Аккумуляторы Li-ion Достоинства и недостатки!

Первые работы с батареями на основе лития начались еще в 1912 году, но только в начале 70-х появились первые коммерческие неперезаряжающиеся литиевые батареи. Литий — самый легкий из металлов и имеет большой отрицательный электрохимический потенциал, поэтому батареи на его основе теоретически обеспечивают самую высокую удельную энергоемкость. Попытки разработать перезаряжающиеся литиевые батареи продолжались в 80-х годах, но неизменно оканчивались неудачами из-за проблем с безопасностью. Вследствие высокой агрессивности лития и неустойчивости соединений на его основе аккумуляторы вели себя неадекватно, особенно в процессе зарядки. Тогда исследователи переключились на неметаллические литиевые батареи, использующие ионы лития. Такие технологии позволяли добиться, конечно, меньшей энергетической плотности, но Li-Ion при соблюдении некоторых предосторожностей стал вполне безопасен как при зарядке, так и при разрядке. В 1991 году корпорация Sony создала первый коммерчески удачный литий-ионный аккумулятор, и с тех пор батареи этой компании на основе лития пользуются большой популярностью, при этом активно развиваясь и совершенствуясь. Другие производители также освоили подобные технологии и выпускают Li-Ion-аккумуляторы для различных устройств. Сегодня аккумуляторы на основе лития считаются наиболее эффективными и удобными по многим параметрам: они имеют большую удельную энергоемкость (в 2-3 раза выше, чем у NiCd-батарей), показывают неплохие нагрузочные характеристики как при низких, так и при высоких температурах, имеют малое внутреннее сопротивление и очень длительный саморазряд (2-5% в месяц). При этом Li-Ion-аккумулятор не имеет недостатков NiMH и ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик сходна и различается лишь напряжением). Плоская кривая разрядки обеспечивает эффективное использование накопленной энергии в необходимом спектре напряжений. Сейчас это самая прогрессивная и быстро развивающаяся технология. Производители непрерывно совершенствуют аккумуляторы на основе ионов лития. Идет постоянный поиск и улучшение материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов как на уровне источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем. Li-Ion-аккумуляторы используются главным образом там, где необходима высокая энергоемкость при малом размере и весе. Однако сами элементы на основе лития довольно капризны и для обеспечения безопасности и долговечности их работы требуются специальные управляющие интегральные схемы и управляющие ключи, которые ограничивают пиковое напряжение на каждом элементе в течение зарядки и предотвращают слишком резкое падение напряжения на клеммах элемента при разрядке. Кроме того, они имеют датчики температуры и тепловые предохранители, которые контролируют температуру элементов во избежание опасного перегрева в процессе зарядки/разрядки (впрочем, аккумуляторы на основе никеля тоже могут содержать внутренний тепловой предохранитель и датчик температуры). Максимальные перепады тока зарядки/разрядки ограниченны и не могут превышать номинальные более чем в два раза. Все это в совокупности призвано защитить потребителя от физических повреждений в случае нарушения электрических режимов эксплуатации аккумулятора. Соблюдение всех предосторожностей позволяет избежать опасной металлизации лития, имевшей место при перегрузках ранних батарей такого типа. Другая проблема — деградация («старение») Li-Ion-батарей, поэтому большинство производителей обходят молчанием сроки их эксплуатации. Часто повреждения аккумулятора, вызванные неправильной эксплуатацией, использованием неисправного зарядного устройства, переохлаждением или перегревом, а иногда и браком по вине изготовителя или поставщика, списывают на эффект памяти, но аккумуляторы на основе лития его влиянию не подвержены. Некоторое неизбежное уменьшение емкости наступает уже через год после выпуска, причем независимо от того, находится ли батарея в активном использовании или нет. По истечении двух-трех лет многие Li-Ion-аккумуляторы безвозвратно теряют емкость и, в отличие от NiCd-аккумуляторов, уже не восстанавливаются. Впрочем, и другие химические батареи (в том числе и одноразовые) также склонны к проявлению возрастных дегенеративных эффектов. Особенно заметно проявляется деградация у тех же NiMH-аккумуляторов, если они были подвергнуты воздействию высоких температур (в том числе и при хранении). Для Li-Ion-батарей изготовители рекомендуют температуру хранения не выше 15 °C. Кроме того, батарея при хранении должна быть обязательно заряжена. Области применения Li-Ion-аккумуляторов — это портативные компьютеры, сотовые телефоны и коммуникаторы. Причем изготовители постоянно улучшают химические свойства батарей и расширяют спектр применения (различные усовершенствования представляются раз в полгода или даже чаще). Достоинства литий-ионных аккумуляторов: высокая удельная энергоемкость с большим потенциалом для дальнейшего совершенствования; относительно низкий саморазряд — примерно 3-5% в первый месяц, затем уменьшение до 1-3% в месяц, но дополнительно около 3% в месяц потребляет схема управления (это в 2-3 раза ниже, чем у NiCd и NiMH); высокое напряжение единичного элемента (3,6 В против 1,2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию и уменьшает габариты — можно применять один элемент там, где раньше требовалось три; низкие эксплуатационные расходы — отсутствие необходимости периодической разрядки/зарядки; практически полное отсутствие «памяти» — их можно ставить на зарядку когда угодно и держать в зарядном устройстве сколь угодно долго (зарядные устройства для Li-Ion-аккумуляторов после окончания заряда автоматически отключаются). Недостатки литий-ионных аккумуляторов: необходимость в схемах защиты, которые ограничивают напряжение и силу тока при зарядке/разрядке и следят за температурой элемента, что, в свою очередь, практически исключает возможность металлизации лития. Однако это ведет к дополнительному повышению стоимости и снижению надежности аккумулятора; батарея безопасна только пока не имеет повреждений; аккумуляторы этого типа подвержены старению, причем даже тогда, когда они не используются, а высокая температура способствует ускоренной деградации. Для уменьшения процесса старения необходимо хранить их при низкой температуре и заряженными на 60-90%; умеренный ток разрядки; высокая стоимость (в 2-3 раза выше, чем у NiCd и NiMH).