Глава 4 ЛИТИЙ-ИОННЫЕ И ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ

Серия	Срок служ­бы, не ме­нее, лет	Наличие уравни­теля	Напряжение заряда при работе в буфер­ном режиме, В	Напряжение за­ряда при работе в циклическом режиме, В	Примечание
6-GFM	5	нет	13,44	14,1	Батарея из 6 элем
6-GFM(C)	10	нет	13,44	14,1	Батарея из 6 элем
GFM(Z)	15	да	2,25	2,37	Аккумулятор

В батареях COSLIGHT серии GFM(Z) впервые применены уравнители зарядного напряжения. Как было отмечено выше, одной из главных причин выхода аккумуляторной батареи из строя, особенно по мере ее старения, являются различия в ха­рактеристиках ее элементов, которые по мере старения стано­вятся еще ярче выраженными. Для выравнивания зарядного на­пряжения на элементах батареи используется специальная элек­тронная схема, которая обеспечивает мониторинг напряжения на них. Если оно превысит значение 2,19 В (при температуре 25 °С), схема включит шунт для данного элемента. В результате лишняя энергия будет рассеиваться на резисторах шунта в виде тепла. Однако назвать это решение эффективным нельзя: «под­саживать» исправные элементы в угоду неисправным — не луч­шее решение, скорее рекламный трюк, рассчитанный на недо­статочно подготовленный персонал.

4.1. Особенности устройства литий-ионных аккумуляторных батарей

Первые эксперименты с литиевыми батареями были начаты еще в 1912 г. группой ученых под руководством Дж. Н. Льюиса (G.N. Lewis), но только в начале 1970-х годов появились первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать ли­тиевые аккумуляторные батареи вплоть до 1980-х годов заканчи­вались неудачами. Это было связано с проблемами их безопас­ности.

Литий — самый легкий из металлов. Он имеет превосходный электрохимический потенциал и обеспечивает наилучшую энер­гетическую плотность на единицу массы. В литиевых аккумуля­торных батареях применялись отрицательные пластины из ме­таллического лития. Такие батареи обладали более высоким на­пряжением на каждом элементе и высокой емкостью по сравнению с батареями других типов.

После многочисленных испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых батарей «закручена» вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процес­сы, происходившие при старении и износе электродов, в конце концов, нарушали температурную стабильность химических про­цессов, происходивших внутри аккумуляторной батареи. В резу­льтате температура элемента достигала точки плавления лития, и происходила бурная реакция, получившая название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых батарей, которые впер­вые применили в качестве источника питания мобильных теле­фонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток мак-

90

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

91

симален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламе- | ни, обжигавшего лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за присущей металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумуляторной батареи без его применения, но с ис­пользованием его ионов. Хотя литий-ионные батареи обеспечи­вают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые батареи, тем не менее они безопасны при соблюдении правильных режимов заряда и разряда.

В 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерче­ский выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. За ней по­следовали и другие компании. В настоящее время производство литий-ионных аккумуляторных батарей представляет собой бы­строрастущий и многообещающий сегмент рынка.

Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза : превышает энергетическую плотность стандартных никель-кад­миевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором ак- тивных материалов электродов, в перспективе позволит увели­чить это соотношение до трех раз.

Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на на­грузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они не­требовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов. У них от­сутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок служ­бы. И, наконец, саморазряд литий-ионных батарей, который вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидрид-ных батарей, делает их незаменимыми при использовании во многих приложениях.

Высокое напряжение на элементе батареи позволяет произ­водителям выпускать аккумуляторные источники питания, со­стоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники испо­льзуются во многих моделях современных мобильных телефо­нов, а простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.

В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных бата-

Фото 4.1

реях Sony в качестве материала отрицательных пластин приме­нялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 г. в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита. Графи­товые пластины позволяют обеспечить более плоскую характе­ристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графи­товыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда, они меньше нагреваются и обладают меньшим самораз­рядом. На рис. 4.1 показано устройство литий-ионного аккуму­лятора в цилиндрическом корпусе.

