Ви, мабуть, бачили їх у своїх ноутбуках. Вони є у ваших телефонах. Вони живлять КПК та медіаплеєри, які ми носимо із собою. Причина існування цих пристроїв у їхньому сучасному вигляді проста. Літій-іонні акумулятори забезпечують велику кількість енергії по відношенню до їхньої ваги. Це також один з найпотужніших варіантів батарей, що перезаряджаються, на ринку.
Але ви, мабуть, чули страшні історії. Літій-іонні акумулятори можуть спалахнути. Це трапляється рідко: приблизно дві або три батареї з мільйона наражаються на таку відмову. Але коли це відбувається, наслідки бувають руйнівними. Рівень відмов може різко зрости, що призводить до глобальних відгуків продукції та коштує виробникам мільйонів доларів.
То чому ж вони такі популярні? Чому вони спалахують? Що ми дійсно можемо зробити, щоб запобігти цьому чи продовжити термін їхньої служби? Ми розберемо науку та питання безпеки.
Переваги високої щільності енергії
Літій-іонна технологія стала mainstream, тому що перевершує традиційні хімічні елементи за багатьма показниками, важливими для споживачів.
Перший фактор – вага. Типовий літій-іонний акумулятор може зберігати 150 ват годин енергії всього в одному кілограмі. У порівнянні з іншими поширеними типами різниця величезна. NiMH (нікель-метал-гідридні) акумулятори можуть зберігати 100 ват-годин на кілограм, але 60–70 ват-годин зустрічаються частіше. Свинцево-кислотні акумулятори? Насилу утримують 25 ват-годин на кілограм.
Щоб отримати ту ж енергію від свинцево-кислотного акумулятора, вам знадобиться батарея вагою 6 кг. Це різниця у 6 разів. Електроди виготовлені з легкого літію і вуглецю. Літій дуже реактивний. Його атомні зв’язки зберігають великі кількості енергії, що надає літій-іонним акумуляторам високу щільність енергії.
Відсутність «ефекту пам’яті» та повільний саморозряд
Крім ваги, ці акумулятори краще зберігають заряд в порівнянні зі своїми попередниками. Літій-іонні акумулятори втрачають близько 5% заряду на місяць. NiMH-акумулятори втрачають 20% заряду. Якщо ви залишите пристрій без використання на місяць, ви не почнете з нуля.
Також відсутня ефект пам’яті. Перед заряджанням не потрібно повністю розряджати акумулятор. Ця зручність змінила те, як ми використовуємо портативні електронні пристрої. Заряджайте акумулятор, коли бажаєте, а не тому, що цього вимагає батарея.
Літій-іонні акумулятори можуть витримувати сотні циклів заряджання без значної деградації. Для середнього користувача це означає роки надійної служби.
Недоліки: деградація та небезпека
Ці акумулятори не є ідеальними. Вони мають серйозні недоліки.
Деградація починається відразу після виходу із заводу. Термін служби літій-іонних акумуляторів становить 2-3 роки з дати виробництва. Навіть якщо ви не використовуєте їх, час вбиває їх.
Спека — їхній ворог. Високі температури змушують літій-іонні акумулятори зношуватися набагато швидше, ніж звичайно. Залишення телефону в гарячому автомобілі може скоротити його термін служби.
Літій-іонні акумулятори виходять з ладу, якщо вони повністю розряджені. Глибокий розряд назавжди руйнує хімічні компоненти.
Вам також потрібен бортовий комп’ютер для керування пристроєм. Це збільшує вартість та складність. Літій-іонним акумуляторам потрібна ця система керування для запобігання перезаряду та перерозряду. Це робить їх дорожчими порівняно з простими батареями.
Існує також небезпека займання. Якщо літій-іонний акумулятор несправний, є невеликий шанс, що він спалахне. Це не просто теоретичний ризик. Це відомий ризик і виробники постійно працюють над його зниженням.
Внутрішня хімія
Щоб зрозуміти, чому ці акумулятори поводяться саме так, нам потрібно зазирнути всередину них. Хімія визначає все: від того, чому вони легкі до того, чому вони вибухають. Ми розберемо це у наступному розділі.
