Эксплуатация литиевых аккумуляторов
Содержание
Введение
Статья-заметка, включающая в себя некоторые особенности эксплуатации литиевых аккумуляторов. Включает в себя описание нескольких мифов про данный тип аккумуляторов и особенности основных этапов эксплуатации, которые помогут продлить их жизнь.
Первый заряд
Миф: После покупки нового устройства аккумулятор требуется заряжать минимум 3-5-10 часов.
Откуда пошел этот миф мне неизвестно. По факту зарядное устройство любой литиевый аккумулятор заряжает за определенный промежуток времени, а затем отключается. То есть если мы оставляем аккумулятор заряжаться N-часов, то он заряжается за 2 часа, а затем N-2 часов зарядка просто отключена. Еще стоит сказать, что новый аккумулятор должен поставляться с уровнем заряда 30-50%. То есть, если Вы покупаете телефон, а он с разряженным в ноль аккумулятором (вообще не реагирует), советую Вам задуматься. В большинстве случаев, аккумулятор нормально зарядится и будет работать, вот велик шанс, что Вы на новом устройстве получите аккумулятор с емкостью 80% от номинала.
Но особенно непонятным для меня остается подобная рекомендация от производителей техники. К примеру, ниже есть выдержка из инструкции к электроинструменту AEG. Мало того, что рекомендуют заряжать долго, так еще и заявляют, что емкость наберется только через несколько циклов заряд-разряд. Такое ощущение, что первая половина рекомендаций перекочевала из инструкции от версии инструмента с Ni-Cd аккумулятором, а часть после была дописана при переходе на Li-Ion.
Хотя заряжать устройство дольше положенного первый раз может быть полезно для аккумуляторов, собранных из нескольких последовательных банок. Длительный цикл заряда в данном случае гарантирует то, что аккумулятор будет как следует отбалансирован.
Тренировка
Миф: Новый аккумулятор требуется первые несколько циклов полностью разрядить-зарядить, чтобы он набрал номинальную емкость.
Скорее всего данный миф возник из-за субъективного восприятия времени работы нового устройства. Сами вспомните, вы покупаете новый телефон и по началу активно играетесь с ним, понятное дело что он быстро разряжается. Затем использование устройства постепенно выходит на нормальный уровень, стабилизируется и время работы, причем на некоторой большей величине. Поэтому и имеем ощущение, что аккумулятор потихоньку раскачался.
Реально же, раскачать можно аккумуляторы на основе никеля и свинца, т.к. химические процессы в них частично обратимы. В случае литиевых аккумуляторов обратить, к сожалению, ничего нельзя, можно только замедлить (об этом ниже).
А вообще, за подробностями проходите сюда.
Нереальные емкости
Миф: Маркировки 100500мАч на корпусе аккумулятора.
Не совсем миф, просто факт наличия в продаже усиленных аккумуляторов с вкусными х-ками. Причем прослеживается зависимость: чем ниже стоимость, тем наглее производитель и большие цифры он рисует на теле аккумулятора.
К примеру, такие вот аккумуляторы:
Если посмотреть описание по ссылке, там есть характеристика "actual capacity". Это не опечатка, аккумулятор в реальности имеет емкость в 10 раз ниже заявленной. В данном случае, маркировка - это откровенный обман производителя.
Чтобы понять, какие в настоящий момент возможны максимальные емкости аккумуляторов тех или иных типоразмеров. Если кто-то предлагает аккумулятор в том же размере. Мало того, о качестве аккумуляторов говорит их вес. Конечно, технологии не стоят на месте, но чтобы понять, где в текущий момент ее передовая, достаточно посмотреть, что предлагают крупные производители аккумуляторов (к примеру, Samsung, Panasonic, Sanyo).
В текущий момент максимальную емкость имеют аккумуляторы Panasonic NCR18650B, для них это значение составляет 3400мАч. И даже в этом случае производитель немного лукавит, считая емкость для экстремально широкого диапазона разрядных напряжений: с 4.2В до 2.75В, на таком диапазоне никакая техника обычно не работает, ограничивая разряд либо значением 3.0В, либо вовсе 3.3В (в мобильных телефонах).
Заряд
Любое правильное зарядное устройство для литиевого аккумулятора должно работать по алгоритму CC-CV (Constant Current - Constant Voltage). Это означает, что в начале аккумулятор заряжается постоянным током (обычно не превышающим численное значение емкости аккумулятора). Когда напряжение на нем достигает требуемой величины (4.1, 4.2, 4.35В в зависимости от типа), зарядное устройство должно переходить в режим поддержания напряжения, с этого момента напряжение поддерживается постоянным, а зарядный ток постепенно падает.
