Аккумуляторные батареи: от и до

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 08 декабря 2010 года

В современных ноутбуках и прочих портативных электронных устройствах применяются два типа аккумуляторных батарей: ионно-литиевые (чаще всего обозначаются как Li-ion) и ионно-литиевые полимерный (Li-Ion Pol). Это последнее поколение батарей обладает гораздо более высокой ёмкостью по сравнению с никель-металлогидридными и никель-кадмиевыми, в них отсутствует "эффект памяти", а ионно-литиевые полимерные аккумуляторы к тому же могут принимать практически любую необходимую форму, что незаменимо при конструировании миниатюрной электроники.

Как понятно из названия, принцип действия ионно-литиевых аккумуляторов основан на процессе переноса ионов лития с одного электрода на другой. Батареи с использованием положительного электрода (анода), выполненного из оксидов щелочного металла лития, впервые появились в начале девяностых годов XX века и стали использоваться в ноутбуках и портативных плеерах. В то время в качестве носителей в плеерах применялись компакт-кассеты, компакт-диски или мини-диски, а для их воспроизведения требовались электродвигатели, потребляющие массу энергии. Поэтому преимущества литиевых батарей перед никель-металлогидридными были особенно очевидными.

Однако производители электроники не торопились переходить на новый тип батарей: во-первых, литиевые аккумуляторы были значительно дороже "обычных", а во-вторых, из-за высокой химической активности лития эти батареи оказались взрывоопасными при перезаряде или перегреве. Благодаря использованию в аккумуляторах не самого лития, а его ионов вероятность взрыва не слишком высока. Однако потенциальная возможность такого происшествия сохраняется и в современных моделях, хотя это случается довольно редко, и причинами чаще всего служат отказ защитных электронных схем или нарушение правил эксплуатации.

Для обеспечения безопасности под крышкой аккумуляторных батарей устанавливается устройство, реагирующее увеличением сопротивления на повышение температуры, и клапан, размыкающий контакт между катодом и положительным выводом при повышении внутреннего давления газов. Кроме того, обязательно применяется и внешняя защита батареи, реагирующая на перезаряд и переразряд, повышение рабочей температуры и короткое замыкание.

Ионно-литиевые аккумуляторы чрезвычайно чувствительны к перезарядам и переразрядам, поэтому они почти всегда оснащаются соответствующим ограничителем. При переразряде батареи на поверхности анода может осаждаться металлический литий, а из катода выделяться кислород, что приводит к повышению давления и "тепловому разгону" и в результате может вызвать взрыв корпуса.

Однако в дешёвых ионно-литиевых батареях, где анод изготовлен из литиево-марганцевой шпинели, такие схемы защиты отсутствуют, поскольку марганец резко замедляет реакции металлизации на аноде и выделение кислорода на катоде. Из-за отсутствия цепей защиты, способных ограничить зарядный ток и вовремя прекратить зарядку, с такими батареями нельзя использовать универсальные зарядные устройства: их применение может вызвать перезаряд и привести к взрыву аккумулятора.

С ростом рабочего тока разряда ёмкость ионно-литиевых аккумуляторов снижается незначительно, но при этом немного уменьшается и рабочее напряжение. Ограничителем максимального рабочего тока выступает встроенное устройство защиты. При повышении рабочей температуры возможно снижение ёмкости, в том числе и необратимое, а при понижении температуры - уменьшение рабочего напряжения. Кроме того, при температуре окружающей среды ниже 5 °C выдаваемое аккумулятором напряжение может быть ниже номинального.

Катод ионно-литиевого аккумулятора изготовляется из графита (в первых модификациях он выполнялся из кокса) путем интеркаляции - ионы лития буквально раздвигают слои углеродной матрицы, располагаясь между ними. Анод выполняется из литированных оксидов кобальта, никеля или литиево-марганцевой шпинели. При разряде аккумулятора на аноде происходит интеркаляция лития в оксид, а на катоде - деинтеркаляция ионов из углеродного материала. При этом минимальное напряжение в разряженном элементе составляет от 3,4 В, в полностью заряженном - до 4,2 В.