Якщо розібрати акумулятор ноутбука, ви не знайдете нічого чарівного. Це просто осередки та схеми. Робити це рекомендується. Коротке замикання в літій-іонних батареях може призвести до пожежі. Але якщо ви безпечно розберете його, то виявите, що його внутрішня структура напрочуд однакова незалежно від марки чи моделі.
В основі лежить літій-іонний акумулятор. Він буває двох основних форм. Циліндричні батареї схожі на збільшені у розмірі пальчикові батареї (AA). Призматичні елементи є плоскими прямокутниками. Вони укладені чи згорнуті усередині металевого корпусу. Цей корпус – не просто упаковка. Він утримує тиск. Коли внутрішній тиск стає занадто високим через нагрівання або перезаряджання, відкривається клапан. Він випускає газ. Після цього акумулятор, швидше за все, вийде з ладу. Це пристрій аварійного відключення (fail-safe), що запобігає сценаріям вибуху. Також є перемикачі із позитивним температурним коефіцієнтом (PTC). Вони відключають живлення, якщо стає надто спекотно.
Але справжня історія у контролері.
Мозок у цеглині
Серед осередків прихована невелика системна плата. По суті це мікроконтролер. Ця система управління батареєю (Battery Management System) піклується про все.
Моніторинг та управління включають:
- Датчик температури постійно перевіряє рівень температури.
- Перетворювачі та регулятори напруги підтримують струм та напругу в безпечних межах.
- Захищений роз’єм ноутбука забезпечує передачу енергії та даних між батареєю та ноутбуком.
- Відводи напруги (Voltage Tap) контролюють енергоємність кожної батареї.
- Моніторинг стану зарядки працює як міні-комп’ютер. Він регулює процес заряджання, щоб максимізувати швидкість і ступінь заповнення.
Цей комп’ютер складний. Він працює, споживаючи власну енергію від батареї. Літій-іонні акумулятори мають низьке енергоспоживання та втрачають близько 5% заряду на місяць, якщо не використовуються.
Чому мій акумулятор розряджений?
Система керування має суворі правила. Якщо акумулятор занадто нагрівається під час використання або заряджання, контролер вимкне живлення. Він намагається охолонути. Ви, можливо, стикалися із цим раніше. Залиште ноутбук у гарячому автомобілі. Спробуйте увімкнути його. Контролер батареї не дасть розпочати роботу. Зачекайте, доки температура не знизиться.
Він також контролює стан ваших осередків. Блок акумулятора вимикається, коли акумулятор повністю розряджено. Глибокий розряд може знищити літій-іонні батареї. Контролер не дозволить використати пошкоджений блок.
Він також відстежує цикли заряджання/розряджання. Ця інформація передається до індикатора батареї ноутбука. Саме так операційна система дізнається скільки енергії залишилося. Це не здогад. Вона отримує дані у реальному часі від вбудованого комп’ютера.
Металевий корпус дуже важливий
Корпус зазвичай є металевим. Це невипадково. Літій-іонні акумулятори працюють під тиском. Металеві корпуси можуть витримувати цей тиск. Він також захищає внутрішні електронні компоненти.
Отвір для скидання тиску є критично важливим. Воно чутливе до тиску. Якщо акумулятор перегріється до можливого вибуху, надлишковий газ випускається через клапани. Це – односторонній процес. Після скидання тиску герметичність порушується. Акумулятор стає непридатним.
Перемикач PTC працює у зв’язці з клапаном. У міру зростання температури опір збільшується, запобігаючи перегріву. Це обмежує потік струму. Це виграє час, доки система не охолоне або користувач не вимкне зарядний пристрій.
Саме ці функції безпеки є причиною того, що сучасні акумулятори не вибухають щоразу під час заряджання. Але вони також означають, що акумулятори складніші, ніж простий пристрій для зберігання енергії. Це активний компонент. Він думає. Він ухвалює рішення. У деяких випадках вам може знадобитися зачекати.
Усередині осередку
Зніміть металевий корпус, щоб побачити довгу спіраль. Це не просто дроти. Вона утворена шляхом щільного з’єднання трьох тонких шарів.
- Позитивний електрод
- Негативний електрод
- Сепаратор
Зануріть його в органічний розчинник. Тут часто використовується ефір. Розчинник виконує основну роботу, виступаючи у ролі електроліту.