В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то ли-тие-марганцевые пластины значительно безопасней и «проща­ют» ошибки при эксплуатации. Небольшие призматические ли-

92

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

93

Рис. 4.1. Устройство литий-ионного аккумулятора

тий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопре-дохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство уде^ шевляет применение упрощенной схемы защиты, более шикая стоимость сырья, чем для производства батареи с литие-кобаль товыми пластинами.

При заряде литий-ионных батарей протекают реакции:

• на положительных пластинах:

LiCoO₂ -> Li_1-x CoO₂ + xLi⁺ + хе^-;

• на отрицательных пластинах:

С + xLi⁺ + хе' -> CLi_x. При разряде протекают обратные реакции. Процесс заряда

иллюстрирует рис. 4.2. _к

Что касается экологической безопасности, литий-ионные ба тареи значительно безопаснее аккумуляторных батареи на осно­ве свинца или кадмия. А среди литий-ионных батареи наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.

Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальныx схем защиты для обеспечения безопасной работы. Схема защи ты, встроенная в корпус батареи, ограничивает пиковое напря­жение на каждом элементе в процессе заряда и предупреждает падение напряжения ниже допустимого значения при разряде.

Рис. 4.2. Процесс заряда литий-ионного аккумулятора

Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи, обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают об­разование металлического лития при перезаряде, опасность вен­тиляции с выбросом пламе,ни или взрыва.

Большинству типов литий-ионных батарей свойственно ста­рение. По неизвестным причинам производители батарей ин­формацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пи­шут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не исполь­зовалась. Через 2—3 года батареи чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химиче­ские процессы, приводящие батареи в негодное состояние.

Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других ти­пов. Производители рекомендуют хранить батареи при темпера­туре 15 °С. При этом батареи должны быть подзаряжены.

Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации (т. е. их следует периодически переворачи­вать). При покупке батареи потребитель должен быть преду­прежден производителем о сроке ее замены. К сожалению, ин­формация о дате выпуска часто кодируется среди цифр серийно­го номера или отдельно, что не позволяет конечному

94

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

95

потребителю определить дату выпуска без использования спра­вочной литературы.

Производители постоянно работают над улучшением качест­ва литий-ионных аккумуляторных батарей. Примерно каждые полгода они используют новые или улучшенные химические со­ставы. При таких темпах сложно, а подчас и невозможно усле­дить за данными об изменениях в сроке хранения и эксплуата­ции.

Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилинд­рические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматиче­ские литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндри­ческих. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (то­ньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.

Преимущества литий-ионных аккумуляторных батарей:

• 
  высокая энергетическая плотность;
  
• 
  низкий саморазряд;
  
• 
  отсутствует «эффект памяти»;
  
• 
  простота обслуживания.
  

Недостатки литий-ионных аккумуляторных батарей:

• 
  необходимость схемы защиты по току и напряжению;
  
• 
  относительно быстрое старение. Хранение батареи в про­
  хладном месте снижает процесс старения примерно на
  40%;
  
• 
  умеренный ток разряда;
  
• 
  проблемы при перевозке больших партий батарей — необ­
  ходимо согласование;
  

• 
  более высокая цена (на 40 % выше по сравнению с ни­
  кель-кадмиевыми батареями);
  
• 
  конструкция не доведена до совершенства.
  

При работе с литий-ионными батареями следует соблюдать меры предосторожности: нельзя замыкать их выводы накоротко, допускать перезаряд, разбирать, прикладывать напряжение об­ратной полярности, нагревать.

Следует использовать только литий-ионные батареи, имею­щие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламе­няем.

Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами, из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм • 0,1). Элементы этого типоразмера имеют емкость от 1800 до 2000 мАч. Емкость более крупных элементов типоразме­ра 26650 диаметром 26 мм достигает уже 3200 мА.

4.2. Особенности литий-полимерных аккумуляторных

батарей

Литий-полимерные батареи отличаются от обычных ли­тий-ионных аккумуляторных батарей видом используемого элек­тролита. Разработанные в 1970-х годах, они используют только твердый сухой электролит из полимера, который похож на плен­ку из пластика, не проводящую электрический ток, но обеспечи­вающую ионообмен (т. е. пропускающую через себя ионы — электрически заряженные атомы или группы атомов). Полимер­ный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитываемый жидким электролитом.