Ионно-литиевые аккумуляторы чаще всего выпускаются в призматических корпусах, наиболее удобных для установки в ноутбуки и портативную технику. Кроме того, они могут производиться в цилиндрических корпусах и корпусах смешанного типа. Корпуса батарей делаются герметичными, что не только защищает питаемое устройство от применяемых в аккумуляторах реактивов, но и предохраняет батарею от вредного воздействия кислорода и влажности.

Энергетическая плотность современных батарей составляет 150-200 Вт* ч/кг или 350-450 Вт* ч/л, рабочее напряжение - 3,6-3,7 В, диапазон рабочих температур - от -20 до +56 °C. Расчётное количество циклов заряд/разряд до потери 20% ёмкости - от 500 до 1000, при этом учитываются лишь полные циклы, зарядка аккумулятора, разрядившегося менее чем на 50%, может отсрочить потерю ёмкости. При этом повышенная температура эксплуатации (+40 °C и выше) ускоряет износ и аккумулятор может потерять пятую часть ёмкости уже через 300-500 циклов заряда/разряда.

Саморазряд ионно-литиевой батареи составляет до 5% в течение первых 30 дней, затем - не более 1-3% в месяц. Для сравнения: никель-кадмиевые аккумуляторы могут потерять за месяц до 20% заряда, а никель-металлогидридные - до 30%.

У ионно-литиевых аккумуляторов комбинированная схема зарядки, благодаря которой возможна так называемая "быстрая зарядка", когда в течение относительно небольшого времени батарея заряжается примерно на две трети от номинальной ёмкости. До достижения 70-80% ёмкости батарея заряжается при постоянном токе, а затем - при постоянном напряжении. Резкий скачок напряжения свидетельствует о достижении полной ёмкости и служит сигналом к снижению силы тока и прекращению зарядки. В среднем, для достижения двух третей ёмкости современных моделей ионно-литиевых аккумуляторов достаточно 30-60 минут, для полной зарядки - 60-90 минут.

Важная особенность ионно-литиевых аккумуляторов, о которой не следует забывать в процессе эксплуатации, - это довольно быстрое их старение, причём речь идёт не об износе в результате разряда и заряда, а именно о естественном старении батареи при хранении. За пару лет хранения аккумулятор этого типа теряет до трети ресурса, поэтому у них есть "срок хранения", на который следует обращать внимание при покупке.

Ионно-литиевые аккумуляторы особенно чувствительны к полному разряду: при хранении батареи в разряженном состоянии в течение двух недель может быть запущен необратимый процесс потери ёмкости, поэтому никогда не стоит допускать полного разряда такой батареи. Более того, полный заряд неэксплуатируемого аккумулятора также ускоряет процесс его старения, как и повышенная температура. Рекомендуется хранить батареи при сорокапроцентном заряде и при температуре +2-+6 °C; иными словами, их можно хранить в общей камере холодильника завёрнутыми в целлофан для защиты от влажности.

При эксплуатации ионно-литиевой батареи в ноутбуке следует периодически, например раз в месяц, калибровать аккумулятор. В результате ошибки контроллера батареи будут сброшены, а индикатор будет точнее отображать уровень заряда, что позволит избежать ситуации с "внезапным" падением заряда в самый неподходящий момент. Обычно для калибровки достаточно выбрать специальную опцию в BIOS, либо можно просто полностью зарядить аккумулятор, затем полностью разрядить и через 3-5 часов снова полностью зарядить. Вопреки бытующему мнению, калибровка вовсе не "тренирует" ионно-литиевые батареи, и "держать дольше" заряд в результате этой процедуры они не будут.

Наконец, если вы всегда пользуетесь ноутбуком, подключая его к сети, не нужно извлекать из него аккумулятор: защитные схемы не допустят перезаряда, а батарея всегда будет находиться в заряженном состоянии, выступая в роли источника бесперебойного питания. При этом, хотя индикатор может выдавать периодические падения заряда до 98-99%, такие колебания не означают, что батарея проходит циклы зарядки/разрядки и что она будет изношена, даже если никогда не использовалась по назначению. Случаи с "просадкой" батарей в ноутбуках, всегда работавших от сети, объясняются естественным старением аккумулятора, которое может ускорить повышенная температура корпуса.