Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion Battery) может быть и необычайно полезен за счёт непревзойдённых преимуществ, и одновременно вреден в некоторых применениях или даже опасен в силу своих недостатков. С годами технология совершенствуется, количество минусов сокращается, а плюсы становятся всё более доступными.
Как извлечь максимальную пользу из технологии Li-Ion?
Например, при переводе электроники с никелевых батарей на литиевые. Следует хорошо разбираться в сильных и слабых сторонах технологии с учётом всех изменений и улучшений за последнее время. Этим особенностям мы посвятили подробное описание плюсов и минусов Li-Ion.
Плюсы литий-ионных аккумуляторов
Смартфоны, ноутбуки, смарт-часы, электромобили — всё это лишь небольшая часть рынка, который всё сильнее впадает в зависимость от преимуществ литий-ионных аккумуляторов. Эта технология находит тем больше применений, чем доступнее она становится. Поэтому в Li-Ion вкладывается огромное количество разработок.
1. Плотность энергии — высокая
Высокая плотность энергии позволяет электронному оборудованию (смартфонам, ноутбукам, электромобилям) работать дольше без подзарядки при скромных размерах элемента питания. Чем больше требуется энергии устройству, тем выше должна быть плотность энергии в аккумуляторе.
Например, электроинструменты и электромобили обладают значительно большей высокой удельной мощностью, чем смартфоны. Литий-ионные аккумуляторы идеально подходят для такого рода задач, что является их главным преимуществом как раз за счёт высокой плотности энергии.
2. Саморазряд — низкий (едва заметный)
Ключевая проблема аккумуляторных батарей — потеря заряда без использования (саморазряд). Литий-ионные элементы обладают едва заметной скоростью саморазряда.
Они теряют намного меньше энергии, чем другие перезаряжаемые элементы (например, Ni-Cd и NiMH). Принято считать, что у Li-Ion саморазряд составляет 5% в первые 4 часа после зарядки и затем снижается до 1-2% в месяц.
3. Напряжение — 3,6 В (одного элемента достаточно)
Напряжение каждого элемента литий-ионного аккумулятора составляет около 3,6 вольт. В этом есть несколько преимуществ.
Это дешевле, проще и безопаснее в эксплуатации. Так, например, для смартфонов достаточно одной ячейки. Однако в некоторых моделях производители применяют две ячейки литий-ионного аккумулятора.
Для чего? Для быстрой зарядки — двойной аккумулятор безопаснее и быстрее зарядить чем одинарный той же ёмкости. Но это усложняет управление питанием и удорожает конструкцию. И даже с этим набором недостатков, литий-ионная технология здесь всё равно выгоднее, чем применять ещё большее число ячеек вдвое меньшего напряжения.
4. Нагрузка — держит 3,6 В стабильно до разрядки
Нагрузочные характеристики литий-ионного аккумулятора отличаются стабильной работой с момента зарядки до момента полного разряда. Это хорошие показатели на фоне всех конкурирующих технологий.
Это значит, что напряжение 3,6 В на элемент постоянное.
Изменения, конечно, есть. Напряжение снижается непосредственно перед тем, как батарея полностью разрядится. Производители могут рассчитывать на стабильность этой характеристики. Чего сказать про другие типы элементов питания нельзя.
5. Применимость — масштабная (по видам продукции)
Существует несколько типов литий-ионных элементов. Преимущество пригодилось для придания батарее особых свойств в её назначении.
- • Так, например, одни варианты обеспечивают высокую плотность тока и идеально подходят для длительной работы бытовых приборов и гаджетов.
- • Другие способны обеспечивать гораздо более высокие уровни тока, благодаря чему идеально подходят для электроинструментов.
- • Третьи отличаются высокой безопасностью и долгим сроком службы, что по достоинству оценили производители электромобилей.
6. Обслуживание — не требуется
Одно из преимуществ литий-ионных батарей заключается в отсутствии особых потребностей. Например, в обслуживании. Аккумуляторы поставляются в рабочем состоянии и готовы к работе сразу же из коробки.
Внимание! Вы можете лишь продлить срок службы батареи за счёт некоторых манипуляций.
Так, например, сразу после покупки нового аккумулятора Li-Ion не спешите его разряжать. Рекомендуется полностью зарядить и лишь затем разрядить до отключения, после вновь зарядить до 100%. Так батарея набирает ёмкость, а контроллер устройства «обучается» правильной индикации.
7. Эксплуатация — без расходов
Раз не требуется никакое особое обслуживание, то нет и затрат на эксплуатацию, проверки, тестирование. Одно из преимуществ литий-ионных батарей — никакого активного ухода, заправки или технического поддержания работоспособности.
Например, никель-кадмиевые элементы нужно периодически разряжать, чтобы не проявился эффект памяти прошлой зарядки. Точно так же свинцово-кислотные элементы испытывают потребность в техническом обслуживании. Некоторые из них периодически заправляют аккумуляторной кислотой.
Минусы литий-ионного аккумулятора
Как и в случае использования любой другой технологии, у литий-ионного аккумулятора имеются существенные недостатки. Сопоставьте их с преимуществами, чтобы точно представлять себе ограничения в применении.