Есть еще интересный момент. К примеру, имеем аккумулятор с конечным напряжением заряда 4.2В. Производитель заявляет для него 300 циклов заряд-разряд (т.е. через 300 циклов аккумулятор должен потерять не более 20% емкости). Если мы будем каждый раз заряжать аккумулятор до 4.25В (т.е. чуть перезаряжать, схема защиты аккумулятора при таких перезарядах еще не срабатывает), тогда число циклов уменьшится до 100, а если до 4.15В (т.е. теряя несколько процентов емкости), то число циклов увеличится до 500.
Граница здесь получается довольно маленькой, около 0.05В. Лично мое мнение, это одна из причин, почему в одном сотовом телефоне аккумулятор живет 1-2 года, а в другом потеря емкости начинает ощущаться только после 3-4 лет эксплуатации.
Разряд
Минимально допустимое напряжение при разряде устанавливается производителем аккумулятора. Обычно это значение лежит в пределах 2.5-2.7В. Ниже этого значения в аккумуляторе начинаются необратимые химические процессы, приводящие к необратимой потере емкости. Здесь все индивидуально, какой-то аккумулятор после ухода ниже потеряет 20% емкости, что может быть почти незаметно, а какой-то может потерять все 80%, то есть станет почти непригодным к использованию.
Очень интересен мой собственный опыт восстановления аккумуляторов после глубокого разряда. Имелась выборка из 40 литиевых банок Samsung INR18650 из 2х утопленных аккумуляторов от перфоратора. Первая сортировка банок была следующим образом: более 2.7В и менее 2.7В. Те, что имели напряжение более 2.7В были сразу отмечены как исправные. Далее шли разряженные. Это были аккумуляторы с напряжением 0-100мВ и 0.5-1.5В.
По итогу восстановления, те что имели хоть какое-то остаточное напряжение неплохо взяли заряд, сохранив более 50% изначальной емкости, а те что имели напряжение менее 100мВ, заряжаться отказывались: при зарядке вели себя как низкоомный резистор (таким образом можно предположить, что у них произошло внутреннее замыкание).
Вообще, в теории, зарядка такого "убитого" литиевого аккумулятора опасный процесс: при внутри у него начинает кристаллизоваться металлический литий и он нарастает на электроде. Таким образом, возможно замыкание аккумулятора. Если замыкание происходит в разряженном состоянии, тогда выделяется немного энергии, а вот если оно произойдет, когда аккумулятор полный, фейерверк обеспечен. Однако, подобных случаев мне неизвестно.
Хранение
Главный недостаток литиевого аккумулятора - он подвержен старению. Данный процесс необратим и запускается со дня производства аккумулятора. Старение проявляется постепенной потерей емкости. То есть кроме изнашивания в процессе эксплуатации, аккумулятор сам по себе теряет какую-то часть своей емкости. Обычно это значение в пределах 10% в год.
Что же влияет на скорость старения? В первую очередь это:
- Уровень заряда, который находится в аккумуляторе в процессе эксплуатации.
- Температура хранения.
Высокие температуры противопоказаны, при высоких эксплуатационных температурах аккумулятор деградирует быстрее, да и при хранении стареет быстрее.
Так же производителями рекомендуется хранить аккумулятор с уровнем заряда 30-50%, выше - скорость деградации увеличивается, ниже - есть риск уйти в переразряд. Официальная рекомендация AEG на этот счет:
То есть, попользовались зарядили (чтобы не было полных циклов), а пользоваться долго не планируем - разрядили до половины и храним. Кстати, некоторые Li-Po аккумуляторы при хранении со 100% зарядом имеют обыкновение разбухать.
Очень информативна данная таблица:
Как из нее видно, чтобы максимально снизить скорость старения, требуется: зарядить аккумулятор на половину и хранить при низкой температуре. С температурой главное не переусердствовать. Минимальная для литиевых аккумуляторов около -20С, при более низких есть риск заморозить электролит, что приведет к полной неработоспособности аккумулятора. Разумная температура 0-10С, т.е. то что имеется в камере холодильника (не морозилке!).
Хранение лития в холодильнике - практика, распространяющаяся среди авиамоделистов, есть темы где идет обсуждение этого процесса (к примеру эта). С недавнего времени, у меня появилось довольно много литиевых аккумуляторов для инструмента, которые в полном объеме требуются раз в несколько месяцев. Поэтому захотелось продлить аккумуляторам жизнь. Для этого купил пластиковые герметичные контейнеры и силикагель. Последний необходим потому что при понижении температуры воздуха в замкнутом объеме влажность повышается (вплоть до выпадения росы). Эту избыточную влажность необходимо поглотить.
Итого все выглядит так:
Ссылки
- О Li-po батареях
- Литий-ионный аккумулятор, статья на Wikipedia