Сухой полимер позволяет упростить производство, улучшить безопасность аккумуляторных батарей этого вида и добиться их тонкопрофильной геометрии. При этом исчезает опасность вос­пламенения батарей, поскольку в них не используется жидкий или гелеобразный электролит.

С появлением элементов литий-полимерных аккумулятор­ных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами аппа­ратуры открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новых электронных устройств. Были сняты многие ограничения касательно микроминиатюризации радио­электронных устройств. Новые микроэлементы питания для коммерческого использования появились на рынке всего неско­лько лет назад.

К сожалению, недостатком литий-полимеров является их плохая проводимость. Внутреннее сопротивление литий-поли­мерных батарей слишком велико и не позволяет обеспечивать токи, необходимые для работы современных средств связи и ра­боты жестких дисков портативных компьютеров. Хотя нагрев элемента таких батарей до 60 °С и выше и увеличивает проводи­мость до необходимых значений, такой способ снижения их

96

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

внутреннего сопротивления не пригоден для коммерческих при­ложений.

Исследования в области усовершенствования характеристик литий-полимерных батарей при работе в условиях температур, близких к комнатным, продолжаются. Ожидается, что уже к 2005 г. появятся батареи этого типа, пригодные для коммерче­ского применения, способные сохранять работоспособность при количестве циклов заряд/разряд до 1000 и имеющие более высо­кую энергетическую плотность, чем выпускаемые в настоящее время литий-ионные батареи.

В то же время литий-полимерные аккумуляторные батареи в настоящее время успешно применяются в источниках резервно­го питания в странах с жарким климатом. Чаще всего они заме­няют свинцово-кислотные батареи (VRLA), которые критичны к

98

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

99

Верхняя крышка



Отверстие для заливки электролита



Анод



Прокладка



Лазерная сварка



Предохранительный клапан



Лазерная сварка



Спейсер(бакелит)



Вывод (А/)



Термопредохранитель



Катод



Внутренний корпус



Токовый коллектор: •анод—А\, графит ■ сепаратор • катод — Сu, LiCoO


Рис. 4.3. Конструкция литий-ионного аккумулятора в призматическом корпусе

ются и в цилиндрических корпусах, а вот литий-полимерные ба­тареи имеют исключительно призматические элементы, и для них не существует каких-либо стандартов, определяющих габа­ритные размеры. Призматические элементы по габаритам часто привязывают к типоразмерам 340648 и 340848, где первые две цифры означают ширину элемента, две другие — его толщину и две последние — длину. Некоторые производители позволяют себе отступать от этих стандартов. Например, Panasonic выпус­кает батареи размерами 34 х 50 мм и толщиной 6,5 мм. Это дела­ется умышленно, с целью увеличения емкости батареи. Кроме того, маркировка литий-ионных аккумуляторов Panasonic отли­чается порядком цифр. Например, CGA103450, где две первые цифры обозначают толщину аккумулятора в миллиметрах, две другие — его ширину, две последние — высоту.

Недостатком призматических элементов является их более низкая по сравнению с цилиндрическими элементами энерге­тическая плотность. Кроме того, производство призматических элементов обходится дороже, сами они не обеспечивают такой высокой механической прочности, какую обеспечивают ци­линдрические элементы. Для предупреждения раздутия из-за внутреннего давления газов корпус призматических элементов приходится изготавливать из более прочных металлов, хотя производители и допускают возможность их незначительного раздувания.

При небольших габаритах призматические элементы имеют емкость от 400 до 2000 мА-ч и выше. Поскольку для различных моделей мобильных телефонов необходимы батареи определен-

ных размеров и формы, производители аккумуляторных батарей полностью удовлетворяют запросы их производителей. Такие ба­тареи не имеют системы вентиляции и могут раздуваться. Но, если соблюдать правила их эксплуатации, этого не произойдет.

В 1995 г. впервые были представлены элементы аккумуля­торных батарей в виде пакета. В отличие от дорогостоящих ме­таллических цилиндров и переходов стекло-металл для изоляции пластин противоположной полярности, в пакетных элементах положительные и отрицательные пластины завернуты в гибкую жаропрочную фольгу. Выводы такого элемента представляют со­бой проводящие выводы из фольги, к которым припаяны элект­роды, изолированные от материала пакета. Внешний вид пакет­ного элемента представлен на рис. 4.4.

