Secondary li ion battery что такое
secondary lithium battery
3.6 литиевая аккумуляторная батарея (secondary lithium battery): Батарея, готовая к использованию, состоящая из одного или более литиевых аккумуляторов, соответствующего корпуса, соединительных выводов и которая может включать в себя электронное контрольное устройство.
Смотреть что такое «secondary lithium battery» в других словарях:
Nickel–lithium battery — The nickel–lithium battery, also known as Ni–Li, is an experimental battery using a nickel hydroxide cathode and lithium anode. The two metals cannot normally be used together in a battery, as there are no electrolytes compatible with both. The… … Wikipedia
Battery (electricity) — For other uses, see Battery (disambiguation). Various cells and batteries (top left to bottom right): two AA, one D, one handheld ham radio battery, two 9 volt (PP3), two AAA, one C, one … Wikipedia
Lithium-ion battery — Batteries caption=Lithium ion battery of Varta, Museum Autovision, Altlußheim, Germany EtoW=160 Wh/kg EtoS=270 Wh/l PtoW=1800 W/kg CtoDE=99.9% [Cite web | title = BatteryUniversity.com: Charging lithium ion batteries | first = Isidor | last =… … Wikipedia
Battery charger — This unit charges the batteries until they reach a specific voltage and then it trickle charges the batteries until it is disconnected … Wikipedia
battery — /bat euh ree/, n., pl. batteries. 1. Elect. a. Also called galvanic battery, voltaic battery. a combination of two or more cells electrically connected to work together to produce electric energy. b. cell (def. 7a). 2. any large group or series… … Universalium
Battery — /bat euh ree/, n. The, a park at the S end of Manhattan, in New York City. Also called Battery Park. * * * Any of a class of devices, consisting of a group of electrochemical cells (see electrochemistry), that convert chemical energy into… … Universalium
Rechargeable battery — A rechargeable lithium polymer Nokia mobile phone battery … Wikipedia
Zinc–air battery — specific energy 470 (practical),1370 (theoretical) Wh/kg[1][2] (1.692, 4.932 MJ/kg) energy density 1480 9780 Wh/L[c … Wikipedia
Nickel–metal hydride battery — NiMH redirects here. For other uses, see NIMH (disambiguation). Nickel–metal hydride battery Modern, high capacity NiMH rechargeable cells specific energy 60–120 W·h/kg[1] … Wikipedia
History of the battery — could only function in a certain orientation. Many used glass jars to hold their components, which made them fragile. These practical flaws made them unsuitable for portable appliances. Near the end of the 19th century, the invention of dry cell… … Wikipedia
За последний десяток лет литий-ионные аккумуляторы из дорогостоящей экзотики перешли в разряд самых распространенных источников автономного питания. Неудивительно, что они стали популярными и в руках самодельщиков, в том числе и начинающих. Иногда от технических решений в их творениях волосы становятся дыбом – ведь особенностью аккумуляторов данного типа является их повышенная опасность, в первую очередь – пожарная. Мой рассказ о том, как правильно «готовить» эту «рыбу фугу», чтобы никто не сгорел и не взорвался.
Предыдущая статья на «взрывную» тему здесь.
Принцип работы литий-ионнного аккумулятора.
Знаете, почему нельзя заряжать обычные батарейки? Казалось бы, при протекании тока в зарядном направлении, на электродах будут идти процессы «в обратном порядке»: на отрицательном электроде будет осаждаться цинк, а на положительном – активная масса, бывшая когда-то двуокисью марганца и отдавшая свой кислород, будет снова окисляться, вновь превращаясь в свежую MnO2. Но все портит то, что одновременно с этими процессами разлагается и вода в электролите. Выделяющиеся газы раздувают корпус батарейки и выдавливают электролит наружу с печальными последствиями для аппаратуры.
В этом направлении работали и за рубежом, и кое-чего даже добились, применяя механически более прочные керамические сепараторы, особые методы заряда, специальные добавки в электролит. Но все равно опасность дендритообразования сохранялась – слишком опасным был такой аккумулятор для его практического применения, если превышал размеры и емкость крохотной часовой батарейки-таблетки.
