Вы, вероятно, видели их в своих ноутбуках. Они есть в ваших телефонах. Они питают КПК и медиаплееры, которые мы носим с собой. Причина существования этих устройств в их современном виде проста. Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают большое количество энергии по отношению к их весу. Это также один из самых мощных вариантов перезаряжаемых батарей на рынке.
Но вы, вероятно, слышали страшные истории. Литий-ионные аккумуляторы могут загореться. Это случается редко: примерно две или три батареи из миллиона подвергаются такому отказу. Но когда это происходит, последствия бывают разрушительными. Уровень отказов может резко возрасти, что приводит к глобальным отзывам продукции и стоит производителям миллионов долларов.
Так почему же они так популярны? Почему они загораются? Что мы действительно можем сделать, чтобы предотвратить это или продлить срок их службы? Мы разберем науку и вопросы безопасности.
Преимущества высокой плотности энергии
Литий-ионная технология стала mainstream, потому что превосходит традиционные химические элементы по почти всем показателям, важным для потребителей.
Первый фактор — вес. Типичный литий-ионный аккумулятор может хранить 150 ватт-часов энергии всего в одном килограмме. По сравнению с другими распространенными типами, разница огромна. NiMH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы могут хранить 100 ватт-часов на килограмм, но 60–70 ватт-часов встречаются чаще. Свинцово-кислотные аккумуляторы? С трудом удерживают 25 ватт-часов на килограмм.
Чтобы получить ту же энергию от свинцово-кислотного аккумулятора, вам понадобится батарея весом 6 кг. Это разница в 6 раз. Электроды изготовлены из легкого лития и углерода. Литий очень реактивен. Его атомные связи хранят большие количества энергии, что придает литий-ионным аккумуляторам высокую плотность энергии.
Отсутствие «эффекта памяти» и медленный саморазряд
Не считая веса, эти аккумуляторы гораздо лучше сохраняют заряд по сравнению со своими предшественниками. Литий-ионные аккумуляторы теряют около 5% заряда в месяц. NiMH-аккумуляторы теряют 20% заряда. Если вы оставите устройства без использования на месяц, вы не начнете с нуля.
Также отсутствует эффект памяти. Нет необходимости полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой. Эта удобная особенность изменила то, как мы используем портативные электронные устройства. Заряжайте аккумулятор, когда хотите, а не потому, что этого требует батарея.
Литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать сотни циклов зарядки-разрядки без значительной деградации. Для среднего пользователя это означает годы надежной службы.
Недостатки: деградация и опасность
Эти аккумуляторы не идеальны. У них есть серьезные недостатки.
Деградация начинается сразу после выхода с завода. Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет 2–3 года с даты производства. Даже если вы не используете их, время убивает их.
Жара — их враг. Высокие температуры заставляют литий-ионные аккумуляторы изнашиваться гораздо быстрее обычного. Оставление телефона в горячем автомобиле может сократить его срок службы.
Литий-ионные аккумуляторы выходят из строя, если они полностью разряжены. Глубокий разряд навсегда разрушает химические компоненты.
Вам также нужен бортовой компьютер для управления устройством. Это увеличивает стоимость и сложность. Литий-ионным аккумуляторам требуется эта система управления для предотвращения перезаряда и переразряда. Это делает их более дорогими по сравнению с простыми батареями.
Существует также опасность возгорания. Если литий-ионный аккумулятор неисправен, есть небольшой шанс, что он загорится. Это не просто теоретический риск. Это известный риск, и производители постоянно работают над его снижением.
Внутренняя химия
Чтобы понять, почему эти аккумуляторы ведут себя именно так, нам нужно заглянуть внутрь них. Химия определяет все: от того, почему они легкие, до того, почему они взрываются. Мы разберем это в следующем разделе.
Если разобрать аккумулятор ноутбука, вы не обнаружите ничего волшебного. Это просто ячейки и схемы. Делать это не рекомендуется. Короткое замыкание в литий-ионных батареях может привести к пожару. Но если вы безопасно разберете его, то обнаружите, что его внутренняя структура удивительно одинакова независимо от марки или модели.