Из-за своей конструкции пакетный элемент позволяет точ­но «привязаться» к заданным размерам необходимого элемента, добиваясь эффективности использования внутреннего про­странства корпуса в 90...95 %. А это наиболее высокий коэф­фициент использования пространства корпуса из всех видов ак­кумуляторов.

В связи с отсутствием металлического корпуса пакетные эле­менты имеют малый вес. Основные области их применения: мо-

Тефлоновая подложка с токосъемником из графита

Анод из полимера

Полимер, пропитанный гелевым электролитом

Катод из полимера







Тефлоновая подложка с токосъемником из графита



Рис. 4.4. Пакетные элементы литий-ионных батарей

100

Корпус элемента Коллектор

Катод (V₂O₅)

Прокладка

Рис. 4.5. Устройство таблеточного литий-ионного аккумулятора

102

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

103

2000



5,0



1600



4,5



Напряжение заряда



1200



4,0



Ток заряда



800



3,5



400



3,0



0



2,0



2,5



1.5



1,0



Рис. 4.6. График цикла заряда литий-ионного аккумулятора



Если на рис. 4.6 представлен типовой график заряда одного из типов литий-ионных аккумуляторов, производимых компа­нией Panasonic, то на рис. 4.7 процесс заряда представлен более наглядно. При увеличении тока заряда литий-ионной батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает бы­стрее, этап подзарядки после окончания первого этапа цикла за­ряда длится дольше.

В некоторых типах зарядных устройств для заряда ли­тий-ионной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние «готово» сразу после завершения этапа 1. В этой точке она будет заряжена примерно на 70 %, и после этого возможна ее подза­рядка.

Способ струйной подзарядки для литий-ионных аккумулято­ров неприменим из-за того, что они не способны поглощать



Напряжение



4,20 В



Периодический компенсирующий заряд. Проводят в течение срока хранения примерно через каждые 500 ч



Макс, напряжение зарада



Макс, ток заряда



ЭТАП 3 Время, ч



ЭТАП 2



ЭТАП1



2



3



Момент прекращения заряда. Наступает тогда, когда величина тока заряда уменьшится до значения 3% от начального



Через аккумулятор протекает макс, ток заряда, пока напря­жение на нем не достигнет порогового значения (4,2 В)



Макс, напряжение на аккумуляторе достигнуто. Ток заряда постепенно уменьшается до тех пор, пока он полностью не зарядится



Рис. 4.7. Обобщенный график цикла заряда литий-ионных аккумуляторов



0,5

Ток

1


2,5

0

Время, ч

энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным то­ком способна компенсировать небольшой саморазряд батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устрой­ства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и сте­пени саморазряда батареи такая подзарядка может проводиться через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует проводить при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и завершать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.

А что может произойти при случайном перезаряде ли­тий-ионной батареи? Батареи этого типа могут безопасно рабо­тать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и вый­ти из строя. Это происходит потому, что при превышении значе­ния напряжения заряда 4,30 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет.

Безопасной работе литий-ионных батарей должно уделяться серьезное внимание. В батареях коммерческого назначения име­ются специальные устройства защиты, предупреждающие пре­вышение напряжения заряда выше определенного порогового значения, которое, как было уже отмечено выше, составляет 4,30 В/элемент. Дополнительный элемент защиты обеспечивает прекращение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты — механический выключатель, который срабатывает при повышении внутрикорпусного давления бата­реи. Встроенная система контроля напряжения настроена на два напряжения отсечки — верхнего и нижнего порогов.

Есть и исключения — литий-ионные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаря­де процессы металлизации анода и выделения кислорода на ка­тоде происходят настолько вяло, что стало возможным отказать­ся от использования устройств защиты.