Сепаратори – незаслужено забуті герої. Це мікропориста пластикова плівка. Тонка, як папір для серветок. Її завдання просте, але суворо обов’язкове: запобігати контакту між позитивним і негативним висновками. Дотик викликає коротке замикання. Проте сепаратор пропускає іони. Ці пори досить малі, щоб запобігти фізичному контакту, але досить великі, щоб дозволити літію вільно переміщатися.
Внутрішній хімічний склад специфічний. Як позитивний електрод використовується оксид кобальту літію (LiCoO₂). А негативний електрод? Просто вуглець.
Баланс змінюється під час заряджання. Іони літію виходять із LiCoO₂. Вони проходять крізь електроліт. І осідають на вуглеці.
Розрядка звертає потік назад. Іони повертаються з вуглецю до LiCoO₂.
Це найпростіший цикл. Однак, якщо припуститися помилки, телефон може спалахнути.
Хімічні реакції всередині літій-іонного акумулятора відбуваються при високій напрузі. Кожен окремий осередок видає 3,7 вольта. Це число важливе, тому що воно більш ніж удвічі перевищує 1,5 вольта стандартної лужної батареї типу AA, яку можна купити в будь-якому продуктовому магазині. Більш висока напруга означає, що для живлення пристрою потрібно менше батарей, послідовно з’єднаних. Найменша кількість осередків займає менше фізичного простору. Ця ефективність робить смартфони дуже тонкими та легкими. Не магія. Це просто підвищення енергоємності.
Переваги високої напруги в портативній техніці
Якщо ви коли-небудь порівнювали громіздкий старий розкладний телефон із сучасним пристроєм, що є просто «листом скла», різниця полягає в їхньому хімічному складі. Лужні батареї великі. Для досягнення необхідної напруги для складних кіл потрібно кілька елементів. Літій-іонні акумулятори можуть виконувати ту ж функцію в кілька разів меншому розмірі. Саме компактність є головною причиною появи пристроїв, які зручно розміщуються у кишені. Але є компроміси. Висока енергоємність також означає, що у разі несправності виділяється велика кількість енергії. Питання вибухів ми приділимо увагу пізніше. Спершу давайте розберемося, як продовжити термін служби.
Продовження терміну служби батареї
Ми хочемо продовжити термін служби літій-іонних акумуляторів. Ніхто не хоче носити з собою «цеглу», яка розвалиться до обіду. Мета полягає в тому, щоб продовжити термін служби літій-іонних акумуляторів, не ускладнюючинеобхідних повсякденних завдань. Цей хімічний елемент чутливий до нагрівання та екстремальних умов заряджання.
- ** Уникайте повного розряду. ** Повна розрядка телефону може спричинити напругу в електроліті.
- ** Не тримайте заряд постійно на 100%. ** Максимальна напруга прискорює деградацію.
- ** Тримайте його в прохолоді. ** Тепло – ваш ворог. Не залишайте пристрій у гарячому автомобілі.
Більшість виробників рекомендують підтримувати заряд від 20% до 80% для повсякденного використання. Це не означає, що це ідеально. Це знижує навантаження на внутрішні компоненти. Для управління цим не потрібні спеціальні програми. Вимикайте зарядку, коли батарея майже повністю заряджена. Не розряджайте її до нуля.
Чому вибухають літій-іонні акумулятори?
Ви, мабуть, чули подібні історії. Телефон горить. Ноутбуки спалахують полум’ям. Звучить як наукова фантастика. Але це серйозний ризик для літій-іонної хімії. Чому вони вибухають?
Відповідь криється в електролітах. Вони легкозаймисті. Тепловий розгін виникає, коли внутрішні структури виходять із ладу. Нагрів накопичується. Тепло породжує ще більше тепла. Сепаратор між анодом та катодом плавиться. Дві сторони стикаються. Відбувається коротке замикання. Легкозаймистий електроліт може спалахнути.
Це відбувається нечасто. Сучасні пристрої мають захисні схеми, які вимикають живлення до того, як вони надто сильно нагріються. Але коли захист дає збій, наслідки бувають руйнівними. Тиск усередині закритого корпусу збільшується. Зрештою оболонка тріскається. Відбувається викид газів. Може статися спалах.
Ми розглянули, як висока напруга робить ці акумулятори компактними та ефективними. Ми вивчили, як продовжити термін їхньої служби. Ми вже обговорили небезпеку теплового розгону. Технологія потужна. Вона також нестабільна. Існує тонкий баланс між продуктивністю та безпекою. Ми використовуємо ці пристрої щодня. Ви довіряєте їм, вважаючи, що вони не спалять ваш будинок. Найчастіше ця впевненість виправдана. Але хімія, що лежить в основі, залишається потужною.
Максимально збільште термін служби та безпеку
Літій-іонні батареї дороги. Якщо ви хочете, щоб ваш продукт довше залишався в рамках гарантії, вам потрібно змінити підхід до використання. Хімічний склад не любить глибоких розрядів. Віддає перевагу циклам часткового розряду. Не знижуйте напругу до нуля. Це викликає незворотне пошкодження осередків. У них немає ефекту пам’яті, тому рання зарядка не пошкодить батарею. Уникайте повного розряду.
Старіння неминуче. Ці акумулятори служать два-три роки. Не накопичуйте батареї, розраховуючи, що вони прослужать п’ять років, навіть якщо ви їх ніколи не підключали. Ні. Купуючи запасні частини, перевіряйте дату виробництва. Зберігання на полиці навіть упродовж року скоротить термін його служби.
Спека – ваш ворог. Високі температури можуть швидко погіршити роботу внутрішніх компонентів. Тримайте пристрій у прохолоді.
Чому вибухають літій-іонні батареї?
Ми знаємо, як довго вони служать. Тепер давайте розглянемо, чому вони іноді виходять з ладу катастрофічно.
Пожежа виникає, коли внутрішня температура підвищується і електроліт спалахує. Вірусні відео з ноутбуками, з яких іде дим, підтверджують серйозність проблеми. Звіт Канадської мовної корпорації (CBC) “Літо вибухів ноутбуків” описує кілька таких інцидентів.
Ці пожежі зазвичай спричинені внутрішніми короткими замиканнями. Всередині літій-іонного акумулятора сепаратор поділяє позитивний та негативний електроди. Якщо цей сепаратор проколеться, електроди стикаються. В результаті він швидко нагрівається. Ви, мабуть, бачили це, коли у вас у кишені була 9-вольтова батарея. Якщо замкнути клеми монетою тощо, виділяється значна кількість тепла.
У літій-іонних батареях це коротке замикання відбувається усередині. Виділяється кількість енергії величезна. Тепло випаровує органічний розчинник, що використовується як електроліт. Шукати або навколишня спека можуть спричинити пожежу. Якщо одна батарея спалахне, теплова ланцюгова реакція може поширитися на інші частини батареї. Весь блок спалахне.
Пожежі рідкісні. Тим не менш, кілька інцидентів і кілька репортажів новин були достатні для виклику масштабного відгуку.
Часті питання про літій-іонну технологію
Як довго служить літій-іонна батарея?
Вона може витримати сотні циклів заряджання. На практиці очікуваний термін служби становить 2-3 роки до значного погіршення ємності.
Що саме являє собою літій-іонна батарея?
Акумулятор, що перезаряджається, в ноутбуках і мобільних телефонах. Коли іони літію переміщаються від негативного електрода через електроліт до позитивного, генерується електричний струм.
Скільки коштують літій-іонні батареї?
За даними BloombergNEF, середня вартість у 2020 році становила 137 доларів за кіловат-годину. Батареї для смартфонів коштують від 2 до 4 доларів. Батареї для електромобілів коштують від 7000 до 20000 доларів. Ціни впали приблизно на 88% за останні 10 років і продовжуватимуть знижуватися.
Які основні недоліки?
Іноді вони можуть спалахнути. Рівень відмов дуже низький, близько двох-трьох блоків на мільйон. Вони дуже чутливі до тепла, що прискорює їхню деградацію. Старіння починається відразу після виходу із заводу. Час простою не зупиняє старіння.
Чи існує досконаліша технологія акумуляторів?
Поки що ні. В даний час немає іншої технології акумуляторів, яка могла б конкурувати з літій-іонною. Досягається вища щільність енергії. Підтримує багато циклів. Заряджається швидше. І у багатьох випадках вони безпечніші у використанні, ніж альтернативи.