В основе лежит литий-ионный аккумулятор. Он бывает двух основных форм. Цилиндрические батареи похожи на увеличенные в размере пальчиковые (AA) батарейки. Призматические элементы представляют собой плоские прямоугольники. Они уложены или свернуты внутри металлического корпуса. Этот корпус — не просто упаковка. Он удерживает давление. Когда внутреннее давление становится слишком высоким из-за нагрева или перезарядки, открывается клапан. Он выпускает газ. После этого аккумулятор, скорее всего, выйдет из строя. Это устройство аварийного отключения (fail-safe), предотвращающее сценарии взрыва. Также есть переключатели с положительным температурным коэффициентом (PTC). Они отключают питание, если становится слишком жарко.
Но настоящая история кроется в контроллере.
Мозг в кирпиче
Среди ячеек скрыта небольшая системная плата. По сути, это микроконтроллер. Эта система управления батареей (Battery Management System) заботится обо всем.
Мониторинг и управление включают:
- Датчик температуры постоянно проверяет уровень температуры.
- Преобразователи и регуляторы напряжения поддерживают ток и напряжение в безопасных пределах.
- Защищенный разъем ноутбука обеспечивает передачу энергии и данных между батареей и ноутбуком.
- Отводы напряжения (Voltage Tap) контролируют энергоемкость каждой батареи.
- Мониторинг состояния зарядки работает как мини-компьютер. Он регулирует процесс зарядки, чтобы максимизировать скорость и степень заполнения.
Этот компьютер сложен. Он работает, потребляя собственную энергию от батареи. Литий-ионные аккумуляторы имеют низкое энергопотребление и теряют около 5% заряда в месяц, если не используются.
Почему мой аккумулятор разряжен?
Система управления имеет строгие правила. Если аккумулятор слишком нагревается во время использования или зарядки, контроллер отключит питание. Он пытается охладиться. Вы, возможно, сталкивались с этим раньше. Оставьте ноутбук в горячем автомобиле. Попробуйте включить его. Контроллер батареи не даст начать работу. Подождите, пока температура не снизится.
Он также контролирует состояние ваших ячеек. Блок батареи отключается, когда аккумулятор полностью разряжен. Глубокий разряд может уничтожить литий-ионные батареи. Контроллер не позволит использовать поврежденный блок.
Он также отслеживает циклы зарядки/разрядки. Эта информация передается в индикатор батареи ноутбука. Именно так операционная система узнает, сколько энергии осталось. Это не догадка. Она получает данные в реальном времени от встроенного компьютера.
Металлический корпус очень важен
Корпус обычно металлический. Это не случайно. Литий-ионные аккумуляторы работают под давлением. Металлические корпуса могут выдерживать это давление. Он также защищает внутренние электронные компоненты.
Отверстие для сброса давления критически важно. Оно чувствительно к давлению. Если аккумулятор перегреется до точки возможного взрыва, избыточный газ выпускается через клапаны. Это односторонний процесс. После сброса давления герметичность нарушается. Аккумулятор становится непригодным.
Переключатель PTC работает в связке с клапаном. По мере роста температуры сопротивление увеличивается, предотвращая перегрев. Это ограничивает поток тока. Это выигрывает время до тех пор, пока система не остынет или пользователь не отключит зарядное устройство.
Именно эти функции безопасности являются причиной того, что современные аккумуляторы не взрываются каждый раз при зарядке. Но они также означают, что аккумуляторы сложнее, чем простое устройство для хранения энергии. Это активный компонент. Он думает. Он принимает решения. В некоторых случаях вам может потребоваться подождать.
Внутри ячейки
Снимите металлический корпус, чтобы увидеть длинную спираль. Это не просто провода. Она образована путём плотного соединения трёх тонких слоёв.
- Положительный электрод
- Отрицательный электрод
- Сепаратор
Погрузите его в органический растворитель. Здесь очень часто используется эфир. Растворитель выполняет основную работу, выступая в роли электролита.