1. Безопасность — требуется защита
Главный минус литий-ионного аккумулятора — ненадёжность в сравнении с другими аккумуляторными технологиями.
Чтобы снизить риски и гарантировать безопасность, производители разработали варианты защиты от:
- • чрезмерного заряда,
- • слишком сильного разряда,
- • короткого замыкания,
- • небезопасных пределов тока и так далее.
Полный список опасных проявлений, от которых литий-ионной батареи требуется защита, мы составили отдельно.
Современные интегральные схемы позволяют относительно легко встроить в батарею или в оборудование (когда батарея не взаимозаменяема) систему управления — контроллер. Он делает литий-ионные батареи безопасными и допускает использование элементов без каких-либо специальных знаний.
Например, вы можете оставить смартфон на зарядке на ночь или даже на все выходные — ничего страшного не случится, так как зарядное устройство вовремя отключит питание.
Схема защиты, встроенная в литий-ионную батарею, контролирует ряд аспектов её работы:
- - ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки, поскольку чрезмерное напряжение может повредить их;
- - в многоэлементных аккумуляторах ячейки заряжаются последовательно через один разъём питания так, чтобы ни одна ячейка не испытывала напряжение выше требуемого (разные элементы могут требовать разного уровня заряда и существует вероятность, что кто-то перезарядится);
- - предотвращается слишком низкое падение напряжения элемента при разряде (глубокий разряд);
- - пресекается ситуация, когда одна ячейка хранит меньше заряда, чем другие, в аккумуляторе (скажем, у шуруповёрта);
- - ещё одним аспектом схемы защиты является температура (ячейка может переохладиться или перегреться).
Максимальный ток заряда и разряда для большинства аккумуляторов ограничен повышением температуры на 1-2°C. Тем не менее, некоторые из них немного нагреваются при быстрой зарядке.
2. Ограниченный срок службы — 500-1000 циклов
Износ — это один из самых неприятных недостатков литий-ионных батарей. Количество циклов зарядки и разрядки ограничено 500-1000 циклами, после которых ёмкость снижается, а деградация усиливается.
Узнайте, от чего зависит число циклов до момента критического износа.
Ёмкость упадет в любом случае. При интенсивном использовании раньше. При бережном — позже. С развитием литий-ионной технологии эта цифра увеличивается, но рано или поздно без замены не обойтись. И это может быть проблемой, если аккумулятор встроен в оборудование.
3. Старение — даже если не используется
Помимо износа при эксплуатации аккумулятор подвержен старению даже когда не используется. Причина в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих внутри него без остановки.
Если вы планируете долгое время хранить аккумулятор без использования, то следует частично зарядить его. В различной документации указан диапазон заряда между 40% и 50%. Оптимально сухое, тёмное место с температурой не выше +22°C и не ниже +5°C. Хранение в этих условиях поможет продлить срок службы.
4. Транспортировка — затруднена
В последние годы многие авиакомпании ограничивают количество принимаемых литий-ионных батарей. Их перевозка ограничена на законодательном уровне. Даже мы в Neovolt пострадали из-за проблем в логистике крупных перевозчиков.
Любые литий-ионные батареи, переносимые отдельно, должны быть определённой ёмкости, по возможности извлечены из устройства, защищены от короткого замыкания защитными крышками и так далее. Например, большие Li-Ion аккумуляторы (как в ИБП) вовсе нельзя перевезти авиатранспортом. Перед полетом проверяйте, можно ли носить с собой большой повербанк.
Иногда требования туманны, и по факту вам предстоит выбор:
- • лететь самолётом и выбросить аккумулятор в аэропорту,
- • либо отказаться от перелёта и выбрать другой транспорт.
5. Стоимость — высокая
Себестоимость литий-ионного аккумулятора на производстве примерно на 40% выше, чем у никель-кадмиевых элементов. При разработке массовых потребительских товаров любые дополнительные расходы являются серьёзной проблемой.
6. Завершённость технологии — незрелая
Li-Ion уже много лет на рынке, и это всё ещё незрелая технология. Она принадлежит к развивающейся области инвестирования и разработок. С одной стороны это недостаток.
Мы получаем незаконченный продукт, который много лет никто не может усовершенствовать и довести до значительного прогресса.
С другой стороны, новые литий-ионные технологии разрабатываются постоянно. Может ли это быть преимуществом? Если появляются более совершенные решения, то может, но пока таких по пальцам пересчитать.
***
Любопытно, что преимущества и недостатки литий-ионной батареи встречаются на одном поле игры:
- • с одной стороны технология используется повсеместно, но она ещё недостаточно развита;
- • в плюсах она легко приспосабливается под разные устройства, но в минусах опасна при определённых условиях эксплуатации;
- • нет саморазряда и каких-то сложностей в применении, но стареет даже если не используется;
- • защищена со всех сторон и в принципе безопасна, но запрещена к перевозке авиатранспортом.
Так сложилось, что сейчас производители смартфонов, ноутбуков, электромобилей и других устройств, где применяется Li-Ion научились использовать преимущества технологии. Они максимально избавляются от её недостатков и стремятся повлиять на ограничения.
Тем самым у нас с вами появилась возможность пользоваться аккумуляторами литий-ионного типа, не опасаясь за свою жизнь и работоспособность электроники.
