Ювелирное обозрение

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток разновидностей, каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Li-ion батареи

Литий-ионные аккумуляторы – это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

LTO батареи

Литий-титанат (титанат лития) – это относительно новый класс литий-ионных АКБ – (подробнее читайте тут). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

• Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
• Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
• Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
• Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
• Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
• Срок годности: >10 лет
• Саморазряд: 2-5 %/месяц
• Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
• Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
• Температура: от -40 до +55°C
• Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Li-Polymer батареи

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

• Номинальное напряжение: 3,7 В
• Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
• Ток заряда, скорость: 0.2-10С
• Предельное напряжение разряда: 2.5 В
• Скорость разряда: до 50С
• Выносливость в циклах: 400 циклов

LiFePO4 батареи

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Li-SO2 батареи

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) – эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

• Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
• Чрезвычайно низкий саморазряд
• Работоспособность в экстремальных условиях
• Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) – такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Очень стабильное напряжение разрядки
• Более чем 10-ти летний срок хранения
• Рабочая температура: -40 до +60°С

Li-SOCL2 батареи

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Долгий срок годности при хранении
• Широкий температурный диапазон
• Хорошая герметизация
• Стабильное разрядное напряжение

Li-FeS2 батареи

Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.

Типы литиевых батарей

Говоря о классификациях Li-аккумуляторов, в первую очередь стараются разделить их на классы в зависимости от основного активного вещества. Как правило, каждая такая категория разработок имеет собственную формулу и сокращенное название:

Сложные литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как NCA, изначально были популярны у создателей медицинского оборудования, силовых агрегатов, промышленных установок. Сегодня их активно включают в свои разработки и создатели электрического транспорта.. Данные элементы питания демонстрируют высокую энергоемкость наряду с показательной долговечностью, однако они не выбились еще пока в лидеры по причине своей высокой стоимости и сомнительной безопасности.

Особняком сегодня идут литий-кислородные аккумуляторы, противопоставляемые литий-воздушным. Их называют инновацией на рынке универсальных элементов питания. Это приспособления с небольшим весом, но высокой производительностью, которые базируются на использовании наночастиц, содержащих Li и O2. Эта разработка в одной из последних ее модификаций была избавлена от недостатка быстрой потери энергии, защищена от избыточного заряда, а также продемонстрировала хорошую устойчивость к влаге и внешним воздействиям.

Форматы и размеры литиевых аккумуляторов

В зависимости от конструкции электрода выделяют рулонные системы (скрученные вокруг пластины) и цилиндрические, составленные из набора элементов (традиционная основа призматических батарей). Рулоны просто собирать, но они максимально эффективны только там, где требуются малая емкость и мощность.

Цилиндрические батарейки оснащаются винтовыми борнами или стандартными контактными площадками (в качестве токовыводов). Среди мелкогабаритных наиболее распространены форматы аккумуляторов Li-ion 18650, напоминающие обычные пальчиковые батарейки.

В зависимости от конструкции корпуса различают цилиндрические, призматические устройства, а также оснащенные фольговой оболочкой.

В зависимости от конкретных задач, которые ставятся перед аккумуляторами, они могут принимать различные формы. Например, для электровелосипедов часто закупается литий ионный аккумулятор тип бутылка – его удобно монтировать на двухколесном транспортном средстве, встраивать в раму.

Размеры литий ионных батарей

Для определения формата аккумулятора литий-ион была разработана универсальная система маркировки АКБ. Каждый элемент питания, попадающий на рынок, обозначается буквенно-циферной комбинацией, в которую закладываются данные о его габаритах, составе, форме. Читать маркировку цилиндрических батарей следует таким образом:

1. первая пара цифр говорит о диаметре изделия, указанном в миллиметрах;
2. вторая пара цифр указывает на длину батареи;
3. последнее значение является ссылкой на форму элемента питания (в случае с наиболее распространенными цилиндрическими устройствами их форма будет обозначена как 0).

Литиевые источники питания требуются для многих электронных приборов. В статье будут рассмотрены распространенные ионно-литиевые батареи li-ion.