Сепараторы — незаслуженно забытые герои. Это микропористая пластиковая плёнка. Тонкая, как бумага для салфеток. Её задача проста, но строго обязательна: предотвращать контакт между положительным и отрицательным выводами. Прикосновение вызывает короткое замыкание. Однако сепаратор пропускает ионы. Эти поры достаточно малы, чтобы предотвратить физический контакт, но достаточно велики, чтобы позволить литию свободно перемещаться.
Внутренний химический состав специфичен. В качестве положительного электрода используется оксид кобальта лития (LiCoO₂). А отрицательный электрод? Просто углерод.
Баланс меняется во время зарядки. Ионы лития выходят из LiCoO₂. Они проходят через электролит. И оседают на углероде.
Разрядка обращает поток вспять. Ионы возвращаются из углерода в LiCoO₂.
Это простой цикл. Однако, если допустить ошибку, ваш телефон может загореться.
Химические реакции внутри литий-ионного аккумулятора происходят при высоком напряжении. Каждая отдельная ячейка выдает 3,7 вольта. Это число важно, потому что оно более чем в два раза превышает 1,5 вольта стандартной щелочной батарейки типа AA, которую можно купить в любом продуктовом магазине. Более высокое напряжение означает, что для питания устройства требуется меньше батарей, соединенных последовательно. Меньшее количество ячеек занимает меньше физического пространства. Эта эффективность делает смартфоны очень тонкими и легкими. Это не магия. Это просто повышение энергоемкости.
Преимущества высокого напряжения в портативной технике
Если вы когда-либо сравнивали громоздкий старый раскладной телефон с современным устройством, представляющим собой просто «лист стекла», разница заключается в их химическом составе. Щелочные батареи большие. Для достижения необходимого напряжения для сложных цепей требуется несколько элементов. Литий-ионные аккумуляторы могут выполнять ту же функцию в несколько раз меньшем размере. Именно компактность является главной причиной появления устройств, которые удобно помещаются в кармане. Но есть и компромиссы. Высокая энергоемкость также означает, что при возникновении неисправности выделяется большое количество энергии. Вопросу взрывов мы уделим внимание позже. Сначала давайте разберемся, как продлить срок службы.
Продление срока службы батареи
Мы хотим продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов. Никто не хочет носить с собой «кирпич», который развалится до обеда. Цель состоит в том, чтобы продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, не усложняяunnecessarily повседневные задачи. Этот химический элемент чувствителен к нагреву и экстремальным условиям зарядки.
- ** Избегайте полного разряда. ** Полная разрядка телефона может вызвать напряжение в электролите.
- ** Не держите заряд постоянно на 100%. ** Максимальное напряжение ускоряет деградацию.
- ** Держите его в прохладе. ** Тепло — ваш враг. Не оставляйте устройство в горячем автомобиле.
Большинство производителей рекомендуют поддерживать заряд в диапазоне от 20% до 80% для повседневного использования. Это не означает, что это идеально. Это снижает нагрузку на внутренние компоненты. Для управления этим не нужны специальные приложения. Отключайте зарядку, когда батарея почти полностью заряжена. Не разряжайте её до нуля.
Почему взрываются литий-ионные аккумуляторы?
Вы, вероятно, слышали подобные истории. Телефон горит. Ноутбуки вспыхивают пламенем. Звучит как научная фантастика. Но это серьезный риск для литий-ионной химии. Почему они взрываются?
Ответ кроется в электролитах. Они легковоспламеняемы. Тепловой разгон возникает, когда внутренние структуры выходят из строя. Нагрев накапливается. Тепло порождает еще больше тепла. Сепаратор между анодом и катодом плавится. Две стороны соприкасаются. Происходит короткое замыкание. Легковоспламеняющийся электролит может загореться.
Это происходит нечасто. Современные устройства имеют защитные схемы, которые отключают питание до того, как они слишком сильно нагреются. Но когда защита дает сбой, последствия бывают разрушительными. Давление внутри закрытого корпуса увеличивается. В конце концов оболочка трескается. Происходит выброс газов. Может произойти возгорание.
