отдавать энергию зависит, насколько удобным и эффективным будет использование аккумуляторной техники. От выбора АКБ напрямую зависят рабочие параметры инструмента или другого энергозависимого оборудования.

Сегодня массово распространены Li-ion аккумуляторы. Огромную популярность им обеспечила способность накапливать большой объем энергии при компактных размерах и легком весе. Конечно, это не единственное преимущество литий-ионных элементов. Тем не менее, им не удалось полностью вытеснить никелевые аккумуляторы. В продаже все еще встречаются и никель-металлгидридные, и даже никель-кадмиевые элементы.

Так какие АКБ лучше, литиевые или никелевые? Чтобы обоснованно ответить на этот вопрос, рассмотрим подробно технические характеристики, достоинства и слабые стороны аккумуляторов каждого типа.

Никель-кадмиевые АКБ

Изобретенные в далеком 1899 году, Ni-Cd аккумуляторы упрямо не хотят становиться историей. Несмотря на весомые недостатки, они пытаются конкурировать с более современными аналогами за счет своим сильных качеств.

Плюсы

Минусы

Надежность. Устойчивость к высоким токовым нагрузкам при зарядке и работе. Стабильная токоотдача в течение всего рабочего цикла.

Токсичность кадмия и сложности с его утилизацией.

Срок службы 6–7 лет и более, ресурс около 1000 циклов с сохранением 70–80% восстанавливаемой емкости.

Большой вес и размеры.

Способность работать в сложных условиях, в температурном диапазоне от -40 до +60 °С.

Ощутимый эффект памяти (снижение доступной емкости из-за неполного разряда перед зарядкой) – чтобы избежать его, АКБ необходимо разряжать и заряжать полностью.

Возможность быстрой зарядки.

После длительного хранения – необходимость выполнения 5 тренировочных циклов заряд-разряд для восстановления рабочих параметров.

Никель-металлгидридные АКБ

В 1990 году на смену Ni-Cd пришла никель-металлгидридная технология. Напряжение у никелевых элементов обоих подвидов равно 1,2 В. Важнейшими преимуществами Ni-MH моделей стали: повышенная практически на 30% емкость (порядка 150 Вт·ч/дм³) и нетоксичный состав без тяжелых металлов.

Плюсы

Минусы

Отсутствие в составе токсичного кадмия – меньше проблем при изготовлении и утилизации благодаря использованию сплавов Ni с редкоземельными металлами.

Чувствительность к глубоким разрядам – в отличие от Ni-Cd моделей, аккумуляторы Ni-MH нежелательно разряжать ниже 20%, а хранить их нужно в заряженном состоянии. При глубоком разряде в их структуре происходят необратимые изменения, и восстанавливаемая емкость заметно уменьшается.

Увеличенная втрое энергоемкость (по сравнению с Ni-Cd моделями аналогичных размеров).

Снижение рабочих характеристик при температуре ниже –10 °С.

Меньшие размеры и вес – при той же емкости.

Ресурс до 500 циклов.

Менее выраженный эффект памяти.

Саморазряд 1% за сутки.

Более высокая цена.

Стабильное напряжение разряда.

Меньшая устойчивость к токовым нагрузкам. Длительное восполнение заряда.

Возможность подзарядки при неполном разряде – если с момента последней эксплуатации прошло менее 3 дней.

Склонность нагреваться при работе – для защиты от перегрева Ni-MH элементы имеют температурные реле и предохранители.

Литий-ионные аккумуляторы

Со времени появления в 1991 году Li-ion аккумуляторы уверенно заняли лидерские позиции и не намерены их сдавать. У большинства пользователей уже давно не возникает сомнений, какой аккумулятор лучше, литиевый или никелевый? Литий-ионные АКБ на практике ежедневно демонстрируют свои преимущества. И хотя они также не лишены недостатков, огромный перевес достоинств делает их абсолютными лидерами.

Плюсы

Минусы

Повышенное рабочее напряжение. Номинальный вольтаж у большинства моделей составляет 3,6–3,7 В, а рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В. У аккумуляторов подвида LiFePO4 номинальный вольтаж составляет 3,2–3,3 В, а рабочий диапазон – от 2,5 до 3,65 В. У литий-титанатных моделей номинальное напряжение равно 2,4 В, а рабочий диапазон – от 1,8 до 2,75 В.