Состав литиумного источника питания

Литиевая батарейка основана на работе необратимо-окислительной реакции. Анодом выступает металлический литий, твердым катодом могут использоваться оксид марганца, дисульфид железа, оксид меди, из жидких стоит отметить оксид серы, тионилхлорид. При этом из окислителей применяется активный литий, эффективно отделяющий электроны.

Типы литиевых батареек

Одним из признаков классификации накопителей выступает вид основного активного вещества:

• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные источники (NCA)
• Литий-марганцевые АКБ
• Литий-кобальтовые АКБ.
• Литий-железо-фосфатные накопители
• Литий-титанатные источники
• Литий-полимерные аккумуляторы
• Батарейка литий-тионилхлоридная

Одним из важных показателей выбора аккумулятора является рабочее напряжение.

Рассмотрим лишь некоторые из них.

Литиевые батарейки 3В используют только в специально предназначенных гаджетах, их нельзя использовать в дистанционных пультах управления или обычных домашних часах.

Литиевая батарея 6В может применяться в источниках бесперебойного питания, детских машинках аккумуляторного типа и многих других.

Литиевая батарея 12 вольт применяется помимо установки в ИБП в автономных инструментах, например в шуруповерте.

Маркировка

Какая же должна быть маркировка у ионно-литиевых батарей? Согласно требованиям организации IEC на корпусе АКБ должны обозначаться следующие показатели:

1. Емкость литиумной батарейки
2. Размеры литиевых батареек
3. Состав
4. Класс
5. Напряжение

Обозначение литиевых батареек – сочетание букв «CR». Следующая цифра указывает типоразмер. Таблица ниже показывает их калибровку.

Наименование	Маркировка	Напряжение, В
Большие круглые, D	20	1,5
Малые круглые, С	14	1,5
Пальчиковые, АА	6	1,5
Микропальчиковые, ААА	03	1,5
«Крона», РР3	6/22	9,0

Зарядка накопителей энергии

У многих возникает вопрос, можно ли заряжать батарейки li-ion? Однозначно, перезаряжать можно только специально предназначенные элементы, так называемые аккумуляторные батареи.

Типовые разновидности аккумуляторных источников и какие аккумуляторы лучше?

Среди разновидностей аккумуляторов выделяют ионные (li-ion) и полимерные (li-pol) накопители. Подробнее сделать анализ поможет таблица сравнительной характеристики литиевых батареек.

Характеристики	Литий-ионные батареи	Литий-полимерные батареи
Особенности конструкции	Продуктивность зависит от размещения элементов внутри блока	Исключено присутствие жидкого электролита
Типоразмеры литиевых батареек	Небольшой набор вариантов	Широкий выбор вне зависимости от формата ячеек
Энергоемкость	Высокая	Низкая, количество перезарядов ниже
Вес	Незначительно выше	Низкий
Емкость	Не большая	В два раза больше при одинаковом объеме
Срок эксплуатации	Не имеет значительных отклонений	Не имеет значительных отклонений
Время зарядки	Продолжительное	Ощутимо меньше
Износ	Сравнимо выше	Ниже
Безопасность (риск возгорания)	Низкая (риск взрыва)	Выше (имеется встроенная защита)
Стоимость	Ниже	Выше

Сегодня полным ходом идет разработка новых литий-металлических элементов (li-metal) повышенной безопасности и с увеличенным сроком службы.

Литий-металлические батареи достаточно перспективны для замены li-ion и li-pol источников.

Особенности зарядки литий полимерного аккумулятора

Для поддержания постоянно полного объема источника питания необходимо проводить зарядку по графику, а именно, после разрядки через 500 часов эксплуатации оборудования.

Полимерная батарея чувствительна к механическим повреждениям, переохлаждению, а также к перепадам напряжения и перегрузкам, поэтому подключать аккумулятор стоит только к стабильной электросети.

Как восстановить литиевой накопитель

Срок службы литиевой батареи достаточно длителен, но рано или поздно она теряет первоначальную емкость. Поэтому многие озадачились вопросом восстановления аккумулятора.

