Разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов
Первые литий-ионные аккумуляторы были довольно непрочными и считались непригодными для высоких нагрузок. Но сегодня ситуация изменилась, и эта электрохимическая система стоит наравне с никелевой и свинцовой. Существует две основные направленности литий-ионных аккумуляторов — оптимизация под энергетические (емкостные) и мощностные требования.
1. Оптимизация под энергетические (емкостные) показатели
Энергетический литий-ионный элемент оптимизирован под максимальную емкость для обеспечения долгой автономной работы. Примером такого элемента является Panasonic NCR18650B (рисунок 1), которая обладает высокой емкостью, но при разрядке значением в 2С и больше имеет существенное проседание характеристик. При пороговом значении напряжения отсечки в 3,0 В на элемент, разрядка силой 2С снизит емкость до 2,3 Ач вместо номинальных 3,2 Ач. Такие элементы рассчитаны, в первую очередь, для портативных компьютеров и других не особо мощных применений.
Рисунок 1: Разрядные характеристики Panasonic NCR18650B. Элемент емкостью 3,200 мАч разряжается силой 0,2С, 0,5С, 1С и 2С. Отмеченная красным кружком область с пороговым напряжением отсечки 3,0 В на линии разряда силой 2С фиксирует момент полного разряда. Понижение температуры окружающей среды также приведет к потерям емкости, при 25°С емкость будет соответствовать номиналу, при 0°С ее значение будет составлять
83 % от номинальной емкости, при -10°С —
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |  |  |
| 10 — 12 лет / 600 циклов | 10 — 12 лет / 700 циклов | 10 — 12 лет / 750 циклов |
| универсальная серия AGM | для глубоких разрядов AGM | универсальная серия GEL |
2. Оптимизация под мощностные показатели
Элемент Panasonic UR18650RX имеет небольшую емкость, но превосходные нагрузочные характеристики. Разряд силой тока 10 А (5С) приводит к минимально возможным потерям емкости с напряжением отсечки 3,0 В. Такие элементы предназначены для устройств с высокими токами нагрузки, например, для электроинструмента.
Рисунок 2: Разрядные характеристики Panasonic UR18650RX. Показан разряд этого 1950 мАч элемента С-рейтингом 0,2С, 0,5С, 1С, 2С и фиксированной силой тока 10 А. Разрядка всеми вышеперечисленными значениями обеспечивает емкость на уровне 2000 мАч при пороговом напряжении отсечки 3,0 В. Данные элементы обладают умеренной емкостью, но в состоянии удовлетворить высокий ток нагрузки. При понижении температуры окружающей среды реальная емкость понизится до: при 25°С — 100% от номинала, 0°С —
Оптимизированный под показатели мощности элемент способен обеспечить непрерывный разряд силой 10С. Это означает, что элемент типоразмера 18650 емкостью 2000 мАч может обеспечить непрерывное питание нагрузки силой тока 20 А (30 А – в случае, если это элемент Li-фосфатной технологии). Такая превосходная производительность достигается частично за счет снижения внутреннего сопротивления, а также за счет оптимизации площади поверхности активного вещества. Низкое сопротивление обеспечивает высокое значение электрического тока с минимальным повышением температуры. Эксплуатация при максимально допустимом разрядном токе нагревает элемент примерно до 50°С, тогда как максимально допустимая температура составляет 60°С.
| Marin GEL Range | Deep Cycle GEL Range | Solar GEL Range |
 |  |  |
| 10 — 12 лет / 800 циклов | 10 — 12 лет / 800 циклов | 10 — 12 лет / 800 циклов |
| для электромоторов лодок и катеров | для глубоких циклических разрядов | для солнечных электростанций |
Для удовлетворения нагрузочным характеристикам у производителей аккумуляторов есть два пути: использование оптимизированных под мощность элементов или увеличение размеров аккумулятора из элементов, “заточенных” под емкость. Подобный метод из увеличения количества элементов используется в аккумуляторных системах электромобиля Tesla, и хотя такая система обеспечит отличный показатель автономного времени работы, ее вес и стоимость будут значительно увеличены.
3. Сигнатура разрядки
Одним из уникальных свойств аккумуляторов на основе лития и никеля является способность обеспечения непрерывной высокой мощности, вплоть до полного исчерпания аккумулятора. Это свойство становится возможным благодаря быстрому электрохимическому восстановлению. Свинцово-кислотный аккумулятор является “медленным”, его можно сравнить с фломастером, которому для восстановления способностей после расхода краски необходимо некоторое время. И в то время как восстановление характеристик относительно быстрое при разрядке (например, при запуске двигателя стартерным аккумулятором), то вся медлительность химических реакций становится очевидной при зарядке, которая длится 14-16 часов. С увеличением возраста свинцово-кислотного аккумулятора скорость восстановления его характеристик становится только хуже.