Прорыв принесли два открытия. Первое – это обнаружение способности некоторых сложных оксидов и сульфидов, содержащих литий, отдавать и поглощать обратно ионы лития на катоде. Второе – способность соединений слоистой структуры (графит, дисульфид молибдена) обратимо поглощать в межслоевое пространство значительные количества лития (вплоть до соединения состава LiC6), захватывая его атомы немедленно после разрядки ионов Li + на аноде и предотвращая его выделение в металлической форме, а значит, предотвращая образование дендритов. За эти открытия и изобретение литий-ионного аккумулятора в прошлом году была присуждена Нобелевская премия. Ее лауреаты – М.С. Уиттингем, первооткрыватель явления интеркаляции лития в дисульфиды титана и молибдена, впервые предложивший использовать это явление в аккумуляторах, Дж. Гуденаф, исследовавший обратимость поглощения и выделения ионов лития кобальтитом лития на катоде, и собственно, изобретатель литий-ионного аккумулятора Акира Ёсино.
Принцип работы литий-ионного аккумулятора Акиры Ёсино, изобретенного им в 1991 году, состоит в следующем. Однозарядные катионы лития – это практически единственный ион, переносящий ток в органическом неводном электролите. Противоионом является громоздкая и малоподвижная молекулярная «конструкция», обладающая отрицательным зарядом.
Ион Li+ при зарядке аккумулятора разряжается на поверхности графитового анода, превращаясь в нейтральный атом лития. Этот атом немедленно вступает поглощается графитом, проникая между слоями его кристаллической решетки. Образуется графитид лития – так называемый интеркалят или соединение внедрения. По своим химическим свойствам это сильный и активный восстановитель.
Одновременно с этим, кобальтит лития на катоде поставляет в раствор ионы лития, а сам при этом, теряя литий, все больше по составу приближается к двуокиси кобальта, в результате чего становясь сильным и активным окислителем.
Разность электрохимических потенциалов между этими окислителем и восстановителем равна ЭДС литий-ионного аккумулятора.
При разряде происходят обратные процессы. Литий, покидая межслоевое пространство на аноде, отдает во внешнюю цепь электрон и приобретает заряд, становясь катионом, а графитид лития – просто графитом. На катоде эти катионы возвращается в вакансии кристаллической решетки кобальтита лития, который теряет свои окислительные свойства, принимая электрон во внешнюю цепь.
Из-за отсутствия побочных процессов данная электрохимическая система обладает весьма высокой степенью обратимости и по этой причине характеризуется прекрасным КПД.
Литий-полимерные аккумуляторы не являются, как многие думают, каким-то отдельным видом аккумуляторов. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный на полимерной основе, а все электрохимические процессы в них ничем не отличаются. Отсутствие (вернее, минимальное количество) жидкого электролита позволяет придавать им практически любую форму и вместо прочного металлического корпуса помещать их в корпуса из полимерной пленки в виде запаянного пакетика, что помимо прочего повышает плотность хранения энергии.
Существуют также разновидности литий-ионных аккумуляторов с различными электрохимическими системами, такие, как литий-железофосфатные и литий-титанатные. Принцип действия у них тот же самый, но иные материалы катодной массы и, соответственно, другие напряжения. Удельная емкость этих аккумуляторов ниже, чем у классической кобальтовой литий-ионной системы, но они превосходят их по сроку службы, способности отдавать ток при низких температурах и, по утверждению производителей – по безопасности.
Собственно, безопасность – едва ли не основная «беда» литий-ионных аккумуляторов.
Скрытая угроза
Увы, «укротив» литий, Акира Ёсино не сделал этого огненного льва безобидным мышонком. Да и как можно ожидать полной безопасности от устройства, в котором, повторюсь, сильный и активный окислитель соседствует с столь же сильным и активным восстановителем и разделяют их лишь несколько десятков микрон пористой полимерной пленки-сепаратора? Стоит этой пленке где-нибудь прохудиться, допустив короткое замыкание, лавинообразный процесс саморазогрева и саморазрушения уже не остановить. Содержимое аккумулятора превращается во взрывчатую смесь горючего и окислителя. И эту смесь уже подожгли.
То, что литий-ионные аккумуляторы обычно не взрываются, обусловлено множеством предосторожностей, которые соблюдаются при их эксплуатации. Соблюдаются не силами пользователя – за этим следят автоматические электронные устройства. Там, где применяется литий-ионный аккумулятор, нет места простейшим зарядным устройствам из мира «свинца» и «никель-кадмия». Зарядное устройство обязано быть «умным». Процесс заряда литий-ионного аккумулятора многостадийный, требует строгого выдерживания параметров и должен быть вовремя завершен, и перекладывать ответственность за это на пользователя категорически недопустимо, так как его забывчивость в таком случае может привести к пожару или взрыву.