Рассмотрим два способа восстановления накопителя.

Первый способ кажется сомнительным, но является самым простым и, со слов умельцев, часто срабатывает. Необходимо:

1. поместить источник питания в морозилку на 30-40 минут
2. после извлечения сразу поставить заряжаться на несколько минут
3. затем оставить для выравнивания температуры до комнатной
4. и только потом продолжить заряжать.

Контроллер часто прекращает блокировать работу элемента.

Второй способ стоит попробовать если стандартная зарядка и мероприятия с морозильной камерой не помогли. Суть метода заключается в отсоединении защитной платы согласно следующему порядку действий:

1. тестером измерьте напряжение АКБ (при нулевых показателях можете продолжать)
2. аккуратно отключите плату защиты
3. повторно измерьте напряжение (должно увеличиться максимум до 2,5В)
4. подключите к зарядке (с возможностью регулирования тока) и установите параметры тока 100 мА и напряжения 4,2В продолжительностью 10-15 минут
5. обязательно контролируйте напряжение (не должно подниматься выше 3,2В), при нагревании элемента срочно прекратите зарядку
6. после достижения необходимых показателей тока и напряжения верните плату на прежнее место и заряжайте при обычном режиме.

Сколько времени заряжать литиевые батарейки

Сейчас широко используются зарядные устройства с индикаторами уровня заряда, но если вы не располагаете подобным гаджетом, можете рассчитать необходимое время по следующей формуле:

T (время) = 1.4*Y(мА*ч)/X (мА), где 1,4 – коэффициент теплоотдачи.

Как проверить источник питания?

Проще и быстрее всего проверить заряд источника питания мультиметром.

Существует два способа проверки:

1. Проверка без нагрузки. При показателях от 1,35В и выше можно говорить о полной исправности элемента.
2. Проверка с нагрузкой позволяет точнее отбраковать накопители с низким напряжением. Для этого необходимо проводить измерение при функционирующем элементе питания.

Как заменить АКБ?

Замена слабых одноразовых источников питания сильно бьет по финансам. Поэтому многие задумываются о приобретении перезаряжаемых батареек. Наиболее подходящими для этих целей, несомненно, являются литиумные АКБ.

Особенной популярностью в поисковиках сети Интернет пользуются запросы о переходе старых модификаций шуруповертов на литиумные аккумуляторы. Для этих целей необходимо только подобрать подходящие для шуруповерта литиумные аналоги того же размера и напряжения.

Сколько стоит литиевая батарейка?

Одними из самых дешевых элементов являются дисковые батарейки литиевые. В простонародье называемые литиевые батарейки таблетки применяются для энергоснабжения часов, весов, процессоров и других гаджетов с небольшим энергопотреблением. Стоимость «таблеток» начинается от 10 рублей и ограничивается лишь аппетитами производителей и дистрибьюторов.

Высшую же планку сложно определить из-за огромного разнообразия. Но можно сказать однозначно, что, как и на все технологические новинки стоимость снижается благодаря повышению эффективности производства и увеличения количества производителей.

Производство батарей

Литиевые батареи большой емкости используются при производстве электромобилей. Благодаря повышенной популярности последних прогнозируется открытие большого количества фабрик по производству этих накопителей. По оценкам различных консалтинговых компаний скоро будет действовать около 26 подобных крупных заводов. Часть из них уже функционируют, запуск остальных планируется до 2021 года.

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;

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.

Защита

Чтобы литиевые батарейки работали стабильно и надежно было принято решение внедрить в их конструкцию специальную защитную плату. Вот от чего она защищает:

1. Сильного нагрева.
2. Перезаряда.
3. Замыкания.
4. Переразряда.

Она припаяна к клеймам полюсов. В нее встроен контроллер, который следит за состоянием заряда. В случае перезаряда более 4,25 V он отключит ее от ЗУ.

Как зарядить литиевые батарейки?

По сути батарейки зарядить нельзя особенно если на них есть надпись do not recharge. Если ваш элемент аккумуляторного типа, то подзаряд идет по следующей схеме.

Заряд происходит в 2 этапа.

1. Постоянным тока с параметрами 0.2-0.5 С. Буква «C» означает емкость. Так как в батарею встроена защитная плата напряжение на холостом ходу не должно быть более 7 вольт. Когда уровень напряжения поднимется до отметки в 4.2 V это означает что элемент питания подзарядился на 80%.
2. Подзарядка выполняется постоянным U. Показатель уровня тока должен быть снижающимся. ЗУ должно поддерживать напряжение на уровне 4,1-4.2 V. Так же оно регулирует ток, который постепенно падает. Когда он упадет до 0,05-0,01 C процесс зарядки можно завершить. На этом этапе аккумулятор полностью добирает емкость до 100%.

Желательно использовать зарядник с показателями напряжения.

Литиевые батарейки плохо переносят перезаряд поэтому их нужно вовремя отключить.

Где используются литиевые батарейки?

Область применения таких источников тока многообразна. Например, их можно поставить в будильник, пульт, электронные весы. Но лучше всего они проявят себя в устройствах с высоким энергопотреблением. Например, это фотоаппараты, вспышки, игрушки, медицинское оборудование, военной промышленности, компьютерной технике.

Плюсы и минусы литиевых батареек

Основное их преимущество заключается в том, что они могут иметь большую емкость при малых размерах.

Список плюсов

1. Неприхотливы в обслуживании.
2. При различных данных разрядного тока обеспечиваются стабильные параметры.
3. Устойчивы к температурным перепадам из-за отсутствия воды.
4. Постоянное напряжение.
5. Малый вес.
6. Высокая энергоемкость и энергоплотность.
7. Емкость не зависит от тока нагрузки, подходит для мощных устройств.
8. Длительное время хранения.

Основным недостатком данного накопителя тока является его стоимость. Зато длительное время не придется его менять.

Виды и типоразмеры литиевых элементов питания

В продаже можно встретить такие варианты:

Между собой они отличаются формой и могут быть цилиндрическими, квадратными или дискообразными.

Классификация Соединенных Штатов Америки

• FR6 (AA).CR. Плоские таблеточные элементы.
• FR03 (AAA).
• CR-V9 (Lithium PP3). Девяти вольтовая батарейка крона.
• CR2 и CR123. Выполняются в виде круглых бочонков.

Некоторые параметры можно обнаружить на корпусе устройства. Например, это может быть напряжение, емкость, класс, год производства.

Отличие литиевых батареек от солевых и щелочных

• Щелочные служат до 3-5 лет. Среди этих 3-х видов они являются твердыми средниками. Иначе их называют алкалиновыми. Они отлично себя зарекомендовали в пультах, игрушках, фонариках, радиоприемниках и других мало мощных приборах.
• Литиевые батарейки работают дольше солевых и щелочных. Они отлично подходят для фото аппаратуры, медицинского оборудования.
• Солевые являются самыми дешевыми, но и самыми слабыми. Могут храниться около 3-х лет. Отлично подходят для пультов, фонарей, игрушек, калькуляторов, таймеров, весов.

В основном выше перечисленные батарейки между собой отличаются сроком службы и емкостью.

Правила безопасности

• Не следует припаивать провод к контактам.
• Транспортировка литиевой батарейки осуществляется в специальном контейнере/футляре.
• Не нужно держать ее на солнце.
• Запрещается класть батарею в карман с металлическими предметами.

Устройство литиевой батарейки

По конструкции выделяют 2 варианта:

Спиральные элементы обладают масштабной поверхностью лития. При импульсном токе они отдают до 4 А, а при постоянном до 0,1-1,8. За год данные элементы питания теряют 10% своей емкости от исходной. В торговых точках можно встретить призматические, в форме таблеток или круглые батареи подобного типа.

Основные крупные производители:

Бобинные источники тока могут проработать целых 20 лет. Используются в устройствах с током потребления не более 150 mA.