У большинства моделей – чувствительность к глубокому разряду. Исключение – аккумуляторы типа LiFePO4 и LTO.

Увеличенная энергетическая емкость – в зависимости от материала катода и подвида Li-ion аккумуляторов, ее значение составляет от 65–80 Вт·ч/кг у литий-титанатных моделей до 200–260 Вт·ч/кг у Li-ion аккумуляторов подвида NCA (с никелем, кобальтом и алюминием).

Временное снижение емкости на морозе. Но среди Li-ion элементов питания есть морозоустойчивые подвиды – LiFePO4 и LTO.

Большой выбор подвидов с разным химическим составом и отличающимися характеристиками – например, емкостные модели NCA, NMC, LCO и высокотоковые аккумуляторы LNO илиLFP.

Более высокая цена. Но если учесть больший срок службы и комфорт использования, покупку литий-ионных АКБ можно считать более выгодной.

Большой ресурс – 500–1000 циклов у большинства моделей, более 2000 у аккумуляторов LiFePO4, 3000–7000 циклов у LTO.

Склонность к «старению» – постепенной химической деградации, снижению восстанавливаемой емкости при хранении. Более устойчивую химическую структуру и меньшую склонность к «старению» имеют аккумуляторы LiFePO4 и LTO.

Невыраженный эффект памяти. Возможность подзарядки при любом уровне остаточной емкости, возможность частичного заряда.

Минимальный саморазряд – до 20% в год.

У некоторых моделей – возможность возгорания и взрыва, если не использовать плату защиты.

Возможность быстрой зарядки.

Выводы

После подробного сравнения Ni-Cd, Ni-MH и Li-ion аккумуляторов очевидными остаются преимущества литий-ионной технологии. В большинстве случаев именно литиевые элементы питания становятся наиболее удобными и эффективными в эксплуатации. Но все же выбор АКБ зависит от особенностей аккумуляторной техники и рабочих параметров, которые наиболее важны в конкретном случае.

Например, для небольших портативных устройств подходят емкие аккумуляторы типа Li-ion или Ni-MH. Для оснащения шуруповерта или другого электроинструмента нужны высокотоковые АКБ, устойчивые к низким температурам. Это могут быть и никелевые аккумуляторы, и литиевые модели с высокими значениями допустимых токов. Но все же Li-ion модели накапливают больше энергии на единицу массы, выдают большее напряжение, проще в использовании и долговечнее. Поэтому они преобладают во всех сферах – от цифровых устройств и портативных инструментов до электромобилей.

В интернет-магазине Shura-Master.ru вы можете выбрать никелевые и литиевые аккумуляторы разных типов, в зависимости от поставленных задач.

Типы литиевых аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы – это большая группа герметичных необслуживаемых источников тока, в которых заряд переносят ионы лития. В зависимости от особенностей состава, они имеют разные электрохимические свойства и технические характеристики. Есть у них и общие качества: невыраженный эффект памяти, легкий вес, хорошая токоотдача, энергоэффективность. Но многие параметры (диапазон рабочих напряжений, допустимые токи, удельная емкость и т.д.) зависят именно от химического состава, прежде всего – от материала катода.

Широко распространены следующие типы литиевых аккумуляторов: LiMn2O4 (краткое обозначение LNO), LiCoO2 (сокращенно LCO), LiMnO2, LiNiMnCoO2 (NMC), LiNiCoAlO2 (NCA), LiFePO4 (LFP), Li4Ti5O12 (LTO). Остановимся подробнее на каждом подвиде современных Li-ion аккумуляторов, рассмотрим их плюсы и минусы, характерные особенности и оптимальные области применения.

Литий-кобальтовые АКБ – LCO

Характеристики

Плюсы

Минусы

Область применения

Номинальный вольтаж 3,6 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.

Прекрасная энергоемкость – 150–200 Вт·ч/кг.

Небольшой ресурс – 500–1000 циклов.

Невысокая удельная мощность.

Допустимые токовые нагрузки – около 1С.

Снижение производительности при высоких и низких температурах.

Смартфоны, ноутбуки, планшеты, цифровые камеры, фотоаппараты.

Литий-марганцевые модели – LNO

Характеристики

Плюсы

Минусы

Область применения

Напряжение (номинал) 3,7 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.

Минимальное внутреннее сопротивление, предельные токи при зарядке – 3С, при разряде – 10С, импульсно – до 50С.

Скромная емкость – примерно на 30% ниже, чем у LCO моделей тех же размеров.

Средний срок службы – 300–700 циклов.

Беспроводной электрический инструмент, медоборудование, электромоторы.

Аккумуляторы NMC – с катодом из никеля, марганца и кобальта

Характеристики

Плюсы

Минусы

Область применения

Вольтаж (номинал) 3,6–3,7 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.

Солидный запас емкости – 150–220 Вт·ч/кг. Хорошая производительность.

Ресурс 1000–2000 циклов. Возможность оптимизации аккумуляторов под мощность или емкость. Большой выбор.

Стандартные значения зарядных и разрядных токов – 1С.

Мощные электроинструменты, медоборудование, автономное питание электромоторов персонального электротранспорта, промышленное оборудование.

NCA модели – с никелем, кобальтом и алюминием

Характеристики

Плюсы

Минусы

Область применения

Номинальное напряжение 3,6 В, рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В.

Солидная энергоемкость – 200–260 Вт·ч/кг.

Слабые показатели безопасности.

Средний срок службы – 500 циклов.

Стандартные величины токов зарядки и нагрузки– 0,7 С и 1С.

Электротранспорт, промышленные агрегаты, медоборудование.

Литий-железо-фосфатные модели – LiFePO4

Характеристики

Плюсы

Минусы

Область применения

Вольтаж (номинал) 3,2–3,3 В, рабочий диапазон – от 2,5 до 3,65 В.

Минимальное внутреннее сопротивление, хорошие электрохимические параметры. Устойчивость к токовым нагрузкам, глубоким разрядам и перезарядам. Допустимые токи заряда – 5С, разряда – до 25С. Тепловая стабильность, морозостойкость, отличный уровень безопасности, ресурс минимум 2000 циклов.

Меньшая удельная емкость – 90–120 Вт·ч/кг.

Более высокий саморазряд – по сравнению с другими видами литиевых аккумуляторов.

Везде, где нужна высокая токоотдача, стабильная работа в любое время года и выносливость, например, автономное питание лодочных электромоторов, персонального электротранспорта, складской и клининговой техники, промышленного оборудования.

Литий-титанат – LTO

Характеристики

Плюсы

Минусы

Область применения

Анод из нанокристаллов титаната лития.

Напряжение 2,4 В, рабочий диапазон – от 1,8 до 2,75 В.

Высокие значения допустимых токов: 10С, импульсно – 30С. Морозостойкость – сохранение 80% емкости при температуре –30 °С. Превосходный уровень безопасности, ресурс 3000–7000 циклов.

Низкая удельная емкость – 65–80 Вт·ч/кг.

Системы аккумулирования электроэнергии, ИБП, автономное питание электромоторов, осветительные приборы на солнечных панелях.

Литий-полимерные аккумуляторы

К этой группе относятся литиевые элементы питания с различными типами химии, у которых вместо жесткого корпуса используется тонкая металлизированная оболочка. В отличие от других Li-ion аккумуляторов, которые имеют форму цилиндра или призмы, элементы Li-Po производятся в форме пакетов. Они бывают очень тонкими и могут иметь разные размеры. Часто такими элементами питания оснащают смартфоны, планшеты, навигаторы и другие электронные устройства.

Высокотоковые аккумуляторы Li-Polymer используют в радиоуправляемых игрушках, дронах, вертолетах, самолетах для хобби. Элементы питания этого типа отличаются компактными размерами и большими разрядными токами. Они производятся в гибком металлизированном корпусе и обычно имеют литий-марганцевый состав, т.к. именно марганец повышает устойчивость электрохимической системы к токовым нагрузкам.

Тяговые АКБ

Все разновидности литиевых аккумуляторов относятся к тяговым источникам питания. Они рассчитаны на интенсивное использование в циклическом режиме заряд-разряд и обеспечивают питание устройств в течение нескольких часов. Подходят такие АКБ и для применения в буферном режиме, но в таком случае лучше выбирать емкостные модели. При выборе АКБ обязательно учитывают условия их эксплуатации и необходимые технические параметры.