Аккумулятор может разряжаться постоянной нагрузкой, скажем в 0,2С, как, например, происходит в фонарике, но многие другие устройства требуют кратковременных нагрузок, в два-три раза превышающих допустимый разрядный С-рейтинг. Примером такого импульсного потребления электричества может служить технология GSM (Global System for Mobile Communications), используемая в мобильных телефонах. GSM требует пикового значения силы тока в 2 А каждые 577 микросекунды. Такая специфичность работы выдвигает особые требования к небольшим аккумуляторам, к тому же, при высокой частоте импульсного энергопотребления, электрические батареи начинают вести себя как большие конденсаторы и их характеристики, соответственно, меняются.
Рисунок 3: Разрядные импульсы GSM-приемника мобильного телефона. Импульсы частотой 577 микросекунд зависят от расстояния до ближайшей вышки и могут достигать 2 А.
| Phoenix Charger | Skylla-i | Skylla-TG |
 |  |  |
| 12/24В, 16-200А | 24В, 80-500А | 24/48В, 30-500А |
| Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления. | ||
С точки зрения долговечности, аккумуляторной батарее наиболее предпочтителен постоянный разрядный ток умеренной силы в сравнении с импульсной или одномоментной высокой нагрузкой. Рисунок 4 демонстрирует уменьшающуюся емкость NiMH аккумулятора при различных условиях разрядки — от “мягкого” постоянным током 0,2С до импульсного режима. Стоит отметить, что большинство электрохимических систем, в том числе и литий-ионная, будут демонстрировать похожее поведение с нагрузочными характеристиками, указанными на рисунке 4.
Рисунок 4: Жизненный цикл никель-металл-гидридного аккумулятора при различных условиях нагрузки. NiMH лучше работает с постоянным разрядным током и аналоговыми устройствами, подключение цифровых устройств снижает срок службы. Li-ion ведет себя аналогичным образом.
На рисунке 5 анализируется количество полных циклов оптимизированного под емкостные показатели литий-ионного элемента при разрядке различными значениями С-рейтинга. При значении 2С аккумулятор подвергается значительному стрессу, ограничивая период снижения емкости до половины номинального значения всего лишь 450 циклами.
Рисунок 5: Жизненный цикл оптимизированного под емкостные показатели литий-ионного элемента при различных условиях нагрузки. При высоких нагрузках износ абсолютно всех аккумуляторных батарей увеличивается. Но элементы, оптимизированные под мощностные показатели, являются более выносливыми и надежными в случае высоких нагрузок.
| OPzS | NI-CD | OPzV |
 |  |  |
| 20 лет / 1500 циклов | 25 лет / 2000 циклов | 20 лет / 1500 циклов |
| для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д. | ||
4. Рекомендации относительно разрядных процессов аккумуляторных батарей
Тепло увеличит производительность аккумулятора, но каждые 10°С выше 25-30°С будут сокращать срок его службы вдвое. Рекомендуется держать аккумулятор в прохладном месте.
Не допускайте чрезмерной разрядки.
При высоких нагрузках и повторяющихся глубоких разрядах использование большого аккумулятора минимизирует наносимый стресс.
Разрядка умеренным постоянным током лучше для аккумулятора в сравнении с импульсными и высокими кратковременными нагрузками.
Аккумулятор показывает свойства конденсатора при разрядке высокочастотным током. Это позволяет использовать более высокие пиковые токи в сравнении с разрядкой постоянным током.
Аккумуляторы на основе никеля и лития имеют высокое химическое быстродействие; свинцово-кислотные же являются медленными, и им необходимо несколько секунд для восстановления характеристик между тяжелыми разрядами.
Приближение к граничным уровням заряда и разряда несет деградационный характер для всех электрохимических систем.
Источник
Li-Ion аккумуляторы — правда и мифы.
2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится — при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже
3 В «умный» контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все — аккумулятор можно нести на помойку.
Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до «критических» 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому «разряженному» аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.
Миф второй. При повреждении Li-Ion аккумуляторы взрываются.
Все мы помним «взрывной» Samsung Galaxy Note 7. Однако это скорее исключение из правил — да, литий очень активный металл, и взорвать его в воздухе нетрудно ( а в воде он и сам очень ярко горит). Однако в современных аккумуляторах используется не литий, а его ионы, которые куда менее активны. Так что чтобы произошел взрыв нужно сильно постараться — или повредить заряжающийся аккумулятор физически (устроить короткое замыкание), или заряжать очень высоким напряжением (тогда он сам повредится, однако скорее всего контроллер банально сгорит сам и не даст заряжать аккумулятор). Поэтому если у вас вдруг в руках оказался поврежденный или дымящийся аккумулятор — не стоит бросать его на стол и убегать из комнаты с криками «мы все умрем» — просто положите его в металлическую тару и вынесите на балкон (чтобы не дышать химией) — аккумулятор будет тлеть какое-то время и потом потухнет. Главное — не заливать водой, ионы конечно менее активные чем литий, но все же какое-то количество водорода при реакции с водой так же выделится (а он любит взрываться).