Дело в том, что отсутствие побочных процессов в литий-ионном аккумуляторе не абсолютно. Для того, чтобы их не было, нужно не выйти за определенную «безопасную» территорию. Так, при напряжении выше 4,2..4,5 В или при слишком большом токе заряда графит уже не успевает «впитать» литий, и он образует металлическую фазу. То же происходит, если графит теряет активную поверхность, что происходит, например, из-за переразряда. Как только на поверхности появляется металл, он начинает образовывать дендриты и… можно вызывать пожарных. Наконец, перенапряжение может вызвать электролиз компонентов электролита (в том числе и неконтролируемых примесей) и выделение газов, давление которых может нарушить герметичность аккумулятора, что также чревато пожаром – соединение внедрения лития в графит самовоспламеняется на воздухе.
Опасна и перегрузка при разряде. Перегрев разрядным током может вызвать вскипание или термическое разложение электролита, выделение кислорода из катодной активной массы, повреждение сепаратора. Результат тот же: КЗ и пожар. К тому же эффекту приведет и механическое повреждение аккумулятора.
Является «правилом хорошего тона» не полагаться на надежность зарядного устройства. В абсолютном большинстве промышленно выпускающихся устройств (за исключением «маргинальных» случаев вроде электронных сигарет и авиамоделей), содержащих литий-ионные аккумуляторы, независимо от контроллера, на который возложены функции заряда, имеется еще один контроллер, выполняющий функции защиты. В простейшем своем варианте (например, на микросхеме DW01A, являющейся основой плат защиты почти всех китайских аккумуляторов), он отключает аккумулятор при перезаряде (превышении допустимого напряжения), переразряде, слишком большом зарядном и разрядном токе, перегреве. В более сложных случаях к этим базовым функциям добавляется балансировка батареи (если она состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно), контроль за ее «здоровьем», подсчет ампер-часов при заряде и разряде (что позволяет определить оставшийся процент заряда гораздо точнее, чем при простом измерении напряжения) и другие функции. Данный контроллер – его называют Battery management system (BMS) или просто «платой защиты», как правило, является неотделимой частью аккумуляторной батареи, находясь с ней в одном корпусе и будучи наглухо припаянным к его выводам.
Есть еще третья ступень защиты. Это механическое устройство, разрывающее цепь при повышении давления или температуры внутри «банки» аккумулятора. К сожалению, оно – не панацея, так как во многих случаях нагрев и газовыделение начинаются уже после того, как возгорание батареи уже нельзя остановить.
Видео и фотографии взрывов и возгораний литий-ионных аккумуляторов в сети можно найти много. Надеюсь, они убедят вас, что все более чем серьезно.
Заряжаем и разряжаем правильно
А теперь разберемся с тем, как правильно заряжать эти опасные литий-ионные аккумуляторы, чтобы они не были так опасны.
Общепринятым, рекомендуемым всеми производителями литий-ионных аккумуляторов, является алгоритм CC-CV. Это означает, что начинается заряд стабилизированным током, а при достижении определенного напряжения далее оно стабилизируется на этом уровне. Этот метод близок к методу заряда свинцовых аккумуляторов, отличаясь от него лишь режимом.
Для большинства стандартных литий-ионных аккумуляторов напряжение перехода от стадии CC к стадии CV при комнатной температуре – 4,20 В. Некоторые старые аккумуляторы с анодом на основе каменноугольного кокса следует заряжать лишь до 4,10 В, тогда как в последнее время все чаще встречаются «высоковольтные» аккумуляторы, которые допускают заряд до 4,35 и даже 4,45 В. Небольшое превышение этого напряжения вызывает резкое сокращение срока службы, а более значительное превышение приводит к возгораниям и взрывам. Требуемая точность установки порогового напряжения для стандартных аккумуляторов составляет ±50 мВ, а у «высоковольтных» тем выше, чем выше напряжение, вплоть до ±5 мВ при пороговом напряжении 4,45 В. Разумеется, пониженное напряжение приводит лишь к снижению доступной емкости, а вот повышение напряжения недопустимо ни при каких случаях.
Стандартным током заряда считается 0,5С и большинство аккумуляторов без ущерба позволяют заряжать их током до 1С, а некоторые допускают и более высокие токи при условии недопущения перегрева. С здесь – ток в амперах, численно равный емкости в ампер-часах. Но таким током нельзя заряжать глубоко разряженные аккумуляторы, напряжение на клеммах которых снизилось ниже 2,9-3,0 В. В этом случае необходима стадия предварительной зарядки (precharge) – аккумулятор заряжается током 0,05-0,1С, пока напряжение не достигнет трех вольт. А вот слишком глубоко разряженные аккумуляторы заряжать нельзя вообще. Зарядное устройство должно не допускать зарядки аккумулятора, если напряжение на его клеммах снизилось ниже 2,5 В. При таком глубоком разряде аккумулятор обычно сильно теряет в емкости, но это еще полбеды: его заряд сопряжен с опасностью металлизации лития и возгорания. Кстати, «высоковольтные» аккумуляторы более чувствительны к глубокому разряду, и не следует допускать их разряда ниже 2,75 В.
На стадии CV ток снижается по экспоненте. На этой стадии аккумулятор не должен оставаться до бесконечности. Заряд должен быть автоматически прекращен после снижения тока до 0,05-0,1С.
Как крайний случай, можно заряжать литий-ионные аккумуляторы током 0,1С до достижения 4,10..4,15 В с последующей отсечкой. Но, по некоторым данным, предположительно, такой режим плохо сказывается на токоотдаче и сроке службы аккумуляторов.
Балансировка
Процесс заряда осложняется, если мы имеем дело с батареей из последовательно соединенных элементов. Дело в том, что двух одинаковых аккумуляторов не бывает. Если емкость одного из них будет чуть больше, а другого – чуть меньше, напряжение на последнем будет расти быстрее, чем на первом. В таком случае, если мы будем заряжать батарею до 8,40 В, этот аккумулятор окажется в итоге немного перезаряженным. Со временем эти небольшие перезаряды приведут к более быстрому износу, а значит, напряжение на этом аккумуляторе будет завышаться с каждым разом все сильнее. Возникает «снежный ком» нарастающей разбалансировки батареи, который может закончиться взрывом.
Чтобы этого не допустить, необходимо контролировать напряжение не только всей батареи, но и каждого элемента в отдельности, не допуская превышения напряжений каждого из них. Обычно применяются те или иные схемы балансировки, шунтирующие «опережающие» элементы во время заряда, когда те достигают максимального напряжения. Это так называемые пассивные схемы балансировки. Очевидно, при их работе часть энергии рассеивается в виде тепла, что существенно снижает КПД зарядки и ухудшает тепловые условия внутри аккумуляторной сборки. Более эффективными и лучше использующими емкость являются методы активной балансировки, обеспечивающие перекачку энергии с клемм уже зарядившейся «банки» к еще недозаряженным.
Активная балансировочная схема на LTC3300-1 (Рыкованов А. Системы баланса Li-ion аккумуляторных батарей // Силовая электроника. 2009.№1
В настоящее время распространение получили интеллектуальные системы балансировки, лучше использующие емкость аккумуляторов за счет компромиссного распределения зарядного тока, которое определяется реальными емкостями каждого из элементов, измеренными в предыдущих циклах.
Как обращаться, хранить, куда девать остатки
Исходя из вышесказанного, обращаться с литий-ионными аккумуляторами следует с осторожностью. Опасность возгорания и взрыва возникает при неправильном заряде, коротком замыкании и механических повреждениях. Последнее особенно актуально для литий-полимерных аккумуляторов, лишенных прочного защитного корпуса. Случайно или намеренно проколов или разорвав пленку, защищающую аккумулятор, вы можете уже через 10-15 секунд получить у себя в руках ослепительный красный огонь. Это же может случиться при изгибе и сдавливании аккумулятора, а в особенности, если каким-либо инструментом проткнуть его насквозь. Такое случается при попытках извлечь аккумулятор, приклеенный на двусторонний скотч, из мобильного телефона для его замены на новый. Риск снижается при извлечении разряженного аккумулятора, поэтому это следует сделать перед началом работы. По этой же причине, а также по причине того, что при замыкании он может выдать десятки, если не сотни ампер тока, хранить такие аккумуляторы следует надежно и аккуратно упакованными, а не в куче радиохлама.
Вообще перед хранением эти аккумуляторы следует довести до уровня заряда 30-50%. Хранить их следует при комнатной температуре. А то некоторые «специалисты» утверждают, что их нужно держать в холодильнике. Не нужно. А вот старые, убитые и особенно вздувшиеся аккумуляторы хранить ни в коем случае нельзя, от них нужно избавиться как можно скорее, так как они непредсказуемы и могут в любой момент стать причиной пожара.
Руководство по перезаряжаемым литиевым аккумуляторам для начинающих
Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты – поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.
Так много типов!
Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.
Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.
Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов – многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.
Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.
Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.
Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения – это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.
Уважайте границы
Ошибка может привести к неприятным результатам
По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-за чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла – аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.
При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.
Работа с аккумуляторами
В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO4 и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения – будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.
Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип
Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество – от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.
Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.
Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача – балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.
Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки – отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.
Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное – использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.