Мы рассмотрели, как высокое напряжение делает эти аккумуляторы компактными и эффективными. Мы изучили, как продлить срок их службы. Мы уже обсудили опасности теплового разгона. Технология мощна. Она также нестабильна. Существует тонкий баланс между производительностью и безопасностью. Мы используем эти устройства каждый день. Вы доверяете им, полагая, что они не сожгут ваш дом. В большинстве случаев эта уверенность оправдана. Но лежащая в основе химия остается мощной.
Максимально увеличьте срок службы и безопасность
Литий-ионные батареи дороги. Если вы хотите, чтобы ваш продукт дольше оставался в рамках гарантии, вам нужно изменить подход к его использованию. Химический состав не любит глубоких разрядов. Предпочитает циклы частичного разряда. Не снижайте напряжение до нуля. Это вызывает необратимое повреждение ячеек. У них нет «эффекта памяти», поэтому ранняя зарядка не повредит батарею. Избегайте полного разряда.
Старение неизбежно. Эти аккумуляторы служат два-три года. Не накапливайте батареи, рассчитывая, что они прослужат пять лет, даже если вы никогда их не подключали. Нет. При покупке запасных частей проверяйте дату производства. Хранение на полке даже в течение года сократит срок его службы.
Жара — ваш враг. Высокие температуры могут быстро ухудшить работу внутренних компонентов. Держите устройство в прохладе.
Почему взрываются литий-ионные батареи?
Мы знаем, как они служат долго. Теперь давайте рассмотрим, почему они иногда выходят из строя катастрофическим образом.
Пожар возникает, когда внутренняя температура повышается и электролит воспламеняется. Вирусные видео с ноутбуками, из которых идет дым, подтверждают серьезность проблемы. Отчет Канадской вещательной корпорации (CBC) «Лето взрывов ноутбуков» описывает несколько таких инцидентов.
Эти пожары обычно вызваны внутренними короткими замыканиями. Внутри литий-ионного аккумулятора сепаратор разделяет положительный и отрицательный электроды. Если этот сепаратор проколется, электроды соприкоснутся. В результате он быстро нагревается. Вы, вероятно, видели это, когда у вас в кармане была 9-вольтовая батарея. Если замкнуть клеммы монетой и т. д., выделяется значительное количество тепла.
В литий-ионных батареях это короткое замыкание происходит внутри. Выделяемое количество энергии огромно. Тепло испаряет органический растворитель, используемый в качестве электролита. Искать или окружающая жара могут вызвать пожар. Если одна батарея загорится, тепловая цепная реакция может распространиться на другие части батареи. Весь блок вспыхнет.
Пожары редки. Тем не менее, несколько инцидентов и несколько новостных репортажей были достаточны для вызова масштабного отзыва.
Часто задаваемые вопросы о литий-ионной технологии
Как долго служит литий-ионная батарея?
Она может выдержать сотни циклов зарядки. На практике ожидаемый срок службы составляет 2–3 года до значительного ухудшения емкости.
Что именно представляет собой литий-ионная батарея?
Перезаряжаемый аккумулятор в ноутбуках и мобильных телефонах. Когда ионы лития перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному, генерируется электрический ток.
Сколько стоят литий-ионные батареи?
По данным BloombergNEF, средняя стоимость в 2020 году составляла 137 долларов за киловатт-час. Батареи для смартфонов стоят от 2 до 4 долларов. Батареи для электромобилей стоят от 7 000 до 20 000 долларов. Цены упали примерно на 88% за последние 10 лет и будут продолжать снижаться.
Каковы основные недостатки?
Иногда они могут загореться. Уровень отказов очень низкий, около двух-трех блоков на миллион. Они очень чувствительны к теплу, что ускоряет их деградацию. Старение начинается сразу после выхода с завода. Время простоя не останавливает процесс старения.
Существует ли более совершенная технология аккумуляторов?
Пока нет. В настоящее время нет другой технологии аккумуляторов, которая могла бы конкурировать с литий-ионной. Достигается более высокая плотность энергии. Поддерживает множество циклов. Заряжается быстрее. И во многих случаях они безопаснее в использовании, чем альтернативы.