Литий-ионные батареи имеют отличные зарядные характе­ристики как при высоких, так и при низких температурах. Неко­торые из них можно заряжать током 1С при температурах от 0 до 45 °С. Большинство же литий-ионных батарей при низких тем-

104

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

105

пературах — от 5 °С и ниже — «предпочитает» меньшие токи за­ряда. При этом следует избегать заряда при температуре замерза­ния, т. к. на аноде происходит осаждение металлического лития.

Категорически запрещается разбирать литий-ионные аккумуляторы. В случае протечки электролита и его попа­дания на открытые участки кожи или в глаза следует не­медленно промыть их чистой водой и делать это в течение 15 мин. После чего следует обратиться к врачу.

4.5. Заряд литий-полимерных батарей

Процесс заряда литий-полимерных батарей подобен заряду литий-ионных батарей. В литий-полимерных батареях использу­ется сухой электролит. Время их заряда составляет 3...5 ч. Ли­тий-полимерные батареи с гелевым электролитом чаще всего классифицируют как литий-ионные, и их процессы заряда ана­логичны.

Большинство зарядных устройств предназначены для заряд­ки как литий-ионных, так и литий-полимерных батарей. Так что потребителю нет необходимости задумываться, какую батарею он использует.

В настоящее время большинство литий-ионных батарей ком­мерческого назначения на самом деле представляет собой ли­тий-полимерные батареи с гелевым электролитом, и недорогие литий-полимерные батареи с сухим электролитом через несколь­ко лет будут ими вытеснены.

4.6. Устройства защиты литий-ионных аккумуляторных

батарей

Литий-ионные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Такой уровень защиты обусловлен тем, что, будучи подключенными к какому-либо электронному устройству, они постоянно находят­ся в руках человека. Обычно в схеме защиты литий-ионных ба­тарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается

и тем самым прекращает процесс заряда. Кроме того, имеющий­ся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отключает цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную за­щиту. Но и это не все! Каждый элемент имеет выключатель, ко­торый срабатывает при достижении порогового уровня давления внутри ее корпуса, равного 1034 кПа (10,5 кг/м²), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, кото­рая следит за напряжением батареи и разрывает цепь нагрузки, если оно снизится до уровня 2,5 В на элемент.

Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии состав­ляет 50... 100 мОм (0,05...0,1 Ом). Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них сраба­тывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порога на­пряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей факти­чески обеспечивает удвоение ее внутреннего сопротивления, осо­бенно если она состоит всего лишь из одного элемента. Батареи питания мобильных телефонов должны обеспечивать высокие токи нагрузки, что возможно при максимально низком внутрен­нем сопротивлении батарей. Таким образом, схема защиты пред­ставляет собой препятствие, ограничивающее ее рабочий ток.

В некоторых типах литий-ионных батарей, использующих в своем химическом составе марганец и состоящих из 1—2 эле­ментов, схема защиты не используется. Вместо этого в них уста­новлен всего лишь один предохранитель. И такие батареи явля­ются безопасными из-за их малых габаритов и низкой емкости. Кроме того, марганец довольно терпим к нарушениям правил эксплуатации батареи. Отсутствие схемы защиты снижает стои­мость литий-ионной батареи, но привносит новые проблемы.

В частности, пользователи мобильных телефонов могут ис­пользовать для подзарядки их батарей нештатные зарядные устройства. При таких недорогих зарядных устройствах, пред­назначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети авто­мобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схе­мы защиты, она отключит ее по достижении напряжения конца заряда. Если же схема защиты отсутствует, произойдет перезаряд батареи и, как это часто бывает, ее необратимый выход из строя. Этот процесс обычно сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи. Конечно, таких ситуаций допускать нельзя. Кроме того, при выходе батареи по причине использова-

106

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

107

ния нештатного зарядного устройства замене по гарантии она не подлежит.

Другое, литий-ионные батареи с электродами из кобальта, например, требуют полной защиты. Разряд статического элект­ричества или неисправность зарядного устройства могут повлечь выход из строя схемы защиты батареи. Это значит, что в резуль­тате твердотельный ключ схемы защиты постоянно находится во включенном состоянии, а пользователь об этом не подозревает. При этом аккумуляторная батарея может функционировать нор­мально, но требованиям безопасности она отвечать не будет. В процессе заряда могут произойти ее перегрев, раздутие корпу­са и в некоторых случаях выход газов с воспламенением («венти­ляция с пламенем») со всеми вытекающими последствиями. Ко­роткое замыкание выводов батареи также опасно.