Например, для лодочных электромоторов, клининговых машин и складской техники отлично подходят Li-ion АКБ типа LiFePO4. Они не боятся тряски, вибраций, глубоких разрядов и жестких условий эксплуатации. Такие АКБ рассчитаны на активное использование в широком диапазоне температур и обеспечивают стабильно высокую токоотдачу при любом уровне остаточного заряда.

Отлично подходят LFP батареи и для персонального электротранспорта, в т. ч. для мощных электровелосипедов, мопедов, скутеров, фэтбайков на электротяге. Выручают они в условиях низких температур, например, при оснащении электропогрузчиков, используемых в холодильных и морозильных камерах. Разнообразие Li-ion аккумуляторов с разными техническими характеристиками позволяет выбрать наилучшую АКБ для любых задач.

Литиевые аккумуляторы и АКБ по отличным ценам

В интернет-магазине Shura-Master.ru представлены Li-ion аккумуляторы и батареи разных типов: высокотоковые и емкостные, с разными размерами и рабочими параметрами. Заказывайте необходимые вам АКБ, и мы оперативно доставим их по Москве или отправим транспортной компанией в другую точку России.

Размеры литиевых аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы широко используются в светодиодных фонариках, шуруповертах и остальных беспроводных устройствах. Как составные части аккумуляторных батарей они применяются для оснащения электровелосипедов, гироскутеров, электросамокатов, гольфкаров, ноутбуков, устройств Power Bank и другой автономно работающей техники.

Литиевые аккумуляторы изготавливаются в виде цилиндра, призмы и таблетки. Ячейки-цилиндры содержат электроды с сепаратором, свернутые рулонным способом и находящиеся в оболочке из металлической фольги. Их отрицательный электрод соединяется с корпусом, а» +» – выходит через изолятор на крышку. Призматические элементы питания обычно состоят из совокупности прямоугольных пластин, реже – из электродной основы, свернутой эллиптической спиралью.

Наибольшее распространение получили цилиндрические аккумуляторы типоразмера 18650. Визуально они напоминают обычные батарейки типа АА, но превосходят их по емкости и выходному напряжению. В то время как батарейка АА имеет напряжение на выходе 1,5 В, у аккумулятора типоразмера 18650 этот параметр составляет 3,6–3,7 В. Емкость таких ячеек в среднем колеблется от 1600 до 3600 мАч, в зависимости от используемой химии и технологии производства. Далее мы подробнее расскажем о классификации и существующих форматах литий-ионных аккумуляторов.

Маркировка Li-ion аккумуляторов

Для классификации размеров литиевых аккумуляторов используется простая система маркировки. Она содержит 5 цифр: начальные 2 из них обозначают диаметр элемента питания (в мм), следующие 2 – его длину (в мм), а завершающая – особенности формы (0 отображает цилиндрическую конструкцию). Перед 5-значным цифровым обозначением указывается буквенная маркировка. По ней можно расшифровать, какие химические вещества входят в состав конкретного аккумулятора:

• ICR – кобальтовые ячейки;
• IMR – модели с содержанием марганца;
• INR – ячейки с никелем и марганцем;
• NCR – аккумы с никеле-кобальтовым составом и оксидом алюминия в качестве изолятора.

Например, обозначение INR18650 на аккумуляторе означает, что мы имеем дело с цилиндрическим аккумулятором с никеле-марганцевой химией, имеющим Ø 18 мм и высоту 65 мм. У аккумуляторов, оснащенных платой защиты, фактическая длина составляет 66,5 мм.

Таблеточные литиевые аккумуляторы маркируются обозначением CRAABB, где AA отражает диаметр (в мм), а BB – значение высоты (в десятых долях миллиметра). Например, маркировка CR123 свидетельствует о том, что данный элемент питания имеет диаметр 12 мм и высоту 3 мм. У «плоских» накопителей энергии обозначение 3R12 геометрически идентично 3-м форматам R12 (устаревшие, уже не изготавливаются). Литиевые аккумы призматической формы производятся всевозможных размеров, в соответствии со своим назначением и запросами заказчиков.

Таблица размеров Li-ion аккумуляторов

Ниже приведены распространенные форматы литий-ионных аккумуляторов:

Маркировка

Ориентировочное значение емкости, мАч

Особенности, похожие форматы (по геометрии, но не электротехническим параметрам)

Геометрически равен 2/5 AAA.

Половина AAA – диаметр идентичен, а длина вдвое короче.