Миф третий. При достижении на Li-Ion аккумуляторе 300(500/700/1000/100500) циклов он становится небезопасен и его нужно срочно менять.
Миф, к счастью все меньше и меньше гуляющий по форумам и не имеющий под собой вообще никакого физического или химического объяснения. Да, во время эксплуатации электроды окисляются и коррозируют, что уменьшает емкость аккумулятора, но ничем кроме меньшего времени автономной работы и нестабильного поведения на 10-20% заряда это вам не грозит.
Миф четвертый. С Li-Ion аккумуляторами нельзя работать на морозе.
Это скорее рекомендация, чем запрет. Многие производители запрещают использовать телефоны при отрицательное температуре, да и многие сталкивались с быстрым разрядом и вообще отключением телефонов на холоде. Объяснение этому очень простое: электролит — это водосодержащий гель, а что происходит с водой при отрицательных температурах все знают (да, она замерзает если что), тем самым выводя некоторую область аккумулятора из работы. Это приводит к падениею напряжения, а контроллер начинает считать это разрядкой. Аккумулятору это не полезно, но и не смертельно (после нагрева емкость вернется), так что если вам позарез нужно пользоваться телефоном в мороз (именно пользоваться — достать из теплого кармана, посмотреть время и спрятать назад не считается) то лучше зарядите его на 100% и включите любой процесс, нагружающий процессор — так охлаждение будет происходить медленнее.
Миф пятый. Вздувшийся Li-Ion аккумулятор опасен, его нужно срочно выкинуть.
Это не совсем миф, скорее предосторожность — вздувшийся аккумулятор может банально лопнуть. С химической точки зрения все просто: при процессе интеркаляции происходит разложение электродов и электролита, в результате чего выделяется газ(так же он может выделяться и при перезарядке, но об этом чуть ниже). Но его выделяется крайне мало, и чтобы аккумулятор казался вздутым должно пройти несколько тсотен (если не тысяч) циклов перезарядки (если конечно он не бракованный). Проблем избавиться от газа нет — достаточно проткнуть клапан (в некоторых аккумуляторах он сам открывается при избыточном давлении) и стравить его (дышать им не рекомендую), после чего можно замазать дырку эпоксидной смолой. Конечно былую емкость это аккумулятору не вернет, но хотя бы теперь он точно не лопнет.
Миф шестой. Li-Ion аккумуляторам вреден перезаряд.
А вот это уже не миф, а суровая реальность — при перезарядке велик шанс что аккумулятор вздуется, лопнет и загорится — поверьте, мало удовольствия быть забрызганным кипящим электролитом. Поэтому во всех аккумуляторах стоят контроллеры, банально не дающие зарядить аккумулятор выше определенного напряжения. Но тут надо быть крайне осторожным в выборе аккумулятора — контроллеры китайских поделок зачастую могут сбоить, а фейерверк из телефона в 3 часа ночи думаю вас не обрадует. Разумеется, такая же проблема есть и в брендовых аккумуляторах, но во-первых там такое случается гораздо реже, а во-вторых вам по гарантии поменяют весь телефон. Обычно этот миф порождает следующий:
Миф седьмой. При достижении 100% нужно снимать телефон с зарядки.
Из шестого мифа это кажется разумным, но на деле нет смысла вставать посреди ночи и снимать устройство с зарядки: во-первых сбои контроллера крайне редки, а во-вторых даже при достижении 100% на индикаторе аккумулятор еще некоторое время дозаряжается до самого-самого максимума низкими токами, что добавляет еще 1-3% емкости. Так что на деле не стоит так сильно перестраховываться.
Миф имеет место быть по причине некачественности китайских зарядников — при нормальном напряжении в 5 +- 5% вольт они могут выдавать и 6, и 7 — контроллер, конечно, какое-то время будет сглаживать такое напряжение, однако в будущем оно в лучшем случае приведет к сгоранию контроллера, в худшем — к взрыву и (или) выходу из строя материнской платы. Бывает и обратное — под нагрузкой китайский зарядник выдает 3-4 вольта: это приведет к тому что аккумулятор не сможет зарядиться полностью.
Как видно из целой кучи заблуждений далеко не все имеют под собой научное объяснение, и еще меньше реально ухудшают характеристики аккумуляторов. Но это не значит что после прочтения моей статьи нужно бежать сломя голову и покупать дешевые китайские аккумуляторы за пару баксов — все-же для долговечности лучше взять или оригинальные, или качественные копии оригинальных.
Источник