Производители литий-ионных батарей в их технических ха­рактеристиках стараются не упоминать об их взрывоопасности. Вместо этого они используют термин «вентиляция с пламенем». И хотя эта реакция протекает медленнее взрыва, она настолько интенсивна, что приводит к сильному удару на небольшом рас­стоянии от батареи и может вывести из строя электронное устройство, которое питается от этой батареи.

Большинство производителей литий-ионных аккумуляторов не продают их отдельно в качестве элементов аккумуляторных батарей. Вместо этого они выпускают и продают литий-ионные аккумуляторные батареи со встроенными схемами защиты, по­скольку понимают опасность, исходящую от неумелого их при­менения, и в интересах потребителя стараются минимизировать возможные негативные последствия, которые могут возникнуть при их эксплуатации. Этим же целям служит и жесткая сертифи­кация продукции компаний, предшествующая появлению новых типов литий-ионных аккумуляторных батарей на рынке.

4.7. Заряд полностью разряженных литий-ионных аккумуляторных батарей

Типовое значение напряжения конца разряда для ли­тий-ионных аккумуляторов составляет 3 В на элемент, а упоми­наемое выше 2,5 В — это напряжение отсечки, прерывающее процесс дальнейшего разряда. Однако на практике случается,

что такие аккумуляторы могут быть совершенно разряжены, ког­да напряжение имеет значение ниже 2,5 В на элемент. Обычно это происходит при их длительном хранении без подзарядки. В этом случае производители литий-ионных батарей рекоменду­ют трехступенчатый способ их заряда для перевода в рабочее со­стояние.

Не все зарядные устройства могут обеспечить зарядку ли­тий-ионных батарей, разряженных до напряжения менее 2,5 В на элемент. Сначала необходимо поднять напряжение на батарее до уровня, достаточного для начала работы зарядного устройства. После этого необходим заряд малым током для вос­становления ее емкости. Особую осторожность следует прояв­лять при возвращении к жизни литий-ионных батарей, которые имели длительный перерыв в эксплуатации и хранились в состо­янии глубокого или полного разряда.

В качестве примера приведем рекомендации по зарядке пол­ностью разряженной литий-ионной батареи, применяемой для питания мобильных телефонов Siemens серии 45 (S45, МЕ45). В этих телефонах используется литий-ионная батарея емкостью 840 мАч. Роль датчика температуры в ней выполняет терморези­стор сопротивлением 22 кОм при t° = 25 °С. В целом управление питанием сотового телефона обеспечивает специализированная микросхема (ASIC). Производитель — компания Siemens — чет­ко определил, что нижний предел напряжения, до которого можно разрядить аккумуляторную батарею, составляет 3,2 В. Почему не 2,5 В, как было указано выше? Потому что только при напряжении не ниже 3,2 В гарантирована работа мобильно­го телефона. Напряжение же полностью заряженной батареи со­ставляет 4,2 В.

В случае, если произошел глубокий разряд батареи, зарядить ее как обычно — за 2—3 часа — не удастся. Восстановительный заряд необходимо выполнять в три этапа:

1. 
   Заряд батареи током 20 мА до напряжения 2,8 В.
   
2. 
   Заряд током 50 мА до напряжения 3,2 В.
   
3. 
   Нормальный заряд до напряжения 4,2 В.
   

При полном разряде аккумуляторной батареи процессом ее заряда управляет специализированная (заказная) микросхема ASIC типа DO8296B. Причем в данном случае ее источником питания на первых двух этапах заряда является зарядное устрой­ство, а на третьем — уже сама аккумуляторная батарея.

108

Литий-ионные и литий-полимерные батареи

Каждая цепочка параллельно включенных литий-ионных ак­кумуляторов должна иметь собственные средства мониторинга их состояния.

Чем больше элементов последовательно соединено в батарее, тем совершеннее должна быть ее схема защиты. В коммерческих приложениях количество аккумуляторов в батарее не должно превышать четырех.

жүктеу/скачать 7,53 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: